基于STM32的主動(dòng)激勵(lì)式觸覺傳感器濾波算法對(duì)比

劉聶天和，王民慧，黃佳鑫

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引 言

觸覺傳感器及觸覺傳感技術(shù)一直以來都是機(jī)器人在對(duì)物體進(jìn)行感知與探索工作的重要部分。從上個(gè)世紀(jì)開始，人們開始研究觸覺傳感技術(shù)，但研究內(nèi)容僅限于傳感器與被測對(duì)象之間的接觸性與接觸力度。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，越來越多的專家學(xué)者開始對(duì)機(jī)器人觸覺傳感器進(jìn)行研究。

Nicholls等人在綜述中曾經(jīng)指出，從上世紀(jì)70年代開始，國外已經(jīng)開始對(duì)機(jī)器人及觸覺傳感技術(shù)展開研究。因當(dāng)時(shí)只是檢測是否接觸到被測物和接觸力度的大小，研發(fā)出來的傳感器相對(duì)較為簡陋，功能比較單一。到了上世紀(jì)80、90年代，觸覺傳感器處于高速發(fā)展階段。進(jìn)入這個(gè)階段后，越來越多的專家學(xué)者針對(duì)傳感器進(jìn)行了更加全面的研究。從基本原理出發(fā)，使用了先進(jìn)的材料、精度更高的傳感器并簡化了使用方法。在此期間，觸覺傳感器多是基于電容式、電阻式、壓電式等工作原理，多用于測量物體表面形狀、壓力分布等參數(shù)，但對(duì)于紋理、硬度等參數(shù)測量卻還無法實(shí)現(xiàn)。

隨著新世紀(jì)的到來，觸覺傳感器原始材料和生產(chǎn)工藝得到了快速發(fā)展，這就意味著傳感器從各個(gè)方面都得到了很大的提升，開始向柔性化、多陣列、高靈敏度等方向發(fā)展，而且研究熱點(diǎn)通常集中在電子觸覺皮膚等柔性觸覺傳感器方面。到目前為止，觸覺傳感器只適用于高精度且環(huán)境柔和的工作場所，并不適用于惡劣粗糙的環(huán)境。因此，本文提出的主動(dòng)激勵(lì)式觸覺在線識(shí)別系統(tǒng)，為該方向研究提供了一種新的思路。

國內(nèi)觸覺傳感器的研究相對(duì)國外稍晚一些，上世紀(jì)80年代有關(guān)觸覺傳感器的研究即已引起國內(nèi)學(xué)者關(guān)注。其中，東南大學(xué)機(jī)器人傳感與控制技術(shù)研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、中科院沈陽自動(dòng)化所等科研單位皆已陸續(xù)推出有關(guān)觸覺傳感器的系列研究成果。1987年在中國制定的863計(jì)劃中，將陣列觸覺傳感器作為重點(diǎn)進(jìn)行立項(xiàng)，同時(shí)在此計(jì)劃的支持下，觸覺傳感器在90年代也得到了飛速發(fā)展。21世紀(jì)開始，中國在觸覺傳感器方面的發(fā)展進(jìn)入了快車道，眾多研究單位隨即創(chuàng)立，但一般情況下致力研究的觸覺傳感器仍然局限在基于柔性化、陣列化和輕量化的電子觸覺皮膚等方面，對(duì)于應(yīng)用在粗糙惡劣環(huán)境等方面的觸覺傳感器研究尚有不足，同時(shí)國內(nèi)到目前為止對(duì)于主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器方面的研究也仍處于試驗(yàn)階段，并不具有實(shí)時(shí)性?，F(xiàn)階段對(duì)于觸覺傳感器識(shí)別算法的研究一般是通過機(jī)器學(xué)習(xí)或者卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但這些觸覺感知技術(shù)大多應(yīng)用于機(jī)器人皮膚嵌入式陣列單元等方面，對(duì)于本文研究的主動(dòng)激勵(lì)觸覺傳感器應(yīng)用仍然較少。本文擬對(duì)此展開研究論述如下。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由傳感器模塊、控制器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等構(gòu)成。該系統(tǒng)以STM32F407ZGT6單片機(jī)作為主控核心控制器，通過傳感器模塊對(duì)不同狀態(tài)傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，而后傳給STM32F407ZGT6單片機(jī)；數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后，在電腦上用Matlab進(jìn)行可視化繪圖。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall design drawing

本設(shè)計(jì)以STM32F407ZGT6單片機(jī)作為主控核心控制器。一方面，利用壓電陶瓷傳感器模塊采集不同狀態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32F407ZGT6單片機(jī)中，再通過串口通信方式將單片機(jī)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱谡{(diào)試助手中。另一方面，通過串口調(diào)試助手接收到數(shù)據(jù)后加以保存，并在Matlab上進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理研究

2.1 一階濾波

一階濾波、也稱為一階慣性濾波或一階低通濾波，常?？梢酝ㄟ^模擬電路或者通過軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。這里將給出分析闡釋如下。

（1）模擬電路。模擬電路方式通常使用電阻和電容共同搭建的硬件RC低通濾波，常見用于交流信號(hào)、直流信號(hào)和脈沖信號(hào)等方面。典型電路如圖2所示。

圖2 一階濾波典型電路圖Fig.2 Typical circuit diagram of first-order filtering

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可以得出：

電路中電流可以通過流經(jīng)電容的電流得出：

最后通過上述公式推導(dǎo)得出一階微分方程為：

通過求解得到輸出與輸入關(guān)系為：

（2）軟件方式。一階濾波的實(shí)現(xiàn)，一般通過最新采樣值與前一次經(jīng)過濾波后的采樣值進(jìn)行加權(quán)，得到最新濾波值。使得濾波過程中，上一次輸出對(duì)下一次輸入有反饋?zhàn)饔?。這里，研究推得的一階濾波算法公式為：

其中，為濾波系數(shù)，一般取值為01之間；表示最新采樣值；為前一次經(jīng)過一階濾波得到的輸出結(jié)果；表示最新采樣值與前一次經(jīng)過濾波后的采樣值進(jìn)行加權(quán)得到最新輸出結(jié)果。

程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。圖3中，為濾波系數(shù)，一般取值為0～1之間；表示待處理的數(shù)據(jù)量；表示最新采樣值；表示前一次經(jīng)過一階濾波得到的輸出結(jié)果；表示最新采樣值與前一次經(jīng)過濾波后的采樣值進(jìn)行加權(quán)后的最新輸出結(jié)果；表示濾波后的全新數(shù)組。

圖3 一階濾波流程Fig.3 First-order filtering flow chart

2.2 中值濾波

中值濾波、也叫中位值濾波，是當(dāng)下常見的有效過濾噪聲的一種非線性平滑技術(shù)。中值濾波在濾除噪聲的同時(shí)，還能保護(hù)信號(hào)的邊緣。此處的中值或者中位值是指選定數(shù)據(jù)區(qū)域，并按照從小到大、或者從大到小的順序進(jìn)行排列。若選擇數(shù)據(jù)總數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則選取中間數(shù)值作為中值或者中位值；若選擇數(shù)據(jù)總數(shù)為偶數(shù)時(shí)，則選取中間2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為中值或者中位值，對(duì)此可表示為：

中值濾波流程如圖4所示。

圖4 中值濾波處理流程圖Fig.4 Flow chart of median filtering processing

在做中值濾波時(shí)，采用冒泡排序法對(duì)需要濾波的數(shù)據(jù)從小到大進(jìn)行排列。其中，表示定義濾波數(shù)據(jù)第一個(gè)數(shù)值為0，隨后從開始保存每次采樣數(shù)值，與前一個(gè)數(shù)值進(jìn)行比較；表示選擇一次中值濾波所需要的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

2.3 五點(diǎn)三次平滑處理

五點(diǎn)三次平滑處理算法，是一種利用最小二乘法在等間距數(shù)值的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次最小二乘多項(xiàng)式平滑的處理算法，通常用來處理帶有毛刺或者噪聲的數(shù)據(jù)。此處需用到的數(shù)學(xué)公式為：

一般情況下，設(shè)序列x（1，2，…，），推演得到的五點(diǎn)三次平滑處理計(jì)算公式為：

其中，f是x經(jīng)過五點(diǎn)三次平滑處理后的輸出（3，4，…，2），為每次濾波的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。具體流程如圖5所示。

圖5 五點(diǎn)三次平滑處理流程圖Fig.5 Flow chart of five-point cubic smoothing

2.4 濾波效果對(duì)比

本課題使用的是基于三級(jí)鋼板壓電陶瓷作為傳感器，在數(shù)據(jù)采集過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生噪音信號(hào)或者干擾信號(hào)。因此，在做數(shù)據(jù)分類前就要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，濾掉噪點(diǎn)，方便后期分類處理。根據(jù)上述分析可知，一階濾波具有穩(wěn)定、易操作等優(yōu)點(diǎn)；中值濾波在濾除噪聲的同時(shí)，還能保護(hù)信號(hào)的邊緣；五點(diǎn)三次平滑技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理中有著廣泛應(yīng)用，算法穩(wěn)定性較高。本文利用3種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將處理效果進(jìn)行比較。處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 濾波算法對(duì)比Fig.6 Comparison of filtering algorithms

從效果圖可以看出，原始數(shù)據(jù)存在很多噪點(diǎn)，經(jīng)過一階濾波后噪點(diǎn)有所緩解，但是還存在很多噪點(diǎn)，而中值濾波效果相對(duì)五點(diǎn)三次平滑處理和一階濾波好很多，保留了信號(hào)原始的輪廓，同時(shí)也對(duì)噪點(diǎn)做了很好的處理。

本文選取效果最好的中值濾波算法，將程序移植到單片機(jī)上進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，應(yīng)用于機(jī)械手中進(jìn)行去噪。將原始信號(hào)、單片機(jī)濾波信號(hào)、Matlab濾波信號(hào)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：單片機(jī)上的中值濾波較好地還原了Matlab上中值濾波的效果，二者差值較小。具體處理效果如圖7所示。

圖7 單片機(jī)與Matlab濾波效果對(duì)比Fig.7 Comparison of microcontroller and Matlab filtering effect

3 結(jié)束語

本文在對(duì)比了一階濾波、中值濾波和五點(diǎn)三次平滑的預(yù)處理效果后，選擇了效果最好的中值濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終應(yīng)用于STM32F407ZGT6單片機(jī)上，并對(duì)比Matlab的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果，驗(yàn)證其具有較好的濾波效果。