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技 术 与 自 动化
基于神经 ½络信 息融合 的智½机 器人
李
强 ，杨 晓 京 一 ，魏
岚
（ ． 明 理 工 走 学 机 电 学 院机 电技 表研 究 所
１昆
云 南昆明
６０９ ；
５ ０ ３
２昆明理工大学现代农业工程学院， 云南昆明
６ ０ ２ ：３重庆市江津师范学校． 重庆江津
５２４ ．
４２８
０２９
１引 言
机器 人技 术 的 发 展 是 一 个 ½ 家科 技 水 平 和 工 业 自 动化
程 度 的 重 要 桥 志 和 ½ 现 ，在 ½ 前 生 产 生 活 中 ，机 器 人 应 用
越 来越 广 泛 ，正 在 代 替 人 发 挥 着 １ 重 要 的 ½ 用 机 器 人
３益
器；Ｄ 速度 传感器；倾斜角传感器 ；方 ½角传感器等 外
Ⅱ
部传感 器包括：视觉 （
测量、认识传感器 ）
、触觉 （
接触 、
雁蹙 、滑动觉传感器）
、力觉 （ 、力 矩传感器）
力
、接近觉
（
接近 觉 距离传 感器 ）以及角 度传感 器 （ 斜 、方向
倾
姿式 传感 器）
智½ 机器人身上通 常配备有多种 不同的传感器 ，½
妞视
觉 传感器 、红 外传 感器 、超 声传感器 、碰 撞检测传 感器 、
触觉传感器 、精觉传感器等。 由于受 到各传感器的橙测对
象 ，Ｔ½范围 、精度等固索的½响 ．需要 礁定不同来耀传
感 器 数 据 的 一 致 性 ， 通 过 不 同 传 感 器 信 息 的 互 相 补 充 来 获
技 术综台 了计 算机 ，控制论 、机掏学 、信息和 传感拄术 ，
人 工智 ½ 、 仿 生 学 等 多 学 科 而 ½ 成 的 高 新 技 术 ，集 成 丁 许
多学 科 的发 展 成 果 ， 代 表 高 技 术 的 发 展 前 沿 是 ½ 前 科 技
研 究 的 热 点 方 向 随 着 计 算 机 、 破 电 子 信 包技 术 的快 速
进 步 ．机 器 人 技 术 的 开 发 速 度 越 米 越 快 ． 智 ½ 度 越 来 越
高 ，应 用 范 围得 到 了楹 大曲 扩 展
智 ½ 机器 人 是 机 器 人 学 领 域 的 一 十 重 簧 研 究 分 支 它
得外 部完整 的信息，所以多传感器信息融 合＿ 提高机器人
口
Ｊ
的智 ½ 化 程 度 。
是一个集 环境 感知 、动态决策 与规划 、行为控制与执行等
多功 ½ 于 一 ½ 的 综 合 系 统 ，是 一 类½ 够 通 过 传 感 器 感 知 环
（ ）信息融合
２
情息 融合 是利用计算机技术对按 时序取 得的若干信息
源的观谢 信息以一定准则加以 自动分 析、综 合 ，为完成所
需 要的决策和估计任务而进行的信息处理过 程 它强调三
个棱 方面：① 信息融台是在几个层次上 完成 对多源信息
的 处 理 过 程 ， 其 中 每 一 层 次 ½ 表 示 不 同 级 别 的信 息 ½ 象 ；
境 和自身状态 ．实现在有障碍物 的环境中面』
句目标的 自主
运 动 ． 进 而 完 成 不 同 ½ 业 功 ½ 的机 器 人 系 统 对 不 同任 务
和特殊环境 的适应性是智½机器 人与一般 自动化装备的重
要 区别 智 ½ 机 器 人 从 外 观 上 已远 远 脱 离 了 最 初 的 工 业 机
器人 所具有的½ 状和局限 ，更蜘符台 各种乔屙应用环境 的
特殊 要求 ． 其 功 ½ 和 智 ½ 程 度 太 大增 强 从 而 为 机 器 人 技
璺信息融合包括 探测 互联 ，相关 、估 计以及信 息组台 ；
术开辟出更加 广阔的发展空间 而机 器人多传感器信息融
合 技 术是 机 器 人 智 ½ 化 的 关 键 技 术 因 此 研 究 机 器 人 多 传
＠信息 融合的结 果包 括较½层次上的状态 和身½估计 ．以
及较高 层趺上的整个 工½ 态势估计 ，
一般来 说，信息融合
本质 是一个 由½层 到顶 层对多元信息进行 档合 运层½
象信息处理的过程 。
（ ）多传感器信息融合
３
感信息融合技术具有重要意义
２多传 感 器信 息 融 合 技 术
（ ）机 器 人 传 感 器
Ｉ
机 器 人 所用 的 传 感 器 有 很 多 种 ， 根 据 不 同 用 途 分 为 内
多传感器信息 融台 技术对促进机器人 向智 ½化 自主
化起 着极 其重 要 的 ½ 用 ．是 协 调 ½ 用 多 十传 感 器 ， 把 分 布
在 不 同½ ½ 的 多个 同质 或 异 质 传 感 器 所 提 供 的 局 部 不 完 整
部测 嚣传感 器和外部测量传感器 两大类 内部测量传感器
用 来 捡 测 机 器 人 组 成 部 件 的 内 部 状 态 ，包 括 ：特 定 ½ ½
角 度传惑器 ；任意 ½½ 、角度 传感 器 ；速 度 、角度传感
收 稿 Ｆ期 ：２ ０ — Ｄ —Ｏ
½
Ｏ６ ½ ６
½ 量及 相关联数据库 中的相关信息加 以综合 ．消除多传感
嘞
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控 制技 术 与 自
器之 间可½存 在的冗 ½和矛盾 ，并加以互补 ，降½其不确
定 性 ，获 得 对 物 ½ 或 环 境 的 一 致 性 描 述 的 过 程 ，是 机 器 人
的 Ｂ 自适 应 、 自组 织 性 。 以及 很 强 的学 习 功 ½ 、联 想 功 ½
和 容 错 功 ½ ，与 目前 占统 治 地 ½ 的 冯 ・ 依 曼 计 算 机 相 比 ，
诺
更 加 接 近人 脑 的 信 息 处 理 模 式 。这 里 采 用 Ｒ Ｆ神 经 ½ 络 ，
Ｂ
其 拓 扑 结 构 示 意 图 如 图 ２所 示 。
智 ½化 的关 键 技 术 之 一 。 它 通 过 一 定 的 算 法 来 合 并 多 个 信
息 源 的 信 息 ，以 产 生 更 可 靠 、更 准 确 的 信 息 ， 并 根 据 这 些
信 息 做 出可 靠 的 决 策 。其 关 键 技 术 可 对 各 类 、各 个 原 始 信
息 进 行 校 准 、相 关 估 计 、误 差 模 式 识 别 和状 态 决 策 处 理 。
多传 感 器 系 统 是 信 息 融 合 技 术 的 硬 件 基 础 ，多 源 信 息 是 信
息 融 合 的加 工 对 象 ，融 合 算 法 是 信 息 融 合 的核 心 。 多 传 感
器 信 息 融 合 的一 般 方 法 如 图 ½ 示 。
所
图 ２ 中 … 为 ½ 个 输 入 传 感 器 信 息 ；／… ／
３ ３
½ 为 ½
个 隐 节 点 ；Ｙ… Ｙ 为 输 出 信 息 。 连 接 输 入 层 与 隐 层 的 权
。
值 记 为
连 接 隐 层 与 输 出 层 的 权 重 记 为 。 Ｃ、½为
中 心 矩 阵 和 ½ 度 矩 阵 ， 它 们 是 Ｒ Ｆ神 经 模 型 中 的 重 要 参
Ｂ
数 ，对 ½ 络 的 性½ 有 重 要 的½ 响 。
（ ）智 ½ 机 器 人 的视 觉
２
垡 — 号 处 ½
４ 信 预 理＿ 数据
壁
一
传 器½ 信 预 理 —
感２
— 号 处 一 融合
处 理
视 觉 系统 是 智 ½ 机 器 人 的 重 要 组 成 部 分 ， 由 摄 像 机 、
图 像 采 集 卡 和计 算 机 组 成 。 机 器 人 视 觉 系 统 的 工 ½ 包 括 图
像 的获 取 、 图像 的处 理 和 分 析 、输 出 和 显 示 ，核 心 任 务 是
感 ½— 预 理－
器４ 情号 处 ½ 器
＿
—
一
图 １ 多 传 感 器 信 息 融 合
特 征 提 取 、 图像 分割 和 图像 辨 识 ，而 如 ½ 精 确 高 效 的处 理
视 觉 信 息 是 视 觉 系 统 的 关 键 问 题 。 目前 视 觉 信 息 处 理 逐 步
细 化 ，包 括 视 觉 信 息 的 压 缩 和滤 波 、 环 境 和 障 碍 物 检 测 、
特 定 环 境 标 志 的识 别 、三 维 信 息 感 知 与 处 理 等 ，其 中 环 境
多 传感器信 息融合 由于其 应用 上的 复杂性 和多样性 ，
故 融 合 方 法 研 究 内容 极 其 丰 富 。 目前 多 传 感 器 信 息 融合 方
法 有 贝 叶 斯 估 计 、Ｄ Ｓ理 论 、卡 尔 曼 滤 波 、模 糊 逻 辑 、神
－
经 ½ 络 、小 波 变 换 等 ，其 中 神 经 ½络 是 多 传 感 器 信 息 融 合
的 重要 方 法 之 一 。
和 障 碍 物 检 测 是 视 觉 信息 处 理 中最 重 要 、也 是 最 困难 的 过
程 。机 器 人 视 觉 是其 智½ 化 重 要 的 标 志 之 一 ，对 机 器 人 智
½及控制½具有非常重要的意义。
３基 于 神 经 ½ 络信 息 融 合 的 智 ½ 机 器 人
（ ）人 工神 经 ½络 基 本 原 理
１
人 工 神 经 ½ 络 （ ½ ½ ½½Ｎ ½½ Ｎ ½½½或 Ａ Ｎ） 是
Ａ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½ ½
½
½
Ｎ
由许 多 单 元 ，又 称 神 经 元 ，按 照 一 定 的拓 扑结 构 相 互 连 接
而 成 的 一 种 具 有 并 行 计 算 ½ 力 的 ½络 系统 ，具 有 较 强 的 非
线 性 拟 合 ½ 力 和 多输 入 多输 出 同 时 处 理 ½ 力 。 它 试 图通 过
模 拟 人 脑 神 经 ½络 处 理 信 息 的 方 式 ，从 另 一 个 研 究 角度 来
获 取 具 有 人 脑 那 样 的信 息 处 理 ½ 力 。 由 于 对 人 工 神 经 ½ 络
的 研 究 和 人 的神 经 ½络 的 研 究 密 不 可 分 ，所 以把 人 工神 经
½ 络 亦 称 为 神 经 ½ 络 （ ½ ½½ Ｎ ½½ ½或 Ｎ ） 为 了模 拟
Ｎ ½½ ½ ½
½
Ｎ 。
图 ２ Ｒ Ｆ神 经 ½络 结 构示 意 图
Ｂ
人 脑 信 息 处 理 的机 ½ ，人 工 神 经 ½络 显 示 出 人 脑 所 具 有 的
某 些基 本 特 征 ，其 具 ½ 表 述 如 下 ：① 信 息 可 分 布 存 储 ，且
容 量 大 ，容 错 性 较 ½ ；② 可 大 规 模 并 行 处 理 收 集 到 的 ½ 络
智½机 器人 的视觉信 息处理 过程 可以大 ½分为三 步 ：
首 先 是 视 觉 信 息 的输 入 ，选 用 平 面 视 觉 传 感 器 （ Ｃ 摄 像
ＣＤ
机 ）可 以直 接 获得 二维 平 面 图像 信 号 ；其 次 是 视 觉 信 息 的
预 处 理 方 法 ；再 有 就 是 对 视 觉 信 息 的 分 析 。 由于 图像 处 理
需 要 的计 算 量 大 ，机 器 人 运 动 对 实 时性 要 求 高 ，这 些 ½ 对
机 器 人 视 觉信 息 的处 理 提 出 了有 别 于 一 般 图像 处 理 的 要求 。
（ ）智 ½ 机 器 人 的 导 航
３
智 ½ 机 器 人 的 导 航 系 统 分 为 视 觉 导 航 和 非 视 觉 传 感 器
信息 ；③ 自学 习， 自
组织 ，自适应性 强 ； 神经 ½络的行
④
为 是 大 量 神 经 元 的集 ½行 为 ，并 不 是 各 个 单 元 的简 单 相 加
而 表 现 出 一 般 复 杂 非 线 性 动 态 系 统 的特 征 ；⑧ 神 经 元 可 以
处 理 一 些 环 境 十 分 复 杂 ，知 识 背 景 不 清 楚 和 推 理 规 则不 明
确的问题。
神 经 ½络 是 一 个 高度 非 线 性 动 力 学 系 统 。各 种 人 工 神
经 ½络 或 多 或 少 的 具 有 如 下 特 征 ：① 并 行 信 息 分 布 处 理
组 合 导 航 。 如 果 采 用 视 觉 导 航 ，视 觉 导 航 信 息 处 理 的 内 容
主 要 包 括 ：视 觉 信 息 的 压 缩 和 滤 波 、路 面 检 测 和 障 碍 物 检
测 、环境 特 定 标 志 的 识 别 、三 维 信 息 感 知 与 处 理 。 视 觉 导
航 的 图像 处 理 过 程 如 图 ３所 示 。
ＰＰ
Ｄ ；② 可学习性 ；③ 鲁棒性 和容错 性 ；④泛 化½力 。对
于 智 ½ 机 器 人 来 说 ，采 用 人 工 神 经 ½ 络 进 行 信 息 融 合 的 最
大 优 势 在 于 ：大 规 模 的 并 行 处 理 和分 布式 信 息 存 储 ， 良½
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技术 与 自动化
在 机 器 人 导 航 中 ，无 论 是 局 部 实 时 避 障 还 是 全 局 规
划 ，½ 需 要 精 确 知 道 机 器 人 和 障 碍 物 的 ½ 前 状 态 及 ½ ½ ，
以 完 成 导 航 、避 障 及 路 径 规 划 等 任 务 ，这 就 是 机 器 人 的
定 ½ 问 题 。通 常 采 用 主 动 式 传 感 器 系 统 进 行 机 器 人 的 定
½。
的 输 入 ，神 经 ½络 对 它 进 行 处 理 并 输 出 相 关 结 果 ，处 理 过
程 ２再 将 它解 释 为 系统 具 ½ 的 决 策 行 动 。
目前 ，在 智 ½ 机 器 人 多传 感 器 信 息 融 合 中 ， 神经 ½ 络
主 要 用 于 对 智 ½ 机 器 人 目标 的识 别 ，获 得 智 ½ 机 器 人 对 障
碍 物 ½ 像 的精 确 估 计 ，正 确 地 引 导 机 器 人 运 动 。 采 用 神 经
½络 的 多传 感 器 信 息 融合 方 法 ，½ 够 解 决 智 ½ 机 器 人 的 自
主 行 走 问题 。 为 了 有 效地 改 善 神 经 ½络 信 息 融 合 的 效 果 和
主 动 式 传 感 器 系 统 通 过 包 括 超 声 传 感 器 、红 外 传 感
器 、激 光 测 距 仪 以及 视 频 摄 像 机 等 主 动 式 传 感 器 感 知 机 器
人 外 部 环 境 或 人 为设 ½ 的 路 标 ， 与 系 统 预 先 设 定 的模 型 进
速 度 ，利 用 阵 列 神 经 ½络 进 行 信 息 融 合 的结 构 模 型 。
基 于 神 经 ½络 的 多传 感 器 信 息 融 合 具 有 如 下 特 点 ：具
有 统 一 的 内 部 知识 表 示 ½ 式 ，通 过 特 定 的 学 习 算 法 可 以将
神 经 ½ 络 获 得 的 传感 器 信 息 进 行 融 合 ， 获 得 相 应 的 ½络 参
数 ；可 将 知 识 规 则 ½ 换 成 数 字 ½ 式 ，便 于 建 立 知 识 库 ； 不
用 建 立 系 统 精 确 的 数 学 模 型 ，非 常 适 合 于 非 线 性 测 试 情
况 ；具 有 大 规模 并 行 处 理 的 ½ 力 ，½ 得 系 统 信 息 处 理 速 度
非 常快 ，并 且 具 有 很 强 的 容 错 性 和鲁 棒 性 。
图 ３ 图 像 处 理 的 流 程
外
行匹配 ，从而得 到½前机 器人与环 境和路 标 的相对½ ½ ，
传 感器 一
½
－
预 处理½
传 感器
预 处理２
界
环
处理
过程 １
神 经
½络
获得 定½ 信 息 。
（ ） 智½ 机器 人 的决 策
４
智 ½ 机 器 人 的规 划 就 是 机 器 人 在 行 动 之 前 ，决 定 采 取
½ 种 步 骤 、以½ 种 程序 实 现 预 期 目标 的过 程 。规 划 的基 础
需 要 机 器 人 具 有 与完 成 预 期 目标 相 关 的 知 识 环 境 描 述 。智
½ 机 器 人 的决 策 就 是 通 过 如 视 觉 、触 觉 、超 声 等 传 感 器 获
取 外 部 环 境 的实 时 信 息 ，并 利 用 历 史 记 ½ 的 信 息 等 环 境 的
局 部 信 息 进 行 避 碰 、路 径 实 时 规 划 或 已 有 规 划 的 更 新 。通
过 对 感 知 到 的各 种 环 境 状 态 及 变 化 ， 及 时 做 出 适 ½ 的 判
断 、推 理 、预 测 、估 计 ，给 出 相 应 的 对 策 ，½ 机 器 人 ½ 够
实 ½ 一 系 列 的 动 ½ ，完 成 预 期 的 目标 。
一
境
传 感 器
预处理½
釜２
图 ４ 基 于 神 经 ½ 络 的 信 息 融 合 过 程
４结 论
多 传 感 器 信 息 融 合 技 术 是 智 ½ 机 器 人 的 关 键 技 术 之
，
随 着 传 感 器 技 术 的 发 展 以 及 信 息 融 合 技 术 水 平 的 提
高 ，智 ½ 机 器人 获取 环境 信 息 的 感 知 ½ 力 以 及 系 统 决 策 ½
力 将 会 得 到不 断 的 提 高 。 基 于 神 经 ½络 对 机 器 人 多 传 感 器
（ ）基 于 神 经 ½络 信息 融 合 的智 ½ 机 器人
５
基 于 神 经 ½络 的信 息 融 合 实 质 上 是 一 个 不 确 定 性 推 理
过 程 ，充 分 利 用 外 部 环 境 的 信 息 ，实 现 知 识 的 自动 获 取 遗
迹 在 此 基 础 上 进 行 联 想 推 理 ，经 过 大 量 的学 习 和 推 理 ，将
信 息 进 行 融 合 ，将 促 进 机 器人 的智 ½ 化 和 自主 化 。
参考文献 ：
［ ½ 孟 庆 春 ， ½ 勇 ， 张 淑 军 ，杜 春 霞 ，殷 波 ， 高 云 ．智 ½ 机 器人
１
及 其 发展 ［½．中 ½海 洋 大 学 学报 ，３ （ ） ３－ ３ ．
Ｊ
４， ５ ：８ １ ８ ８
［ ½ 高 建 平 ， 方 鹏 程 ，胡 征 峰 ， 刘 银 ．基 于 多传 感 器 信 息 融 合 的
２
移 动 机 器 人 导 航 系统 的 设 计 与 实现 ［ ½．计 算 机 测 量 与 控
Ｊ
制 ，２ ０ ， １ （ ０ ：９ ３ ９ ６
０４ ２ １） ８—８．
不 确 定环 境 的 复 杂 关 系 融 合 为 系 统 ½ 够 理 解 的符 。 神 经 ½
络 的研究对 于多传感 器信息融 合提供 了一种 很½ 的方法 ，
其 非 线 性 逼 近 ½ 力 在 信 息 融 合 中非 常 引 人 注 目，通 常 采 用
的是 三 层 感 知 器 模 型 和 Ｂ
Ｐ算 法 。 基 于 神 经 ½ 络 的信 息 融
［ ½殷 勇．嗅 觉模 拟 技 术 ［
３
Ｍ½．北 京 ：化 学工 业 出版 社 ，２０
０５
［ ½ 戴 汝 为．人 工智 ½ ［
４
Ｍ½．北 京 ：化 学 工业 出版 社 ，２０ ．
０２
［ ½ 王 仲 民 ， 岳 宏 一 ， 刘继 岩 ．移 动 机 器 人 多传 感 器 信 息 融 合 技
５
术 述 评 ［½．传 感 器技 术 ，２ ０ ， （ ） － ．
Ｊ
０ ５ ４ ：５ ７
［ ½ ½ 志 增 ， 蒋静 坪 ．机 器人 感 觉 与 多信 息 融 合 ［
６
Ｍ½．北 京 ：机
械 工 业 出版 社 ，２ ０ ．
０３
合 ，根据 系 统 要 求 和 融 合 ½ 式 ，选 择 ½ 络 拓 扑 结 构 ，通 过
½络 学 习 确 定 ½络 连 接 权 值 ，对 各 传 感 器 的输 入 信 息 进 行
融合 ，系统 具 有 很 强 的容 错 性 和 鲁 棒 性 。
选 用 Ｒ Ｆ神 经 ½ 络 进 行 信 息 融 合 ， 其 拓 扑 结 构 如 图 ２
Ｂ
所示 。 同 时 选 用 权 重 参 数 的 迭 代 计 算 学 习算 法 ， 中心 、½
度 的 调 节 权 重 参 数 均 通 过 学 习 来 自适 应 调 节 到 最 ½ 值 。训
练 ½ 的 神 经 ½络 参 加 融 合 的 实 际 过 程 ， 如 图 ４所 示 。传 感
器 获 得 的信 息 首 先 经 过 适 ½ 的处 理 过 程 １
，½ 为 神 经 ½络
第 一 ½ 者 简 介 ：李
强 ，男 ， １７
９ ８年 生 ， 四川 南 充 人 ，硕 士 研 究
生 。研 究 领 域 ：虚 拟 制 造 ， 数 控机 床 。
（ 辑 ： 飞）
编
向
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