基于电阻抗成像技术的柔性传感器电极位置优化方法与流程

本发明涉及柔性传感器技术领域，尤其涉及一种基于电阻抗成像技术的柔性传感器电极位置优化方法。

背景技术：

柔性传感器作为一种用于感知表面作用力分布的柔性器件，因其具有优良的柔性与可伸展性，且能够贴附于各种不规则表面，在机器人、生物力学、医学测量等领域有着广泛的应用前景。

然而，传统的柔性传感器大多基于聚合物mems技术制作的阵列式传感器，其制备工艺复杂且成本高。同时，为了从大尺寸传感器阵列传输数据，通常需要在其内部大量的布线，导线的分布不仅会造成电磁噪音，也会降低传感器的柔性和可伸展性从而影响其适用范围。

近年来，电阻抗成像技术作为一种特殊的电学检测方法，以其无损、无辐射、响应快等优势在复合材料无损检测领域逐步受到关注。基于电阻抗成像技术的柔性传感器，电极被放置于薄层导电材料(如橡胶、泡沫、织物)的边界，通过测量电极间电压计算出局部电导率变化，再以图像重构的形式可视化显示，从而定位压力分布。基于电阻抗成像这种无损成像技术设计的柔性传感器，可以实现无内部布线与单元的“一体式”结构，其克服了传统柔性传感器可伸展性较差的缺点。

基于电阻抗成像技术的柔性传感器也有自身的缺点，即空间分辨率较低，尤其当薄层导电材料面积较大时，中心区域的检测的敏感度较差，单一的边界分布会降低柔性传感器的识别能力，尤其当识别及区分目标物体数目较多且距离较近时，甚至会丢失检测目标，目前，还没有一种有效的方法确定中心电极的最佳位置。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于电阻抗成像技术的柔性传感器电极位置优化方法，能够确定中心电极的最佳位置，从而提高柔性传感器的分辨率，降低目标位置误差，以及提高检测目标的区分度。

本发明提供的一种基于电阻抗成像技术的柔性传感器电极位置优化方法，包括如下步骤：

s1.在导电材料上布置电极形成传感器阵列，并采集中心电极的参考位置；

s2.构建中心参考电极最佳位置优化目标函数，并对目标函数采用粒子群优化算法获取最佳中心电极位置。

进一步，步骤s2中，中心参考电极最佳位置优化目标函数通过如下方法建立：

获取反映电极性能的目标图像分辨率res(μ)以及中心参考电极的位置误差er(μ)，并根据目标图像分辨率以及中心参考电极的位置误差构建最佳位置优化目标函数：

其中，α和β为权重系数，且α+β＝1，μ为中心参考电极相对位置，res(μ)max为图像分辨率最大值，res(μ)min为分辨率最小值，er(μ)max为位置误差最大值的，er(μ)min为位置误差最小值。

进一步，根据如下公式求取目标图像分辨率：

其中，q为中心参考电极的个数，μj为第j个中心参考电极的最优位置，μ0为中心参考电极初始位置，为q个中心参考电极的最优位置的平均值，为中心参考电极的初始位置的平均值，r0为全部电极所覆盖区域的区域图像的像素和，r1＝∑i[m1]i，i＝1，2，k，m，[m1]为目标图像的像素集且r1为按θ阈值对图像进行提取后的像素和，m为[m1]中的像素数量。

进一步，根据如下公式求取中心参考电极的位置误差：

其中，μj为第j个中心参考电极的最优位置，μ0为中心参考电极初始位置，tγ为单个中心参考电极所占面积，是原始目标重心到传感器导电材料中心的距离矢量；是按阈值θ对重建图像进行提取后的重心到传感器导电材料中心的距离矢量，θ∈[0,1]。

进一步，步骤s1中，按照如下方法步骤在导电材料上布置电极：

在导电材料的边缘等间距布置2ⁿ，在导电材料材料的中心位置距离布置n个中心电极，其中，n≥4。

本发明的有益效果：通过本发明的方法，通过参考中心电极的位置误差以及图像分辨率作为优化参考，并通过粒子群优化算法对中心电极的位置进行优化，从而能够确定中心电极的最佳位置，从而提高柔性传感器的分辨率，降低目标位置误差，以及提高检测目标的区分度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的电极布置结构示意图。

图2为本发明的优化流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供的一种基于电阻抗成像技术的柔性传感器电极位置优化方法，包括如下步骤：

s1.在导电材料上布置电极形成传感器阵列，并采集中心电极的参考位置，如图1所示，电极按照如下方式进行布置：在导电材料的边缘等间距布置2ⁿ，在导电材料材料的中心位置距离布置n个中心电极，其中，n≥4；其中，1为导电材料，2为布置于导电材料的边缘电极，3为布置于以边缘电极围绕区域中的中心电极，通过这种布置方式，能够有效防止传统技术中对于检测目标丢失的情形，能够增强传感器的中心区域的检测灵敏度，从而提升整体传感器的检测灵敏度，提高系统对目标物体的识别能力以及区分度，但是，此时中心电极的位置仍然不是最佳的位置状态，仍然会影响到传感器的图像分辨率、检测目标的位置差大以及检测目标的区分度较差，因此，进入到布置s2中；

s2.构建中心参考电极最佳位置优化目标函数，并对目标函数采用粒子群优化算法获取最佳中心电极位置，通过本发明，通过参考中心电极的位置误差以及图像分辨率作为优化参考，并通过粒子群优化算法对中心电极的位置进行优化，从而能够确定中心电极的最佳位置，从而提高柔性传感器的分辨率，降低目标位置误差，以及提高检测目标的区分度。

本实施例中，步骤s2中，中心参考电极最佳位置优化目标函数通过如下方法建立：

获取反映电极性能的目标图像分辨率res(μ)以及中心参考电极的位置误差er(μ)，并根据目标图像分辨率以及中心参考电极的位置误差构建最佳位置优化目标函数：

其中，α和β为权重系数，且α+β＝1，μ为中心参考电极相对位置，即中心电极到导电材料中心的距离与导电材料半径之比；res(μ)max为图像分辨率最大值，res(μ)min为分辨率最小值，er(μ)max为位置误差最大值的，er(μ)min为位置误差最小值。

其中，根据如下公式求取目标图像分辨率：

其中，q为中心参考电极的个数，μj为第j个中心参考电极的最优位置，该最优位置是说在粒子群优化算法之前，通过改变中心电极在导电材料上的位置为最有，更具体地说：比如初始条件下，某个中心电极所在的坐标为(3，5)，在计算目标图像分辨率时，把该中心电极的位置设定为(3.8，6.1)这个位置时人为符合当前分辨率条件下的最有位置，但是，该中心电极是否为整体最有位置，还需通过判断目标函数的最小值进行最终确定，即通过粒子群优化算法进行确定；μ0为中心参考电极初始位置，为q个中心参考电极的最优位置的平均值，为中心参考电极的初始位置的平均值，r0为全部电极所覆盖区域的区域图像的像素和，r1＝∑i[m1]i，i＝1，2，k，m，[m1]为目标图像的像素集且r1为按θ阈值对图像进行提取后的像素和，m为[m1]中的像素数量。

根据如下公式求取中心参考电极的位置误差：

其中，μj为第j个中心参考电极的最优位置，μ0为中心参考电极初始位置，tγ为单个中心参考电极所占面积，n为中心电极的个数，是原始目标重心到传感器导电材料中心的距离矢量，其中，原始目标的重心是指当导电材料放置于被检测目标后，检测目标所占导电材料的区域的重心；是按阈值θ对重建图像进行提取后的重心到传感器导电材料中心的距离矢量，图像像素为具有振幅的值，把大于阈值θ的像素值提取出来重新组合成图像区域，该重新组合后的图像区的重心到导电材料重心的距离矢量即为θ∈[0,1]。

具体地，本发明中通过粒子群优化算法确定中心电极的最佳位置：

s21.以中心电极的位置作为粒子群优化算法中的粒子，并初始化粒子群中的粒子数量、粒子的位置和速度；

s22.计算图像分辨率和位置误差，进而计算出目标函数的函数值；

s23.判断当前是否已经达到最大迭代次数，如果已到达，则输出粒子的位置，即传感器的中心电极的最佳位置，也就是说，在达到最大迭代次数后，找出目标函数值最小值所对应的电机位置，即为最佳位置，如果未到达，则更新粒子的速度和位置，返回步骤s22中。

当中心电极的最佳位置确定后，则根据中心电极的最佳位置再次布置中心电极；当然，中心电极的位置以导电材料的为基准，比如，以导电材料的圆心作为坐标原点建立坐标系。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。