一種消除觸覺傳感器工頻噪聲的方法
2023-09-18 19:53:55 1
專利名稱：一種消除觸覺傳感器工頻噪聲的方法
技術領域：
本發明屬於信號消噪技術領域，涉及ー種消除觸覺傳感器エ頻噪聲的方法。
背景技術：
機器人觸覺在機器人感覺系統中佔有非常重要的地位，它具有視覺等其它感覺無法替代的功能。視覺一般須藉助光照完成，當光照受限時，與人的感覺一祥，觸覺的重要性就突顯出來了。機器人觸覺傳感器主要有檢測和識別功能，檢測功能包括對目標物的物理性質、機械手與目標物的接觸狀態、抓取目標物時的夾持力、滑移等信息進行檢測。識別功能是在檢測的基礎上提取操作對象的形狀、大小、剛度等特徵，以進行分類和目標識別。觸覺傳感器一般安裝於機器人的機械手指上，所以很容易受機器人動カ系統的電磁幹擾，其中エ頻幹擾是主要幹擾。消除エ頻幹擾是觸覺傳感器信號採集過程中的ー個重要的處理方法，方法的優劣將直接影響傳感器能否被正常使用。通常的做法是設計50Hz陷波濾波器來 消除エ頻幹擾，エ頻陷波器可以濾掉50Hz的噪聲，但也使傳感器的有效信號受到較大的影響，因為50Hz也是觸覺傳感器的有效頻率範圍，另外，傳感器輸出信號中有無エ頻幹擾，需要科學地界定，不能盲目得進行エ頻去噪。
發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的不足，提出了一種採用匹配濾波和獨立成分分析消除エ頻幹擾的方法，該方法可以有效避免採用エ頻陷波濾波器帶來的問題。匹配濾波器對傳感器信號中可能存在的エ頻信號進行匹配輸出，對其它信號或噪聲則給予有效的抑制，繼而確定所輸出的傳感器信號中有無エ頻幹擾，被幹擾的程度又怎樣。如果存在エ頻幹擾，貝1J對信號進行獨立成分分析(Independent Component Analysis , I CA)消除エ頻幹擾。本發明是通過以下技術方案實現的，包括如下具體步驟
步驟(I).獲取原始觸覺傳感器信號和交流電源信號。用屏蔽電纜將安裝於機器人手爪的觸覺傳感器信號以及引發エ頻幹擾的交流電源信號用採集卡採集到計算機。步驟(2).把步驟(I)所得的原始觸覺傳感器信號輸入エ頻匹配濾波器進行エ頻匹配濾波。所述的エ頻匹配濾波器採用下述方法設計，即エ頻匹配濾波器的幅頻特性與直接從引發エ頻幹擾的交流電源的幅頻特性相同，相頻特性與交流電源信號的相頻特性相反並且再乘以線性相位因子。步驟(3).根據步驟(2)エ頻匹配濾波器的輸出信號判斷原始觸覺傳感器信號中有無エ頻噪聲，具體是通過判別匹配濾波器輸出信號的功率譜峰值大小來確定其是否含有エ頻噪聲，當功率譜峰值低於設定的閾值，則認為原始觸覺傳感器信號中無エ頻噪聲，否貝U，含有エ頻噪聲。所述的設定的閾值採用不含有エ頻噪聲的源信號經エ頻匹配濾波器輸出後其功率譜密度估計的峰值。
步驟(4).若根據步驟(3)判斷出原始觸覺傳感器信號含有エ頻噪聲，則，把原始觸覺傳感器信號作為一路觀測信號Si)，把引發エ頻噪聲的交流電源作為另一路觀測信號_,對信號進行獨立成分分析消除エ頻噪聲，具體是
首先，對觀測信號:Sf)，$€)進行去均值和白化處理。去均值即觀測信號減去它的均值，變成零均值矢量；白化是通過主成分分析(PCA)將觀測信號線性變換為具有単位方差且各分量互不相關的ち ,ち 。其次，對ち(り,ち(|)作進ー步處理，即依據負熵判據來尋找解混矩陣,。最後，由信號的解混算式:F = 實現獨立成分的分離，分離出觸覺信號Sの和エ頻幹擾信號4)，從而實現消除エ頻幹擾。本發明與已有的諸多觸覺傳感器信號的エ頻去噪算法相比，具有如下特點
觸覺傳感器信號易受機器人動カ系統的エ頻幹擾，如何有效地抑制甚至去除其中的幹擾，對觸覺傳感器信號的後續處理及應用至關重要。本發明針對觸覺傳感器信號的檢測特點設計了ー種獨特的信號處理方法，採用匹配濾波器對觸覺傳感器信號中可能存在的エ頻信號進行突顯，對其它信號或噪聲則給予有效的抑制，並將エ頻匹配濾波器處理結果作為 觸覺傳感器信號是否進行獨立成分分析的判斷條件，這樣的信號處理系統即可應用於無エ頻幹擾的環境，也可應用於各種エ頻幹擾的環境，使エ頻去噪算法的環境自適應性更強，同時避免了不加區分地採用獨立成分分析進行エ頻去噪而產生的不可預知的結果，保護了觸覺傳感器信號的原始性和真實性。採用獨立成分分析消除エ頻幹擾，不僅能夠有效地消除觸覺傳感器信號中的エ頻噪聲，且不會對觸覺傳感器信號本身的頻率成分造成影響，取得了良好的エ頻濾波效果。
圖I為本發明的實施流程 圖2為本發明實施例原始觸覺信號的匹配濾波信號 圖3為エ頻消噪的ICA流程 圖4為本發明實施例的ICA分離前後信號 圖5為本發明實施例的觸覺傳感器信號ICA分離前後的功率譜密度估計。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。如圖I所示，本實施例包括如下步驟
步驟一，獲取原始觸覺傳感器信號和交流電源信號。用屏蔽電纜將安裝於機器人的觸覺傳感器信號以及引發エ頻幹擾的交流電源信號用採集卡採集到計算機。獲取的觸覺傳感器信號如圖2(a)所示，圖2(c)為該信號的功率譜密度曲線。步驟ニ，把步驟一所得的原始觸覺傳感器信號輸入エ頻匹配濾波器進行エ頻匹配濾波。所述的エ頻匹配濾波器採用下述方法設計設5 )為エ頻信號，_為均值為零功率譜密度為べ/{的白噪聲，非活動狀態下的觸
覺傳感器信號混有エ頻噪聲，可表示為
x(t) = s(t)+n{t)(I)
該信號經過匹配濾波器後的輸出信號7 由信號和噪聲兩部分組成 y(￡) = se(t)+nji)(2)
其中
sJt) = F1Cif ( )￡f( )] = ^P H{m)S(a)sj^dm⑶
輸出噪聲的平均功率為
E[ぐ￠)]=晉Jニ令丨ゼ⑷卜(4)
在I = I0時輸出信噪比為
2
￥=..........................i.....F.......^........I.....^................X~(5)
—I —-- I 沒 w
22 1 I
由許瓦茲(Schwarz)不等式，若且唯若式(5)成立時， 達到最大，即信噪比最大。Af(SJ)(6)
式(6)的含義是，エ頻匹配濾波器的幅頻特性與エ頻信號的幅頻特性相同，相頻特性與エ頻信號的相頻特性相反並且再乘以線性相位因子。根據式(6)直接從引發エ頻幹擾的交流電源設計エ頻匹配濾波器"(》)。原始觸覺傳感器信號經匹配濾波器後輸出的信號如圖2(b)所示，圖2(d)為該信號的功率譜密度曲線。步驟三，根據步驟ニエ頻匹配濾波器的輸出信號判斷原始觸覺傳感器信號中有無エ頻幹擾。可從匹配濾波器輸出信號的功率譜峰值來判斷是否含有エ頻噪聲。實驗測出不含有エ頻噪聲的源信號經エ頻匹配濾波器輸出後其功率譜密度估計的峰值為-45. 5 dBiHz—1，該峰值可作為區分是否含有エ頻噪聲的閾值，若低於該值可認為原始信號不含有エ頻噪聲，否則，含有エ頻噪聲。步驟四，若根據步驟三判斷出原始觸覺傳感器信號含有エ頻噪聲，則把原始觸覺傳感器信號作為一路觀測信號，把引發エ頻噪聲的交流電源作為另一路觀測信號ろ⑩，對信號進行獨立成分分析消除エ頻幹擾，本實施例採用基於負熵最大的FastICA算法。首先，對觀測信號- !), )進行去均值和白化處理。去均值即觀測信號減去它的均值，變成零均值矢量；白化是通過主成分分析(PCA)將觀測信號線性變換為具有単位方差且各分量互不相關的ち(なち(ゎ。其次，對右(4ち《作進ー步處理，即依據負熵判據的FastICA算法來尋找解混矩陣 F。最後，由信號的解混算式
權利要求
1.一種消除觸覺傳感器エ頻噪聲的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟步驟(I).獲取原始觸覺傳感器信號和交流電源信號； 步驟(2).把步驟(I)所得的原始觸覺傳感器信號輸入エ頻匹配濾波器進行エ頻匹配濾波；所述的エ頻匹配濾波器採用下述方法設計，即エ頻匹配濾波器的幅頻特性與直接從引發エ頻幹擾的交流電源的幅頻特性相同，相頻特性與交流電源信號的相頻特性相反並且再乘以線性相位因子； 步驟(3).根據步驟(2)エ頻匹配濾波器的輸出信號判斷原始觸覺傳感器信號中有無エ頻噪聲，具體是通過判別匹配濾波器輸出信號的功率譜峰值大小來確定其是否含有エ頻噪聲，當功率譜峰值低於設定的閾值，則認為原始觸覺傳感器信號中無エ頻噪聲，否則，含有エ頻噪聲； 所述的設定的閾值採用不含有エ頻噪聲的源信號經エ頻匹配濾波器輸出後其功率譜密度估計的峰值； 步驟(4).若根據步驟(3)判斷出原始觸覺傳感器信號含有エ頻噪聲，則把原始觸覺傳感器信號作為一路觀測信號$€)，把引發エ頻噪聲的交流電源作為另一路觀測信號$0，對信號進行獨立成分分析消除エ頻噪聲，具體是 首先，對觀測信號At)，$0進行去均值和白化處理；去均值即觀測信號減去它的均值，變成零均值矢量；白化是通過主成分分析將觀測信號線性變換為具有単位方差且各分量互不相關的天I ,も￠)； 其次,對妨)，ち(0作進ー步處理，即依據負熵判據來尋找解混矩陣； 最後，由信號的解混算式;r=好y實現獨立成分的分離，分離出觸覺信號か )和エ頻幹擾信號4)，從而實現消除エ頻噪聲。
全文摘要
本發明涉及一種消除觸覺傳感器工頻噪聲的方法。觸覺傳感器信號易受機器人動力系統的工頻幹擾。本發明中的匹配濾波器對傳感器信號中可能存在的工頻信號進行匹配輸出，對其它信號或噪聲則給予有效的抑制，繼而確定所輸出的傳感器信號中有無工頻幹擾，被幹擾的程度又怎樣。如果存在工頻幹擾，則對信號進行獨立成分分析消除工頻幹擾。採用匹配濾波器對觸覺傳感器信號中可能存在的工頻信號進行突顯，對其它信號或噪聲則給予有效的抑制，並將工頻匹配濾波器處理結果作為觸覺傳感器信號是否進行獨立成分分析的判斷條件。本發明不僅能夠有效地消除傳感器信號中的工頻噪聲，且不會對其它頻率成分造成影響。
文檔編號H03H17/02GK102832907SQ201210312259
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者席旭剛, 張啟忠, 羅志增, 佘青山, 高雲園 申請人:杭州電子科技大學