CN111813260B - 解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法 - Google Patents

解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法 Download PDF

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Abstract

一种解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，步骤1，标定：具体包括正行程标定，形成n条正行程曲线；反行程标定：形成n条反行程曲线；步骤2，求均值：具体包括正行程求均值，形成平均正行程曲线；反行程求均值，形成平均反行程曲线；综合求均值，形成综合行程曲线；步骤3，拟合建模：获得正行程拟合函数、反行程拟合函数和综合拟合函数；步骤4，测量；步骤5，噪声滤波；步骤6，行程方向判别；步骤7，解算：根据行程方向判别结果，使用对应的拟合函数，求解得到当前时刻的作用力。本发明通过将加载和卸载过程分别标定和解算，从而在消除高频噪声误差的同时，有效减小迟滞误差的影响，提高了电容式触觉传感器的测量精度。

Description

解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是一种解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法。
背景技术
触觉传感器是一种将触觉信号转换为电信号的器件或装置，在机器人、可穿戴电子设备、医疗检测等领域具有重要的应用价值。
常见的触觉传感器从原理上主要分为压阻式、电容式、电感式、压电式、光电式等。其中，电容式触觉传感器因其结构简单、易于轻量化和小型化、不受温度影响等优点得到广泛的研究和应用。
然而，由于作为电容介质层的弹性材料存在塑性变形等因素的影响，迟滞误差成为影响电容式触觉传感器精度的主要因素，其造成的测量误差值在10％F.S.至20％F.S.之间。
此外，传感器输出引线和检测电路中的寄生电容使得电容式触觉传感器存在比较严重的高频噪声，进一步增大了测量误差。
因此，减小迟滞误差和高频噪声误差成为提高电容式触觉传感器精度的关键。现有的方法一般采用硬件电路对高频噪声进行滤波，采用最小二乘法对测量数据进行线性拟合，得到一条拟合直线作为电容式触觉传感器的输入输出关系式，无法消除迟滞误差的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，该解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法通过将加载和卸载过程分别进行标定和解算，从而在消除高频噪声误差的同时，有效减小迟滞误差的影响，提高了电容式触觉传感器的测量精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，包括如下步骤。
步骤1，标定，具体包括如下步骤。
步骤11，正行程标定：向电容式触觉传感器依次施加m个标准载荷，m个标准载荷以设定步长逐渐递增。每施加一个标准载荷，形成一个加载测量点。在每个加载测量点，均记录对应的标准载荷值和电容值。加载完成后，将m个加载测量点的标准载荷值和电容值进行拟合，形成一条正行程曲线。
步骤12，反行程标定：向电容式触觉传感器依次施加m个标准载荷，m个标准载荷以设定步长逐渐递减。每施加一个标准载荷，形成一个卸载测量点。在每个卸载测量点，均记录对应的标准载荷值和电容值。卸载完成后，将m个卸载测量点的标准载荷值和显示电容值进行拟合，形成一条反行程曲线。
步骤13，将步骤11和步骤12，重复n次，n≥3，则共形成n条正行程曲线和n条反行程曲线。
步骤2，求均值，包括如下步骤。
步骤21，正行程求均值：将步骤1形成的n条正行程曲线，在每个加载测量点，均将对应的n个电容值求取算术平均值，并记为正行程均值电容。m个加载测量点，将得到m个正行程均值电容。m个加载测量点的标准载荷值和m个正行程均值电容之间形成为平均正行程曲线。
步骤22，反行程求均值：将步骤1形成的n条反行程曲线，在每个卸载测量点，均将对应的n个电容值求取算术平均值，并记为反行程均值电容。m个卸载测量点，将得到m个反行程均值电容。m个卸载测量点的标准载荷值和m个反行程均值电容之间形成为平均反行程曲线。
步骤23，综合求均值：在同一个标准载荷测量点处，将正行程的n个电容值和反行程的n个电容值综合后，求取算术平均值，并记为综合行程均值电容。m个标准载荷测量点，将得到m个综合行程均值电容。m个标准载荷和m个综合行程均值电容之间形成为综合行程曲线。
步骤3，拟合建模：对步骤2形成的平均正行程曲线、平均反行程曲线和综合行程曲线，分别进行最小二乘线性拟合，从而获得正行程拟合函数、反行程拟合函数和综合拟合函数。
步骤4，测量：采用步骤1标定后的电容式触觉传感器，进行实际测量，得到测量电容值。
步骤5，噪声滤波：将步骤4得到的测量电容值进行加权平均滤波，得到滤波电容值。
步骤6，行程方向判别：当步骤4的测量方式为连续测量时，将当前时刻的滤波电容值和前一时刻的滤波电容值进行比较，进而判别当前测量方式为正向加载行程还是反向卸载行程。当步骤4的测量方式为单点测量时，则直接进入步骤7。
步骤7，解算：根据步骤6的判别结果，当判别为正向加载行程时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的正行程拟合函数中，获得当前时刻的作用力。当判别为反向加载行程时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的反行程拟合函数中，获得当前时刻的作用力。当测量方式为单次测量时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的综合拟合函数中，以获得当前时刻的作用力。
步骤5中，假设当前t时刻的滤波电容值为
Figure BDA0002547091100000021
则
Figure BDA0002547091100000022
的计算公式为：
Figure BDA0002547091100000031
其中，yt为t时刻的测量电容值。
Figure BDA0002547091100000032
为t-1时刻的滤波电容值。
Figure BDA0002547091100000033
为t-2时刻的滤波电容值。a、b和c均为加权系数，且a＞b＞c。
步骤5中，a＝3，b＝2，c＝1，则
Figure BDA0002547091100000034
的计算公式为：
Figure BDA0002547091100000035
其中，
Figure BDA0002547091100000036
为t时刻的滤波电容值。
步骤2中，正行程均值电容、反行程均值电容和综合行程均值电容，采用如下公式进行计算：
Figure BDA0002547091100000037
Figure BDA0002547091100000038
Figure BDA0002547091100000039
其中：
yijp——第j次标定时第i个加载测量点的电容值，j＝1,2,…,n。
yijn——第j次标定时第i个卸载测量点的电容值，j＝1,2,…,n。
Figure BDA00025470911000000310
——第i个加载测量点的正行程均值电容。
Figure BDA00025470911000000311
——第i个卸载测量点的反行程均值电容。
Figure BDA00025470911000000312
——第i个标准载荷测量点的综合行程均值电容。
步骤7中，假设结算得到的当前t时刻的作用力为
Figure BDA00025470911000000313
则
Figure BDA00025470911000000314
的计算公式为：
Figure BDA00025470911000000315
其中：
Figure BDA00025470911000000316
——t时刻的滤波电容值。
Figure BDA00025470911000000317
——t-1时刻的滤波电容值。
Figure BDA00025470911000000318
——正行程拟合函数Fp的反函数。
Figure BDA00025470911000000319
——反行程拟合函数Fn的反函数。
Figure BDA0002547091100000041
——综合拟合函数Fave的反函数。
Figure BDA0002547091100000042
——解算得到的t-1时刻的作用力。
Figure BDA0002547091100000043
——解算得到的t时刻的作用力。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明考虑了寄生电容所带来的高频噪声干扰，通过对标定数据和测量数据的滤波，减小了高频噪声误差，进一步提高了电容式触觉传感器的测量精度。
(2)本发明通过对加载和卸载过程分别进行标定、建模和解算，从而在消除高频噪声误差的同时，有效减小了迟滞误差的影响，提高了电容式触觉传感器的测量精度。
(3)本发明通过当前时刻测量数据与前一时刻测量数据的对比来判断行程方向，进而带入不同拟合函数进行解算，保证了测量结果的准确性。
附图说明
图1是本发明一种解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法的流程图。
图2为本发明的标定曲线示意图。
图3为本发明的拟合直线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，包括如下标定及建模阶段和测量阶段。
其中，如下步骤1至步骤3，构成如图1所示的标定及建模阶段。
步骤1，标定，具体包括如下步骤。
步骤11，正行程标定：向电容式触觉传感器依次施加m个标准载荷，m个标准载荷以设定步长逐渐递增。如图2所示，m个标准载荷分别为x1,x2,…,xm，且x1＜x2＜…＜xm。
每施加一个标准载荷，形成一个加载测量点。m个标准载荷，将具有m个加载测量点。
在每个加载测量点，均记录对应的标准载荷值和电容值。加载完成后，将m个加载测量点的标准载荷值和电容值进行拟合，形成一条正行程曲线。
步骤12，反行程标定：向电容式触觉传感器依次施加m个标准载荷，m个标准载荷以设定步长逐渐递减。每施加一个标准载荷，形成一个卸载测量点。在每个卸载测量点，均记录对应的标准载荷值和电容值。卸载完成后，将m个卸载测量点的标准载荷值和显示电容值进行拟合，形成一条反行程曲线。
步骤13，将步骤11和步骤12，重复n次，n≥3，则共形成n条正行程曲线和n条反行程曲线。
步骤2，求均值，包括如下步骤。
步骤21，正行程求均值。
将步骤1形成的n条正行程曲线，在每个加载测量点，均将对应的n个电容值求取算术平均值，并记为正行程均值电容。
假设第i个加载测量点的正行程均值电容为
Figure BDA0002547091100000051
则具体计算公式为：
Figure BDA0002547091100000052
其中，yijp——第j次标定时第i个加载测量点的电容值，j＝1,2,…,n。
采用上述公式，对m个加载测量点分别求均值，将得到m个正行程均值电容。
m个加载测量点的标准载荷值和m个正行程均值电容之间形成为平均正行程曲线，此处平均正行程曲线仅为m个正行程均值电容在图2中的打点连线，函数关系式未知。
步骤22，反行程求均值。
将步骤1形成的n条反行程曲线，在每个卸载测量点，均将对应的n个电容值求取算术平均值，并记为反行程均值电容。
假设第i个卸载测量点的反行程均值电容为
Figure BDA0002547091100000053
则具体计算公式为：
Figure BDA0002547091100000054
其中，yijn——第j次标定时第i个卸载测量点的电容值，j＝1,2,…,n。
采用上述公式，对m个卸载测量点分别求均值，将得到m个反行程均值电容。
m个卸载测量点的标准载荷值和m个反行程均值电容之间形成为平均反行程曲线，此处平均反行程曲线仅为m个反行程均值电容在图2中的打点连线，函数关系式未知。
步骤23，综合求均值。
在同一个标准载荷测量点处，将正行程的n个电容值和反行程的n个电容值综合后，求取算术平均值，并记为综合行程均值电容。
假设第i个标准载荷测量点的综合行程均值电容为
Figure BDA0002547091100000055
则具体计算公式为：
Figure BDA0002547091100000056
采用上述公式，对m个标准载荷测量点进行求均值，将得到m个综合行程均值电容。
m个标准载荷和m个综合行程均值电容之间形成为综合行程曲线，综合行程曲线仅为m个综合行程均值电容在图2中的打点连线，函数关系式未知。
步骤3，拟合建模。
对步骤2形成的平均正行程曲线、平均反行程曲线和综合行程曲线，分别进行最小二乘拟合，从而获得正行程拟合函数、反行程拟合函数和综合拟合函数，正行程拟合函数、反行程拟合函数和综合拟合函数对应的正行程拟合曲线、反行程拟合曲线和综合拟合曲线，如图3所示，图3中仅示出了线性拟合的状态，但也可以为多次项拟合。
如下步骤4至步骤7则构成了图1所示的测量阶段。
步骤4，测量。
采用步骤1标定后的电容式触觉传感器，进行实际测量，得到测量电容值。
步骤5，噪声滤波。
将步骤4得到的测量电容值进行加权平均滤波，得到滤波电容值。
加权平均滤波的计算方法，具体如下。
假设当前t时刻的滤波电容值为
Figure BDA0002547091100000061
则
Figure BDA0002547091100000062
的计算公式为：
Figure BDA0002547091100000063
其中，yt为t时刻的测量电容值。
Figure BDA0002547091100000064
为t-1时刻的滤波电容值。
Figure BDA0002547091100000065
为t-2时刻的滤波电容值。a、b和c均为加权系数，且a＞b＞c。
本实施例中，优选取值a＝3，b＝2，c＝1，则
Figure BDA0002547091100000066
的计算公式为。
Figure BDA0002547091100000067
其中，
Figure BDA0002547091100000068
为t时刻的滤波电容值。
步骤6，行程方向判别。
当步骤4的测量方式为连续测量时，将当前时刻的滤波电容值和前一时刻的滤波电容值进行比较，进而判别当前测量方式为正向加载行程还是反向卸载行程。
当步骤4的测量方式为单点测量时，则直接进入步骤7。
步骤7，解算。
根据步骤6的判别结果，当判别为正向加载行程时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的正行程拟合函数中，获得当前时刻的作用力。当判别为反向加载行程时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的反行程拟合函数中，获得当前时刻的作用力。当测量方式为单次测量时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的综合拟合函数中，以获得当前时刻的作用力。若
Figure BDA0002547091100000071
则认为当前作用力与前一时刻相同，及
Figure BDA0002547091100000072
假设结算得到的当前t时刻的作用力为
Figure BDA0002547091100000073
则
Figure BDA0002547091100000074
的计算公式为：
Figure BDA0002547091100000075
其中：
Figure BDA0002547091100000076
——t时刻的滤波电容值。
Figure BDA0002547091100000077
——t-1时刻的滤波电容值。
Figure BDA0002547091100000078
——正行程拟合函数Fp的反函数。
Figure BDA0002547091100000079
——反行程拟合函数Fn的反函数。
Figure BDA00025470911000000710
——综合拟合函数Fave的反函数。
Figure BDA00025470911000000711
——解算得到的t-1时刻的作用力。
Figure BDA00025470911000000712
——解算得到的t时刻的作用力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，标定，具体包括如下步骤：
步骤11，正行程标定：向电容式触觉传感器依次施加m个标准载荷，m个标准载荷以设定步长逐渐递增；每施加一个标准载荷，形成一个加载测量点；在每个加载测量点，均记录对应的标准载荷值和电容值；加载完成后，将m个加载测量点的标准载荷值和电容值进行拟合，形成一条正行程曲线；其中，m≥3；
步骤12，反行程标定：向电容式触觉传感器依次施加m个标准载荷，m个标准载荷以设定步长逐渐递减；每施加一个标准载荷，形成一个卸载测量点；在每个卸载测量点，均记录对应的标准载荷值和电容值；卸载完成后，将m个卸载测量点的标准载荷值和显示电容值进行拟合，形成一条反行程曲线；
步骤13，将步骤11和步骤12，重复n次，n≥3，则共形成n条正行程曲线和n条反行程曲线；
步骤2，求均值，包括如下步骤：
步骤21，正行程求均值：将步骤1形成的n条正行程曲线，在每个加载测量点，均将对应的n个电容值求取算术平均值，并记为正行程均值电容；m个加载测量点，将得到m个正行程均值电容；m个加载测量点的标准载荷值和m个正行程均值电容之间形成为平均正行程曲线；
步骤22，反行程求均值：将步骤1形成的n条反行程曲线，在每个卸载测量点，均将对应的n个电容值求取算术平均值，并记为反行程均值电容；m个卸载测量点，将得到m个反行程均值电容；m个卸载测量点的标准载荷值和m个反行程均值电容之间形成为平均反行程曲线；
步骤23，综合求均值：在同一个标准载荷测量点处，将正行程的n个电容值和反行程的n个电容值综合后，求取算术平均值，并记为综合行程均值电容；m个标准载荷测量点，将得到m个综合行程均值电容；m个标准载荷和m个综合行程均值电容之间形成为综合行程曲线；
步骤3，拟合建模：对步骤2形成的平均正行程曲线、平均反行程曲线和综合行程曲线，分别进行最小二乘拟合，从而获得正行程拟合函数、反行程拟合函数和综合拟合函数；
步骤4，测量：采用步骤1标定后的电容式触觉传感器，进行实际测量，得到测量电容值；
步骤5，噪声滤波：将步骤4得到的测量电容值进行加权平均滤波，得到滤波电容值；
步骤6，行程方向判别：当步骤4的测量方式为连续测量时，将当前时刻的滤波电容值和前一时刻的滤波电容值进行比较，进而判别当前测量方式为正向加载行程还是反向卸载行程；当步骤4的测量方式为单次测量时，则直接进入步骤7；
步骤7，解算：根据步骤6的判别结果，当判别为正向加载行程时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的正行程拟合函数中，获得当前时刻的作用力；当判别为反向加载行程时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的反行程拟合函数中，获得当前时刻的作用力；当测量方式为单次测量时，则将当前时刻的滤波电容值代入步骤3中的综合拟合函数中，以获得当前时刻的作用力。
2.根据权利要求1所述的解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，其特征在于：步骤5中，假设当前t时刻的滤波电容值为
Figure FDA0003089612130000021
则
Figure FDA0003089612130000022
的计算公式为：
Figure FDA0003089612130000023
其中，yt为t时刻的测量电容值；
Figure FDA0003089612130000024
为t-1时刻的滤波电容值；
Figure FDA0003089612130000025
为t-2时刻的滤波电容值；a、b和c均为加权系数，且a＞b＞c。
3.根据权利要求2所述的解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，其特征在于：步骤5中，a＝3，b＝2，c＝1，则
Figure FDA0003089612130000026
的计算公式为：
Figure FDA0003089612130000027
其中，
Figure FDA0003089612130000028
为t时刻的滤波电容值。
4.根据权利要求1所述的解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，其特征在于：步骤2中，正行程均值电容、反行程均值电容和综合行程均值电容，采用如下公式进行计算：
Figure FDA0003089612130000029
Figure FDA00030896121300000210
Figure FDA00030896121300000211
其中：
yijp——第j次标定时第i个加载测量点的电容值，j＝1,2,…,n；
yijn——第j次标定时第i个卸载测量点的电容值，j＝1,2,…,n；
Figure FDA00030896121300000212
——第i个加载测量点的正行程均值电容；
Figure FDA00030896121300000213
——第i个卸载测量点的反行程均值电容；
Figure FDA00030896121300000214
——第i个标准载荷测量点的综合行程均值电容。
5.根据权利要求1所述的解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，其特征在于：步骤7中，假设解算得到的当前t时刻的作用力为
Figure FDA00030896121300000215
则
Figure FDA00030896121300000216
的计算公式为：
Figure FDA0003089612130000031
其中：
Figure FDA0003089612130000032
——t时刻的滤波电容值；
Figure FDA0003089612130000033
——t-1时刻的滤波电容值；
Figure FDA0003089612130000034
——正行程拟合函数Fp的反函数；
Figure FDA0003089612130000035
——反行程拟合函数Fn的反函数；
Figure FDA0003089612130000036
——综合拟合函数Fave的反函数；
Figure FDA0003089612130000037
——解算得到的t-1时刻的作用力；
Figure FDA0003089612130000038
——解算得到的t时刻的作用力。
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