基于轻量化混合算法的柔性传感器三维力解耦方法和系统与流程

本发明属于柔性传感器三维力解耦，涉及一种基于轻量化混合算法的柔性传感器三维力解耦方法和系统。

背景技术：

1、柔性触觉传感器凭借优异的柔韧性与曲面贴合性，已成为智能感知领域的核心器件，其三维力检测能力更是其关键性能指标。现有的三维力解耦技术主要分为两类：一是硬件自解耦技术，依托特殊物理结构或复合敏感材料降低算法依赖，但工艺繁琐、成本高昂且一致性较差；二是算法解耦技术，基于传统力学建模的方法需标定海量参数且受工频噪声影响大，而重型深度学习模型则对算力要求极高，无法在资源受限的低成本mcu等嵌入式端实时运行。此外，现有算法易受传感器温漂引起的基线漂移、通道间物理串扰的干扰，导致最终触觉信息的解耦精度和稳定性不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种基于轻量化混合算法的柔性传感器三维力解耦方法。

2、本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于轻量化混合算法的柔性传感器三维力解耦方法，包括：

3、采集柔性传感器中目标传感单元内各电极输出的多路原始信号，并转化为多路数字信号；

4、对所述多路数字信号分别进行基于自适应调节基线的基线校正、基于邻域信号相关性分析模型的邻域串扰抑制以及基于自适应滤波架构的滤波处理，以过滤所述多路数字信号，得到清洗后的多路信号；

5、提取所述清洗后的多路信号的核心特征，并根据所述核心特征计算三维力粗算值，其中，所述核心特征包括均值特征、差值特征以及梯度特征；

6、根据所述目标传感单元当前时刻的实时合力幅值确定当前的校正模式；

7、基于确定的校正模式，对所述三维力粗算值进行校正，并对校正后的力值进行滑动均值平滑滤波，输出解耦后的最终三维力。

8、作为本发明的一种可选实施方案，基于自适应调节基线的基线校正包括：

9、计算当前滑动窗口内多路数字信号的方差变化率；

10、根据所述方差变化率与预设变化率阈值的对比结果，动态调节滑动窗口的窗口长度；

11、根据调节后的滑动窗口的采集点数量，计算当前的窗口均值和窗口标准差，以确定当前动态阈值范围；

12、响应于当前采样点落在所述动态阈值范围内，以指数加权移动平均方式更新基线；

13、通过当前多路数字信号减去更新后的所述基线，校正漂移误差。

14、作为本发明的一种可选实施方案，基于邻域信号相关性分析模型的邻域串扰抑制包括：

15、以所述目标传感单元为中心，获取所述目标传感单元与八邻域内相邻传感单元在滑动窗口期内的信号；

16、计算目标传感单元和各相邻传感单元之间的皮尔逊相关系数，基于所述皮尔逊相关系数对相邻传感单元的影响权重进行归一化，构建得到邻域影响权重矩阵；

17、利用所述邻域影响权重矩阵中的各邻域影响权重与对应相邻传感单元的多路数字信号进行加权求和，获得串扰分量估计值；

18、将目标传感单元的信号减去所述串扰分量估计值，剥离串扰分量。

19、作为本发明的一种可选实施方案，基于自适应滤波架构的滤波处理包括：

20、将所述多路数字信号输入前级工频陷波器，滤除工频干扰；

21、根据所述多路数字信号的噪声标准差设定死区阈值；

22、利用所述死区阈值对后级最小均方自适应滤波器的误差项进行三值量化；

23、响应于量化前的误差项绝对值大于所述死区阈值，利用三值量化后的误差项更新自适应滤波器权系数；

24、响应于量化前的误差项绝对值小于或等于所述死区阈值，冻结当前自适应滤波器权系数更新。

25、作为本发明的一种可选实施方案，根据所述目标传感单元当前时刻的实时合力幅值确定当前的校正模式，包括：

26、利用所述三维力粗算值计算实时合力幅值；

27、响应于目标传感单元实时合力幅值小于预设力幅值阈值，确定第一校正模式；

28、响应于目标传感单元实时合力幅值大于或等于所述预设力幅值阈值，确定第二校正模式；

29、其中，所述第一校正模式的解耦精度大于所述第二校正模式的解耦精度，所述第一校正模式下的单帧解耦耗时大于所述第二校正模式下的单帧解耦耗时。

30、作为本发明的一种可选实施方案，基于确定的校正模式，对所述三维力粗算值进行校正，包括：

31、在所述第一校正模式中，将所述核心特征和所述三维力粗算值输入已训练的第一全连接神经网络，输出对应三维力的补偿量，将所述三维力粗算值与所述补偿量相加，获得所述目标传感单元的解耦三维力；

32、在所述第二校正模式中，根据预设线性修正系数对所述三维力粗算值进行线性修正，获得所述目标传感单元的解耦三维力。

33、作为本发明的一种可选实施方案，在采集所述多路原始信号时，还包括间歇式自适应采样步骤：

34、周期性计算滑动窗口内所有传感单元原始信号的峰峰值；

35、响应于所有传感单元的峰峰值均小于预设静默阈值且持续时长大于预设待机阈值，以第一采样频率采集信号；

36、在以第一采样频率采集信号的状态下，响应于任一传感单元的多路原始信号均值特征偏离基线超过预设唤醒阈值，切换至第二采样频率以采集信号；

37、其中，利用迟滞保护机制进行所述第一采样频率与所述第二采样频率的切换，由所述第二采样频率切换回所述第一采样频率的预设切换阈值，小于由所述第一采样频率切换至所述第二采样频率的所述预设唤醒阈值。

38、作为本发明的一种可选实施方案，过滤所述多路数字信号、计算三维力粗算值以及对所述三维力粗算值进行校正均采用定点数格式进行有符号整数计算。

39、本发明还提出一种基于轻量化混合算法的柔性传感器三维力解耦系统，包括：

40、第一单元，用于采集柔性传感器中目标传感单元内各电极输出的多路原始信号，并转化为多路数字信号；

41、第二单元，用于对所述多路数字信号分别进行基于自适应调节基线的基线校正、基于邻域信号相关性分析模型的邻域串扰抑制以及基于自适应滤波架构的滤波处理，以过滤所述多路数字信号，得到清洗后的多路信号；

42、第三单元，用于提取所述清洗后的多路信号的核心特征，并根据所述核心特征计算三维力粗算值，其中，所述核心特征包括均值特征、差值特征以及梯度特征；

43、第四单元，用于根据所述目标传感单元当前时刻的实时合力幅值确定当前的校正模式；

44、第五单元，用于基于确定的校正模式，对所述三维力粗算值进行校正，并对校正后的力值进行滑动均值平滑滤波，输出解耦后的最终三维力。

45、本发明还提供一种电子设备，包括：

46、处理器；

47、用于存储处理器可执行指令的存储器；

48、其中，处理器被配置为执行可执行指令时实现上述的基于轻量化混合算法的柔性传感器三维力解耦方法。

49、与现有技术相比，本发明的具有以下有益技术效果：

50、1）通过将信号清洗预处理、粗算提取与动态校正模式有机结合，解决了阵列式柔性传感器在端侧三维力解耦时精度、稳定度与算力消耗无法平衡的难题。

51、2）预处理阶段自适应校正温漂、抑制通道间串扰，并滤除工频噪声，从源头保障物理信号的信噪比。解耦阶段则通过实时合力幅值自适应切换“高精度-重算力”与“低算力-高时效”的校正模式，实现了在大力值下节约计算资源、在微小力矩变化时保障解耦精度的协同配合。在极低算力消耗下保证了极佳的解耦实时性与抗干扰能力，非常适合在低成本、资源受限的嵌入式端侧部署。