《智能系統(tǒng)》第2章 智能感知

1、高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書智能系統(tǒng)第二章智能感知2.1智能感知概述2.2多傳感器數(shù)據(jù)融合2.3網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知2.4智能感知應(yīng)用高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of312習(xí)題2.1 智能感知概述第二章 智能感知of313 傳感器國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665-2005對(duì)傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。 智能傳感器它集感知、信息處理與通信于一體；能提供以數(shù)字量方式傳播具有一定知識(shí)級(jí)別的信息，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。歸納諸多學(xué)者的觀點(diǎn)，它可以定義為基于人工智能理論，利用微處理器實(shí)現(xiàn)智能處理功能的傳感器。

2、火災(zāi)傳感器溫濕度智能傳感器1傳感器與智能傳感器2.1 智能感知概述第二章 智能感知4智能傳感器的主要智能處理功能如下：（1）自補(bǔ)償功能。（2）自計(jì)算和處理功能。（3）自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能。（4）自診斷功能。（5）其它的常用功能包括用于數(shù)據(jù)交換通信接口功能,數(shù)字和模擬輸出功能及使用備用電源的斷電保護(hù)功能等。 自動(dòng)駕駛車輛上，至少安裝了三套傳感器系統(tǒng)：攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)，傳感器數(shù)量多達(dá)上千個(gè)，這樣才能采集到車輛行駛過程中周遭的環(huán)境信息，完成智能行駛。Google無人駕駛汽車1傳感器與智能傳感器2.1 智能感知概述第二章 智能感知5 感知是人類認(rèn)識(shí)自然世界，掌握自然規(guī)律的實(shí)踐途徑之一，人類具備視覺

3、、聽覺、嗅覺、觸覺等感知能力，能夠?qū)⒖吹降?、聽到的、聞到的以及觸摸到的外界信息傳入大腦進(jìn)行處理，通過這種方式來認(rèn)知世界。 裝載了智能傳感器的機(jī)器能夠通過各種智能感知能力與自然界進(jìn)行交互。自動(dòng)駕駛汽車通過激光雷達(dá)等感知設(shè)備和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)這樣的感知智能的。智能路燈通過感知智能可實(shí)現(xiàn)根據(jù)移動(dòng)物體的位置遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)燈光亮度?！按蠊贰睓C(jī)器人（Big Dog）內(nèi)部安裝的各種傳感器不僅可讓它根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)整行進(jìn)姿態(tài)，還能夠保障操作人員實(shí)時(shí)地跟蹤“大狗”的位置并監(jiān)測其系統(tǒng)狀況。“大狗”機(jī)器人（Big Dog）2感知智能2.1 智能感知概述第二章 智能感知6 智能感知系統(tǒng)是對(duì)物質(zhì)世界的信息進(jìn)行測量與控制的基

4、礎(chǔ)手段和設(shè)備。測試技術(shù)中的傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)就是完成信息獲取的具體器件。一般而言，智能感知系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄存儲(chǔ)裝置三部分組成。智能感知系統(tǒng)的組成3智能感知系統(tǒng)第二章智能感知2.1智能感知概述2.2多傳感器數(shù)據(jù)融合2.3網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知2.4智能感知應(yīng)用高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of317習(xí)題2.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合第二章 智能感知8 像人的大腦綜合處理信息的過程一樣，感知系統(tǒng)綜合來自分布在不同位置的各種傳感器實(shí)時(shí)采集的局部、分離、不完整的觀察量，通過智能計(jì)算方法，提取有效特征信息，最終產(chǎn)生對(duì)觀測場景的相對(duì)完整一致性的解釋。在這個(gè)過程中要充分利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行合理支配與使用，

5、這不僅利用了多個(gè)傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢，而且也綜合處理了其它信息源的數(shù)據(jù)來提高整個(gè)感知系統(tǒng)的智能化。通過綜合不同時(shí)間與空間的多傳感器觀察量，利用其互補(bǔ)、冗余性克服單個(gè)傳感器的不確定性和局限性，以形成對(duì)被測對(duì)象的相對(duì)完整一致的解釋與描述，提高測量的精度和可靠性，從而提高智能系統(tǒng)識(shí)別、判斷、決策、規(guī)劃和反應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性。1數(shù)據(jù)融合的概念2.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合第二章 智能感知9數(shù)據(jù)融合過程（1）融合要處理的是復(fù)雜的、多源、多維和全時(shí)空信息。（2）數(shù)據(jù)融合的對(duì)象不僅包括多傳感器得到的數(shù)據(jù)（自然環(huán)境信息），還包括社會(huì)信息，融合需要對(duì)感知系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中的所有信息進(jìn)行有效綜合。（3）互補(bǔ)包括信息表達(dá)

6、方式、結(jié)構(gòu)、功能等各種不同層次上的互補(bǔ)，通過關(guān)聯(lián)、分類、估值、預(yù)測等算法對(duì)信息進(jìn)行互補(bǔ)運(yùn)算，在不同層次上使信息越來越清晰，越來越豐富，完成信息的再生和升華，達(dá)到最優(yōu)。1數(shù)據(jù)融合的概念2.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合第二章 智能感知10目標(biāo)數(shù)據(jù)融合的目的就是通過多傳感器進(jìn)行協(xié)作測量并進(jìn)一步融合數(shù)據(jù)，全面了解被測對(duì)象以獲得對(duì)其的一致性最優(yōu)估值和辨識(shí)。原理N個(gè)不同類型的傳感器采集被測目標(biāo)的觀察量，經(jīng)過特征提取變換處理，得到觀察量對(duì)應(yīng)的特征矢量。接著對(duì)特征矢量進(jìn)行模式識(shí)別處理得到各傳感器關(guān)于被測目標(biāo)的描述說明；然后將這些描述說明數(shù)據(jù)按同一個(gè)被測目標(biāo)進(jìn)行分組，最后利用融合方法將每一被測目標(biāo)述說明數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，得

7、到該目標(biāo)的一致性解釋描述。數(shù)據(jù)融合原理示意圖2數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)、原理與層次2.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合第二章 智能感知11層次數(shù)據(jù)融合按其在融合系統(tǒng)中信息處理的抽象程度，主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)層次：數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合。（1）數(shù)據(jù)級(jí)融合：也稱像素級(jí)融合，是對(duì)傳感器的直接觀測數(shù)據(jù)的融合，然后從融合的數(shù)據(jù)中提取特征矢量并進(jìn)行判斷識(shí)別。（2）特征級(jí)融合：特征級(jí)融合屬于中間層次，先從每種傳感器提供的原始觀測數(shù)據(jù)中提取有代表性的特征，這些特征融合成單一的特征矢量，然后運(yùn)用模式識(shí)別的方法進(jìn)行處理作為進(jìn)一步?jīng)Q策的依據(jù)。（3）決策級(jí)融合：決策級(jí)融合屬于高層次的融合，首先每個(gè)傳感器執(zhí)行一個(gè)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別決策，然后

8、將來自每個(gè)傳感器的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行融合，按照一定的準(zhǔn)則作出最優(yōu)決策。2數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)、原理與層次2.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合第二章 智能感知12 利用多個(gè)傳感器所獲取的關(guān)于被測對(duì)象和環(huán)境全面、完整的信息，主要體現(xiàn)在融合方法上。因此，多傳感器系統(tǒng)的核心問題是選擇合適的數(shù)據(jù)融合方法。數(shù)據(jù)融合常用方法3數(shù)據(jù)融合的方法2.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合第二章 智能感知131.統(tǒng)計(jì)方法 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的算法主要運(yùn)用傳統(tǒng)概率統(tǒng)計(jì)方法，利用概率分布或者密度函數(shù)來描述數(shù)據(jù)的不確定性。數(shù)據(jù)融合的目的是從大量冗余、精準(zhǔn)性不高的數(shù)據(jù)中提取所需的特征。 Bayes估計(jì)；最大似然估計(jì)；卡爾曼濾波；D-S證據(jù)理論。2.信息論方法 聚類分析；表

9、決法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；熵法。3.認(rèn)知模型方法 模糊邏輯；知識(shí)系統(tǒng)；邏輯模板。3數(shù)據(jù)融合的方法第二章智能感知2.1智能感知概述2.2多傳感器數(shù)據(jù)融合2.3網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知2.4智能感知應(yīng)用高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of3114習(xí)題2.3 網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知第二章 智能感知15傳感網(wǎng)絡(luò)由一組空間上散布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的傳感節(jié)點(diǎn)組成，用于收集所處環(huán)境的信息，然后根據(jù)融合后的信息對(duì)環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)反饋。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）。大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)。WSN就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成

10、，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素。1傳感網(wǎng)絡(luò)與WSN2.3 網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知第二章 智能感知16無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)參考了互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP和OSI/RM的架構(gòu)。從下至上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。此外每層又包含了無線傳感網(wǎng)絡(luò)特有的電源管理、移動(dòng)管理和任務(wù)管理模塊。無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)1傳感網(wǎng)絡(luò)與WSN2.3 網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知第二章 智能感知17 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸常采用各種短距離無線通信技術(shù)，如ZigBe

11、e、Bluetooth、Wi-Fi等。（1）ZigBee（2）6LoWPAN（3）Bluetooth（4）Wi-Fi（5）其他技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)1傳感網(wǎng)絡(luò)與WSN2.3 網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知第二章 智能感知18 無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)中大量采用具有智能感測和無線傳輸?shù)奈⑿蛡鞲衅?，它們偵測周圍環(huán)境，如溫度、濕度、壓力、光照、氣體濃度，電磁輻射、震動(dòng)強(qiáng)度等物理信息，并由無線網(wǎng)絡(luò)將收集到的信息傳送給監(jiān)控者。無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為軍事偵測、建筑監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)、工業(yè)控制、交通管理、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、智能家居等應(yīng)用中的重要技術(shù)手段。1傳感網(wǎng)絡(luò)與WSN2.3 網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知第二章 智能感知19 由于不同性質(zhì)、不同類型的感知信

12、息形式內(nèi)容不統(tǒng)一，傳感器采樣和量化方式不同造成的信息精度差異，以及傳感器知域局限性使得獲取信息不全面和具有時(shí)空相關(guān)性等問題，導(dǎo)致了原始感知數(shù)據(jù)具有不確定性和高度冗余性。這就需要研究網(wǎng)絡(luò)化信息協(xié)作感知的有效方法。傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)作測量涉及到很多方面，如傳感網(wǎng)絡(luò)布置、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)融合等。近些年，隨著傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步降低了傳感節(jié)點(diǎn)的造價(jià)，使得布置大量傳感節(jié)點(diǎn)以數(shù)量換取質(zhì)量成為可能。如何有效地利用大量節(jié)點(diǎn)之間對(duì)感知數(shù)據(jù)的協(xié)同處理和控制來完成感知任務(wù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題，傳感節(jié)點(diǎn)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信延遲和能耗以及信息融合算法的設(shè)計(jì)都是需要考慮的。2協(xié)作感知2.3 網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知第二章 智能

13、感知20協(xié)作信號(hào)處理通過協(xié)調(diào)不同節(jié)點(diǎn)的測量、傳輸時(shí)序, 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源分布和測量目標(biāo)，由傳感節(jié)點(diǎn)自主協(xié)作，降低能耗滿足高精度測量需求，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息融合。能耗、通信帶寬和計(jì)算能力是傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)作測量感知的三大約束條件，協(xié)作式信號(hào)處理方法必須同時(shí)考慮各傳感節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)擔(dān)、計(jì)算能力和剩余能量，使數(shù)據(jù)融合過程在滿足一定精度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)通信和計(jì)算能耗的最小化。2協(xié)作感知第二章智能感知2.1智能感知概述2.2多傳感器數(shù)據(jù)融合2.3網(wǎng)絡(luò)化智能協(xié)作感知2.4智能感知應(yīng)用高級(jí)人工智能人才培養(yǎng)叢書of3121習(xí)題2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知22 人類和高等動(dòng)物都能通過視覺、觸覺、聽覺、味覺、嗅覺

14、等豐富的感覺器官來感受外界刺激，獲取環(huán)境信息。智能系統(tǒng)同樣可以通過各種傳感器來感知周圍的環(huán)境信息，目前主流的智能感知應(yīng)用包括視覺感知、聽覺感知、觸覺感知和一些其他感知等。視覺傳感器以圖像的形式呈現(xiàn)環(huán)境信息，一般是將監(jiān)測環(huán)境中的景物的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。目前，用于圖像采集的常見視覺傳感器包括紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、TOF（Time of flight）深度攝像機(jī)以及近紅外攝像機(jī)幾類。1視覺感知2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知231智能車視覺感知應(yīng)用智能車視覺感知系統(tǒng)主要檢測行駛過程中遇到的人、車、路信息，下面就以交通標(biāo)志檢測為例，說明智能車視覺感知系統(tǒng)如何工作的。色彩分割；形狀檢測和象形識(shí)

15、別。2消防機(jī)器人視覺感知應(yīng)用消防機(jī)器人主要采用可見光攝像機(jī)和/或紅外熱像儀構(gòu)建視覺系統(tǒng)采集環(huán)境信息。常見的消防機(jī)器人視覺系統(tǒng)主要有單目視覺系統(tǒng)和立體視覺系統(tǒng)兩大類型。3空間機(jī)械臂在軌作業(yè)視覺感知應(yīng)用隨著機(jī)器人、遙操作等技術(shù)的不斷發(fā)展，以空間機(jī)械臂代替航天員進(jìn)行空間在軌服務(wù)已成為一種必然趨勢。視覺作為空間機(jī)械臂的“眼睛”在在軌服務(wù)操作中具有舉足輕重的地位。1視覺感知2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知24對(duì)接環(huán)抓捕工具機(jī)械臂作業(yè)概念圖OHB公司的空間機(jī)械臂視覺系統(tǒng)機(jī)械臂末端結(jié)構(gòu)1視覺感知2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知25聽覺是人類和智能系統(tǒng)識(shí)別周圍環(huán)境很重要的感知能力，盡管聽覺定位精度比視

16、覺定為精度低很多，但是聽覺有很多其它感官無可比擬的優(yōu)勢。比如，聽覺定位是全向性的，傳感器陣列可以接受空間中的任何方向的聲音。智能系統(tǒng)依靠聽覺可以工作在黑暗環(huán)境或者光線很暗的環(huán)境中進(jìn)行聲源定位和語音識(shí)別，這是依靠視覺不能實(shí)現(xiàn)的。2聽覺感知2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知26水下目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別無人平臺(tái)應(yīng)用水下目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別一直是各國海軍優(yōu)先和重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)。截至目前的科學(xué)研究和實(shí)踐表明，聲波是水介質(zhì)中所有信息載體中傳播損失最小的，因而采用聲吶作為水下遠(yuǎn)程目標(biāo)探測最有效的工具。聲吶接收的水下信號(hào)是發(fā)聲體和所處介質(zhì)共同作用后產(chǎn)生的目標(biāo)輻射噪聲，通過特征提取、特征選擇和分類器處理從而實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的準(zhǔn)確辨

17、識(shí)。無人平臺(tái)是一種面向信息化作戰(zhàn)的集感知、控制和智能決策于一體，能夠自主駕駛的智能平臺(tái)。無人車、無人機(jī)間的很多交互信息是基于聲音的，如槍聲炮聲的識(shí)別定位，語音指令，環(huán)境聲音等，感知周圍這些基于聲音的交互信息，并做出正確的智能決策對(duì)無人車輛而言至關(guān)重要。聽覺感知包括聲學(xué)事件檢測和特定語義下的音頻場景識(shí)別。聲學(xué)事件檢測是通過采集設(shè)備拾取聲音信號(hào)，經(jīng)分析處理后獲得其發(fā)生的開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、場景類別等信息，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的事件符號(hào)來表示，從而達(dá)到仿真人耳聽覺感知能力的目的。2聽覺感知2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知27觸覺是智能系統(tǒng)獲取環(huán)境信息的一種僅次于視覺的重要知覺形式，是實(shí)現(xiàn)與環(huán)境直接作

18、用的必需媒介。與視覺不同，觸覺本身有很強(qiáng)的敏感能力可直接測量對(duì)象和環(huán)境的多種性質(zhì)特征，因此觸覺不僅僅只是視覺的一種補(bǔ)充。觸覺的主要任務(wù)是為獲取對(duì)象與環(huán)境信息和為完成某種作業(yè)任務(wù)而對(duì)智能系統(tǒng)與對(duì)象、環(huán)境相互作用時(shí)的一系列物理特征量進(jìn)行檢測或感知。3觸覺感知2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知28觸覺感知技術(shù)應(yīng)用于視障產(chǎn)品中能給視障群體帶來實(shí)實(shí)在在的便利。如帶有漂浮杠桿提示水位的水杯，當(dāng)杯內(nèi)水位到達(dá)一定程度時(shí)，杠桿的杯外部分會(huì)觸及到握住把手的大拇指，從而讓人獲知“現(xiàn)在杯內(nèi)的水已經(jīng)足夠了”。盲人手杖設(shè)計(jì)中增加了手部觸感的反饋，使用者通過手指觸感的變化來獲取周圍環(huán)境信息。還有盲人專用導(dǎo)航鞋，鞋內(nèi)置藍(lán)牙、GPS模塊以及小型震動(dòng)裝置，在行走過程中，鞋子前后左右4個(gè)震動(dòng)器會(huì)通過震動(dòng)指示方向。盲人防溢出水杯 智能盲人手杖盲人專用導(dǎo)航鞋3觸覺感知2.4 智能感知應(yīng)用第二章 智能感知29假手是一類典型的人機(jī)交互設(shè)備，對(duì)于輔助手臂截肢患者恢復(fù)手部功能有著重要的作用。現(xiàn)代智能假手除了在外觀上裝飾殘疾人缺失的肢體以外，還可通過肌電控制及其