一种手冲壶冲煮参数推算方法、系统、手冲壶及存储介质与流程

本发明属于智能传感测量与物理参数推算，尤其涉及一种手冲壶冲煮参数推算方法、系统、手冲壶及存储介质。

背景技术：

1、手冲咖啡作为一种兼具仪式感与风味表现力的冲煮方式，近年来在精品咖啡消费领域持续升温。注水过程中的水流速度与绕圈运动是影响咖啡萃取率与风味一致性的两项核心操作参数—水流速度决定了水流撞击粉床的冲击力与局部湍流强度，绕圈运动则直接影响水流落点的空间分布均匀性。然而，目前对手冲壶操作参数的量化评估手段极为有限：一方面，传统手冲实践完全依赖操作者的个人经验与手感来判断注水角度与绕圈节奏，缺乏客观、实时的数据反馈机制，导致同一操作者在不同次冲泡之间以及不同操作者之间的风味输出存在显著差异；另一方面，现有技术中已出现一些尝试通过外部设备实现手冲过程数字化的方案，例如基于3d深度摄像头与电子秤的手冲咖啡过程数据采集方法，以及设置于工作平台上的位移感测模块与水量感测模块等手冲动作记录装置，此类方案虽能记录部分冲煮数据，但需依赖外部摄像设备或平台式传感器，存在设备部署复杂、成本高昂、易受环境光线与遮挡干扰、无法随壶移动等固有缺陷，难以满足日常冲煮场景下的实时监测需求。此外，现有方案中对于水流速度的推算多基于称重数据间接计算，无法反映冲煮过程中每一时刻的瞬时流速变化，亦未能实现对壶身倾斜角度与出水速度之间非线性物理关系的精确建模。

技术实现思路

1、一）发明目的

2、为了克服以上不足，本发明的目的在于提供一种手冲壶冲煮参数推算方法、系统、手冲壶及存储介质，以解决现有手冲操作缺乏实时客观数据支撑，依赖主观经验导致风味一致性差，而基于外部设备的数字化方案存在部署复杂、成本高、易受环境干扰、无法随壶移动且未能建立倾角与流速非线性物理模型的缺陷。

3、（二）技术方案

4、为实现上述目的，本技术一方面提供的技术方案如下：

5、一种手冲壶冲煮参数推算方法，包括以下步骤：

6、获取设置于手冲壶手柄处的惯性测量单元实时采集的传感数据，传感数据包括加速度数据和角速度数据；

7、根据加速度数据计算手冲壶相对于水平面的倾角；

8、基于倾角以及预存的壶身结构参数，利用托里拆利定律计算手冲壶的出水速度；

9、根据角速度数据获取手冲壶绕垂直轴旋转的偏航角速度；

10、根据偏航角速度以及预存的壶嘴到传感器安装点的臂长参数，计算手冲壶壶嘴在水平面上的线速度。

11、通过在手冲壶手柄内置惯性测量单元，利用加速度数据推算壶身倾角、利用角速度数据推算偏航角速度，并分别结合托里拆利定律与几何换算关系输出出水速度和壶嘴线速度，实现了对手冲壶冲煮过程中水流冲击力与绕圈运动两个核心参数的实时、同步推算，且整个推算过程完全基于壶载传感器完成，无需依赖外部摄像设备或平台式传感器，设备部署简单、成本低廉、抗环境干扰能力强。同时，出水速度的推算引入了托里拆利定律所描述的倾角与流速之间的非线性物理关系，避免了传统方案中简单线性假设带来的误差，能够精确反映每一时刻的瞬时流速变化。

12、在一些实施例中，基于倾角以及预存的壶身结构参数，利用托里拆利定律计算手冲壶的出水速度，具体包括：

13、获取预存的初始水头高度和壶身有效长度，初始水头高度为手冲壶处于水平状态时壶内液面到壶嘴出口的垂直高度差，壶身有效长度为壶底支点到壶嘴出口的水平投影距离；

14、根据公式 计算实时水头高度，其中为初始水头高度，为壶身有效长度，为倾角；

15、根据公式计算出水速度，其中为重力加速度。

16、通过将壶身倾角与实时水头高度之间的几何关系量化为再代入托里拆利定律计算出水速度，构建了一条从传感器原始倾角数据到物理流速的完整推算链路。该推算链路以壶底支点到壶嘴的水平投影距离和初始水头高度两个固定结构参数作为输入，倾角变化导致的壶嘴垂直下沉量通过精确描述，从而将复杂的流体力学问题转化为可由嵌入式处理器实时完成的代数运算，计算效率高、适合高频采样场景下的实时输出。

17、在一些实施例中，根据角速度数据获取手冲壶绕垂直轴旋转的偏航角速度之后，还包括：

18、对偏航角速度进行过零检测，统计单位时间内偏航角速度的正负交替次数，将正负交替次数作为手冲壶的绕圈频率输出。

19、通过直接对陀螺仪z轴偏航角速度进行过零检测并统计单位时间内的正负交替次数，即可获得手冲壶的绕圈频率，无需复杂的积分或姿态解算运算。由于绕圈运动表现为壶身绕垂直轴的往复偏航旋转，角速度的正负交替天然对应绕圈方向的切换，因此过零频率与绕圈频率之间存在直接的物理对应关系，数据处理逻辑简单、响应实时性强，能够以极低的计算开销输出绕圈节奏信息。

20、在一些实施例中，对偏航角速度进行过零检测包括：设定死区阈值，当偏航角速度的绝对值超过死区阈值时，判定过零事件有效，否则忽略该过零事件。

21、通过在过零检测中引入死区阈值判别逻辑，有效滤除了因手部微小抖动、传感器噪声或壶身非绕圈方向轻微摆动所引致的虚假过零信号。实际冲煮操作中，操作者的手部难以完全避免无意识的震颤，陀螺仪输出的角速度波形中必然叠加有幅值较小的随机噪声分量；若不设置死区阈值，此类噪声信号的正负波动会被误判为绕圈方向的切换，导致统计出的绕圈频率显著虚高，且虚高程度随噪声水平波动而随机变化，无法通过后续平均处理予以消除。本实施例所设定的死区阈值将幅值低于该阈值的角速度波动予以忽略，仅当角速度幅值确已超过死区阈值时才认定发生了有效绕圈方向切换，从而显著提高了绕圈频率统计的准确性与稳定性，为后续基于绕圈频率的萃取均匀性评估提供了可靠的数据基础。同时，该死区阈值的设定无需增加额外硬件，仅通过软件判别逻辑即可实现，不增加系统成本与硬件复杂度。

22、在一些实施例中，根据偏航角速度以及预存的壶嘴到传感器安装点的臂长参数，计算手冲壶壶嘴在水平面上的线速度，具体包括：

23、利用加速度计数据与陀螺仪数据进行姿态融合解算，获取手冲壶的当前俯仰角；

24、根据公式计算壶嘴在水平面上的线速度，其中为偏航角速度，为臂长参数，为当前俯仰角。

25、通过姿态融合解算获取当前俯仰角后，将偏航角速度、臂长参数与俯仰角的正弦值相乘，即可精确计算出壶嘴在水平面上的线速度。其中项发挥了关键作用—当壶身处于竖直姿态时俯仰角接近90度、水平旋转分量趋近于零，当壶身趋于水平时水平旋转分量趋近于最大值，该因子自动将壶身的倾斜状态纳入线速度计算，有效排除了竖直晃动对绕圈速度测量的干扰，使得输出的线速度数据准确反映壶嘴在水平面内的实际运动快慢，为评估水流对粉床的冲击强度提供了可靠的量化依据。

26、在一些实施例中，利用加速度计数据与陀螺仪数据进行姿态融合解算，获取手冲壶的当前俯仰角，具体包括：

27、通过互补滤波算法或卡尔曼滤波算法对加速度数据和角速度数据进行融合，解算手冲壶当前的四元数或欧拉角，从欧拉角中提取当前俯仰角。

28、采用互补滤波或卡尔曼滤波算法对加速度计与陀螺仪数据进行融合，兼顾了加速度计低频精度高、陀螺仪高频响应快的互补特性：加速度计提供重力方向参考以抑制陀螺仪积分漂移，陀螺仪提供快速角运动响应以弥补加速度计在动态工况下的延迟，两者融合后输出的俯仰角既具有静态精度又具有动态响应速度。解算结果以四元数或欧拉角形式输出，避免了万向节锁定等奇异问题，为线速度推算提供了稳定可靠的俯仰角输入。

29、在一些实施例中，惯性测量单元以100hz至200hz的采样频率实时采集传感数据。

30、100hz至200hz的采样频率足以捕捉手冲壶在正常冲煮操作中的倾角变化与绕圈运动细节，形成连续的时间序列波形数据，为出水速度和线速度的实时推算提供了足够的时间分辨率，同时避免了过高采样率带来的数据冗余与处理负担，在推算精度与计算资源消耗之间取得了合理平衡。

31、本技术另一方面提供了一种基于惯性测量单元的手冲壶冲煮参数推算系统，包括：

32、惯性测量单元，设置于手冲壶手柄处，用于实时采集加速度数据和角速度数据；

33、存储单元，用于存储壶身结构参数和壶嘴到传感器安装点的臂长参数；

34、处理单元，与惯性测量单元和存储单元通信连接，用于执行上述任一项的方法。

35、在一些实施例中，惯性测量单元为六轴惯性测量单元，包含三轴加速度计和三轴陀螺仪。

36、本技术又一方面提供了一种手冲壶，包括：壶体、设置于壶体一侧的手柄、设置于手柄处的惯性测量单元、存储单元以及处理单元，惯性测量单元用于实时采集加速度数据和角速度数据，存储单元用于存储壶身结构参数和壶嘴到传感器安装点的臂长参数，处理单元与惯性测量单元和存储单元通信连接，用于执行上述任一项的方法。

37、本技术又一方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一项的方法。