基于電阻抗成像技術(shù)的柔性傳感器電極位置優(yōu)化方法與流程

本發(fā)明涉及柔性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電阻抗成像技術(shù)的柔性傳感器電極位置優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

柔性傳感器作為一種用于感知表面作用力分布的柔性器件，因其具有優(yōu)良的柔性與可伸展性，且能夠貼附于各種不規(guī)則表面，在機(jī)器人、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

然而，傳統(tǒng)的柔性傳感器大多基于聚合物mems技術(shù)制作的陣列式傳感器，其制備工藝復(fù)雜且成本高。同時(shí)，為了從大尺寸傳感器陣列傳輸數(shù)據(jù)，通常需要在其內(nèi)部大量的布線，導(dǎo)線的分布不僅會(huì)造成電磁噪音，也會(huì)降低傳感器的柔性和可伸展性從而影響其適用范圍。

近年來，電阻抗成像技術(shù)作為一種特殊的電學(xué)檢測(cè)方法，以其無損、無輻射、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)在復(fù)合材料無損檢測(cè)領(lǐng)域逐步受到關(guān)注?；陔娮杩钩上窦夹g(shù)的柔性傳感器，電極被放置于薄層導(dǎo)電材料(如橡膠、泡沫、織物)的邊界，通過測(cè)量電極間電壓計(jì)算出局部電導(dǎo)率變化，再以圖像重構(gòu)的形式可視化顯示，從而定位壓力分布?；陔娮杩钩上襁@種無損成像技術(shù)設(shè)計(jì)的柔性傳感器，可以實(shí)現(xiàn)無內(nèi)部布線與單元的“一體式”結(jié)構(gòu)，其克服了傳統(tǒng)柔性傳感器可伸展性較差的缺點(diǎn)。

基于電阻抗成像技術(shù)的柔性傳感器也有自身的缺點(diǎn)，即空間分辨率較低，尤其當(dāng)薄層導(dǎo)電材料面積較大時(shí)，中心區(qū)域的檢測(cè)的敏感度較差，單一的邊界分布會(huì)降低柔性傳感器的識(shí)別能力，尤其當(dāng)識(shí)別及區(qū)分目標(biāo)物體數(shù)目較多且距離較近時(shí)，甚至?xí)G失檢測(cè)目標(biāo)，目前，還沒有一種有效的方法確定中心電極的最佳位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于電阻抗成像技術(shù)的柔性傳感器電極位置優(yōu)化方法，能夠確定中心電極的最佳位置，從而提高柔性傳感器的分辨率，降低目標(biāo)位置誤差，以及提高檢測(cè)目標(biāo)的區(qū)分度。

本發(fā)明提供的一種基于電阻抗成像技術(shù)的柔性傳感器電極位置優(yōu)化方法，包括如下步驟：

s1.在導(dǎo)電材料上布置電極形成傳感器陣列，并采集中心電極的參考位置；

s2.構(gòu)建中心參考電極最佳位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并對(duì)目標(biāo)函數(shù)采用粒子群優(yōu)化算法獲取最佳中心電極位置。

進(jìn)一步，步驟s2中，中心參考電極最佳位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)通過如下方法建立：

獲取反映電極性能的目標(biāo)圖像分辨率res(μ)以及中心參考電極的位置誤差er(μ)，并根據(jù)目標(biāo)圖像分辨率以及中心參考電極的位置誤差構(gòu)建最佳位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中，α和β為權(quán)重系數(shù)，且α+β＝1，μ為中心參考電極相對(duì)位置，res(μ)max為圖像分辨率最大值，res(μ)min為分辨率最小值，er(μ)max為位置誤差最大值的，er(μ)min為位置誤差最小值。

進(jìn)一步，根據(jù)如下公式求取目標(biāo)圖像分辨率：

其中，q為中心參考電極的個(gè)數(shù)，μj為第j個(gè)中心參考電極的最優(yōu)位置，μ0為中心參考電極初始位置，為q個(gè)中心參考電極的最優(yōu)位置的平均值，為中心參考電極的初始位置的平均值，r0為全部電極所覆蓋區(qū)域的區(qū)域圖像的像素和，r1＝∑i[m1]i，i＝1，2，k，m，[m1]為目標(biāo)圖像的像素集且r1為按θ閾值對(duì)圖像進(jìn)行提取后的像素和，m為[m1]中的像素?cái)?shù)量。

進(jìn)一步，根據(jù)如下公式求取中心參考電極的位置誤差：

其中，μj為第j個(gè)中心參考電極的最優(yōu)位置，μ0為中心參考電極初始位置，tγ為單個(gè)中心參考電極所占面積，是原始目標(biāo)重心到傳感器導(dǎo)電材料中心的距離矢量；是按閾值θ對(duì)重建圖像進(jìn)行提取后的重心到傳感器導(dǎo)電材料中心的距離矢量，θ∈[0,1]。

進(jìn)一步，步驟s1中，按照如下方法步驟在導(dǎo)電材料上布置電極：

在導(dǎo)電材料的邊緣等間距布置2ⁿ，在導(dǎo)電材料材料的中心位置距離布置n個(gè)中心電極，其中，n≥4。

本發(fā)明的有益效果：通過本發(fā)明的方法，通過參考中心電極的位置誤差以及圖像分辨率作為優(yōu)化參考，并通過粒子群優(yōu)化算法對(duì)中心電極的位置進(jìn)行優(yōu)化，從而能夠確定中心電極的最佳位置，從而提高柔性傳感器的分辨率，降低目標(biāo)位置誤差，以及提高檢測(cè)目標(biāo)的區(qū)分度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1為本發(fā)明的電極布置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的優(yōu)化流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步的說明：

本發(fā)明提供的一種基于電阻抗成像技術(shù)的柔性傳感器電極位置優(yōu)化方法，包括如下步驟：

s1.在導(dǎo)電材料上布置電極形成傳感器陣列，并采集中心電極的參考位置，如圖1所示，電極按照如下方式進(jìn)行布置：在導(dǎo)電材料的邊緣等間距布置2ⁿ，在導(dǎo)電材料材料的中心位置距離布置n個(gè)中心電極，其中，n≥4；其中，1為導(dǎo)電材料，2為布置于導(dǎo)電材料的邊緣電極，3為布置于以邊緣電極圍繞區(qū)域中的中心電極，通過這種布置方式，能夠有效防止傳統(tǒng)技術(shù)中對(duì)于檢測(cè)目標(biāo)丟失的情形，能夠增強(qiáng)傳感器的中心區(qū)域的檢測(cè)靈敏度，從而提升整體傳感器的檢測(cè)靈敏度，提高系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別能力以及區(qū)分度，但是，此時(shí)中心電極的位置仍然不是最佳的位置狀態(tài)，仍然會(huì)影響到傳感器的圖像分辨率、檢測(cè)目標(biāo)的位置差大以及檢測(cè)目標(biāo)的區(qū)分度較差，因此，進(jìn)入到布置s2中；

s2.構(gòu)建中心參考電極最佳位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并對(duì)目標(biāo)函數(shù)采用粒子群優(yōu)化算法獲取最佳中心電極位置，通過本發(fā)明，通過參考中心電極的位置誤差以及圖像分辨率作為優(yōu)化參考，并通過粒子群優(yōu)化算法對(duì)中心電極的位置進(jìn)行優(yōu)化，從而能夠確定中心電極的最佳位置，從而提高柔性傳感器的分辨率，降低目標(biāo)位置誤差，以及提高檢測(cè)目標(biāo)的區(qū)分度。

本實(shí)施例中，步驟s2中，中心參考電極最佳位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)通過如下方法建立：

獲取反映電極性能的目標(biāo)圖像分辨率res(μ)以及中心參考電極的位置誤差er(μ)，并根據(jù)目標(biāo)圖像分辨率以及中心參考電極的位置誤差構(gòu)建最佳位置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中，α和β為權(quán)重系數(shù)，且α+β＝1，μ為中心參考電極相對(duì)位置，即中心電極到導(dǎo)電材料中心的距離與導(dǎo)電材料半徑之比；res(μ)max為圖像分辨率最大值，res(μ)min為分辨率最小值，er(μ)max為位置誤差最大值的，er(μ)min為位置誤差最小值。

其中，根據(jù)如下公式求取目標(biāo)圖像分辨率：

其中，q為中心參考電極的個(gè)數(shù)，μj為第j個(gè)中心參考電極的最優(yōu)位置，該最優(yōu)位置是說在粒子群優(yōu)化算法之前，通過改變中心電極在導(dǎo)電材料上的位置為最有，更具體地說：比如初始條件下，某個(gè)中心電極所在的坐標(biāo)為(3，5)，在計(jì)算目標(biāo)圖像分辨率時(shí)，把該中心電極的位置設(shè)定為(3.8，6.1)這個(gè)位置時(shí)人為符合當(dāng)前分辨率條件下的最有位置，但是，該中心電極是否為整體最有位置，還需通過判斷目標(biāo)函數(shù)的最小值進(jìn)行最終確定，即通過粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行確定；μ0為中心參考電極初始位置，為q個(gè)中心參考電極的最優(yōu)位置的平均值，為中心參考電極的初始位置的平均值，r0為全部電極所覆蓋區(qū)域的區(qū)域圖像的像素和，r1＝∑i[m1]i，i＝1，2，k，m，[m1]為目標(biāo)圖像的像素集且r1為按θ閾值對(duì)圖像進(jìn)行提取后的像素和，m為[m1]中的像素?cái)?shù)量。

根據(jù)如下公式求取中心參考電極的位置誤差：

其中，μj為第j個(gè)中心參考電極的最優(yōu)位置，μ0為中心參考電極初始位置，tγ為單個(gè)中心參考電極所占面積，n為中心電極的個(gè)數(shù)，是原始目標(biāo)重心到傳感器導(dǎo)電材料中心的距離矢量，其中，原始目標(biāo)的重心是指當(dāng)導(dǎo)電材料放置于被檢測(cè)目標(biāo)后，檢測(cè)目標(biāo)所占導(dǎo)電材料的區(qū)域的重心；是按閾值θ對(duì)重建圖像進(jìn)行提取后的重心到傳感器導(dǎo)電材料中心的距離矢量，圖像像素為具有振幅的值，把大于閾值θ的像素值提取出來重新組合成圖像區(qū)域，該重新組合后的圖像區(qū)的重心到導(dǎo)電材料重心的距離矢量即為θ∈[0,1]。

具體地，本發(fā)明中通過粒子群優(yōu)化算法確定中心電極的最佳位置：

s21.以中心電極的位置作為粒子群優(yōu)化算法中的粒子，并初始化粒子群中的粒子數(shù)量、粒子的位置和速度；

s22.計(jì)算圖像分辨率和位置誤差，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)的函數(shù)值；

s23.判斷當(dāng)前是否已經(jīng)達(dá)到最大迭代次數(shù)，如果已到達(dá)，則輸出粒子的位置，即傳感器的中心電極的最佳位置，也就是說，在達(dá)到最大迭代次數(shù)后，找出目標(biāo)函數(shù)值最小值所對(duì)應(yīng)的電機(jī)位置，即為最佳位置，如果未到達(dá)，則更新粒子的速度和位置，返回步驟s22中。

當(dāng)中心電極的最佳位置確定后，則根據(jù)中心電極的最佳位置再次布置中心電極；當(dāng)然，中心電極的位置以導(dǎo)電材料的為基準(zhǔn)，比如，以導(dǎo)電材料的圓心作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。