本發明涉及柔性傳感器技術領域，尤其涉及一種基于電阻抗成像技術的柔性傳感器電極位置優化方法。

背景技術：

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，因其具有優良的柔性與可伸展性，且能夠貼附于各種不規則表面，在機器人、生物力學、醫學測量等領域有著廣泛的應用前景。

然而，傳統的柔性傳感器大多基于聚合物mems技術制作的陣列式傳感器，其制備工藝復雜且成本高。同時，為了從大尺寸傳感器陣列傳輸數據，通常需要在其內部大量的布線，導線的分布不僅會造成電磁噪音，也會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，電阻抗成像技術作為一種特殊的電學檢測方法，以其無損、無輻射、響應快等優勢在復合材料無損檢測領域逐步受到關注。基于電阻抗成像技術的柔性傳感器，電極被放置于薄層導電材料(如橡膠、泡沫、織物)的邊界，通過測量電極間電壓計算出局部電導率變化，再以圖像重構的形式可視化顯示，從而定位壓力分布。基于電阻抗成像這種無損成像技術設計的柔性傳感器，可以實現無內部布線與單元的“一體式”結構，其克服了傳統柔性傳感器可伸展性較差的缺點。

基于電阻抗成像技術的柔性傳感器也有自身的缺點，即空間分辨率較低，尤其當薄層導電材料面積較大時，中心區域的檢測的敏感度較差，單一的邊界分布會降低柔性傳感器的識別能力，尤其當識別及區分目標物體數目較多且距離較近時，甚至會丟失檢測目標，目前，還沒有一種有效的方法確定中心電極的最佳位置。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是提供一種基于電阻抗成像技術的柔性傳感器電極位置優化方法，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，降低目標位置誤差，以及提高檢測目標的區分度。

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

s1.在導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.構建中心參考電極最佳位置優化目標函數，并對目標函數采用粒子群優化算法獲取最佳中心電極位置。

進一步，步驟s2中，中心參考電極最佳位置優化目標函數通過如下方法建立：

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

其中，α和β為權重系數，且α+β＝1，μ為中心參考電極相對位置，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。

進一步，根據如下公式求取目標圖像分辨率：

其中，q為中心參考電極的個數，μj為第j個中心參考電極的最優位置，μ0為中心參考電極初始位置，為q個中心參考電極的最優位置的平均值，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域的區域圖像的像素和，r1＝∑i[m1]i，i＝1，2，k，m，[m1]為目標圖像的像素集且r1為按θ閾值對圖像進行提取后的像素和，m為[m1]中的像素數量。

進一步，根據如下公式求取中心參考電極的位置誤差：

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

進一步，步驟s1中，按照如下方法步驟在導電材料上布置電極：

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

本發明的有益效果：通過本發明的方法，通過參考中心電極的位置誤差以及圖像分辨率作為優化參考，并通過粒子群優化算法對中心電極的位置進行優化，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，降低目標位置誤差，以及提高檢測目標的區分度。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述：

圖1為本發明的電極布置結構示意圖。

圖2為本發明的優化流程圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖對本發明做出進一步的說明：

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

s1.在導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行布置：在導電材料的邊緣等間距布置2ⁿ，在導電材料材料的中心位置距離布置n個中心電極，其中，n≥4；其中，1為導電材料，2為布置于導電材料的邊緣電極，3為布置于以邊緣電極圍繞區域中的中心電極，通過這種布置方式，能夠有效防止傳統技術中對于檢測目標丟失的情形，能夠增強傳感器的中心區域的檢測靈敏度，從而提升整體傳感器的檢測靈敏度，提高系統對目標物體的識別能力以及區分度，但是，此時中心電極的位置仍然不是最佳的位置狀態，仍然會影響到傳感器的圖像分辨率、檢測目標的位置差大以及檢測目標的區分度較差，因此，進入到布置s2中；

s2.構建中心參考電極最佳位置優化目標函數，并對目標函數采用粒子群優化算法獲取最佳中心電極位置，通過本發明，通過參考中心電極的位置誤差以及圖像分辨率作為優化參考，并通過粒子群優化算法對中心電極的位置進行優化，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，降低目標位置誤差，以及提高檢測目標的區分度。

本實施例中，步驟s2中，中心參考電極最佳位置優化目標函數通過如下方法建立：

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

其中，α和β為權重系數，且α+β＝1，μ為中心參考電極相對位置，即中心電極到導電材料中心的距離與導電材料半徑之比；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，根據如下公式求取目標圖像分辨率：

其中，q為中心參考電極的個數，μj為第j個中心參考電極的最優位置，該最優位置是說在粒子群優化算法之前，通過改變中心電極在導電材料上的位置為最有，更具體地說：比如初始條件下，某個中心電極所在的坐標為(3，5)，在計算目標圖像分辨率時，把該中心電極的位置設定為(3.8，6.1)這個位置時人為符合當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，還需通過判斷目標函數的最小值進行最終確定，即通過粒子群優化算法進行確定；μ0為中心參考電極初始位置，為q個中心參考電極的最優位置的平均值，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域的區域圖像的像素和，r1＝∑i[m1]i，i＝1，2，k，m，[m1]為目標圖像的像素集且r1為按θ閾值對圖像進行提取后的像素和，m為[m1]中的像素數量。

根據如下公式求取中心參考電極的位置誤差：

其中，μj為第j個中心參考電極的最優位置，μ0為中心參考電極初始位置，tγ為單個中心參考電極所占面積，n為中心電極的個數，是原始目標重心到傳感器導電材料中心的距離矢量，其中，原始目標的重心是指當導電材料放置于被檢測目標后，檢測目標所占導電材料的區域的重心；是按閾值θ對重建圖像進行提取后的重心到傳感器導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域，該重新組合后的圖像區的重心到導電材料重心的距離矢量即為θ∈[0,1]。

具體地，本發明中通過粒子群優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化算法中的粒子，并初始化粒子群中的粒子數量、粒子的位置和速度；

s22.計算圖像分辨率和位置誤差，進而計算出目標函數的函數值；

s23.判斷當前是否已經達到最大迭代次數，如果已到達，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，在達到最大迭代次數后，找出目標函數值最小值所對應的電機位置，即為最佳位置，如果未到達，則更新粒子的速度和位置，返回步驟s22中。

當中心電極的最佳位置確定后，則根據中心電極的最佳位置再次布置中心電極；當然，中心電極的位置以導電材料的為基準，比如，以導電材料的圓心作為坐標原點建立坐標系。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。