一种多功能传感器数据处理方法和系统

本发明属于计算机数据识别与分析领域，具体涉及电子设备在碰撞过程中四元数姿态参数的优化调整。

背景技术：

1、电子设备在日常使用中存在着意外掉落和碰撞的风险，这可能导致设备损坏、数据丢失，甚至带来安全隐患。为了提高电子设备的可靠性和安全性，研究电子设备掉落监测系统具有重要意义，姿态检测是通过加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器实时监测电子设备在碰撞过程中的加速度、角速度和磁场变化等参数。

2、在姿态检测数据分析领域，传统的算法如滤波算法、峰值检测算法和时频分析算法已经被广泛应用。传统姿态检测方式主要是在碰撞瞬间，记录加速度、角速度等数据，用欧拉角来表示碰撞瞬间的运动状况。传统方法还多用卡尔曼滤波器等其他滤波器来提高姿态估计的精度，可以抑制噪声和干扰。

3、然而，在复杂碰撞场景下，这些算法的准确性和鲁棒性仍然需要提高。面对数据不准确性、算法复杂性、数据处理实时性、模型建立与验证、多场景适应性等关键问题，机器学习算法的应用成为解决方案之一。此外，传统算法受到碰撞角度、碰撞速度、电子设备类型等多方面因素的制约，缺乏足够的通用性和适应性，一个算法仅只能对于一个模型适用。需要其他的算法设计来适配不同的模型，这无形中增加了成本的支出。

4、因此，基于电子设备碰撞场景下复杂的参数条件，如何实时获取有效的用于碰撞分析的参数，以形成后续对电子设备进行姿态调整的指令至关重要。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种通过四元数表示电子设备碰撞过程中的姿态参数，并结合梯度算法和四元素变化率实时更新优化四元数表示下的姿态参数的方法，优化后的四元数姿态参数能更有效的用于后续的碰撞分析。具体来说，本发明涉及一种多功能传感器数据处理方法，其特征在于，包括：

2、参数采集阶段：通过传感器采集电子设备在碰撞过程中的加速度角速度和姿态参数q，对所述加速度进行归一化处理得到对所述角速度进行归一化处理得到使用四元数表示所述姿态参数q。

3、归一化处理可以消除数据间的尺度差异，提高了算法的稳定性和收敛速度。

4、参数优化阶段：利用梯度下降算法，计算目标函数j(q)关于四元数的梯度，根据梯度迭代时参数的更新方向调整四元数值：

5、

6、其中destanglei是期望角度，curanglei是当前角度，n为样本总数，q′是迭代后的四元数值，qcur是当前的四元数值，是梯度函数，a为学习速率，其确定方式为其中ar为预设的当前学习速率，gr为预设的归一化加速度参量。

7、梯度下降算法能迭代优化姿态参数，逐步提高姿态估计的精度，可以更快地收敛到最优解。

8、计算四元数的变化率

9、

10、其中是四元数的hamilton乘积，表示实部为0，虚部为的向量。

11、对四元数进行积分后，根据两次姿态更新之间的时间间隔δt，继续更新四元数的值：

12、

13、其中qnew为更新后的四元数值，接着对更新后的四元数值进行归一化处理得到处理后的姿态参数。

14、参数应用阶段：根据所述处理后的姿态参数进行碰撞分析，形成针对所述电子设备的碰撞响应指令，将所述碰撞响应指令反馈给所述电子设备。

15、进一步的，对所述加速度和所述角速度进行归一化处理，对更新后的四元数进行归一化处理，包括：将相应的加速度、角速度或四元数参数与其取模后的比值，作为所述归一化处理的结果。

16、进一步的，所述多功能传感器为九轴传感器。

17、进一步的，所述电子设备、与所述电子设备近场通信连接的计算装置；所述参数应用阶段的方法可实施主体包括：所述电子设备、与所述电子设备近场通信连接的计算装置、远程服务器。

18、进一步的，所述近场通信方式包括：蓝牙连接、wifi连接。

19、进一步的，所述时间间隔δt采用预设的固定时间间隔，或者采用动态时间间隔。

20、进一步的，所述采用动态时间间隔，包括：在固定时间间隔的基础上，将所述固定时间间隔值乘以调整因子的计算结果作为动态时间间隔；其中所述调整因子的值根据确定。

21、本发明还涉及一种多功能传感器数据处理系统，其特征在于：包括参数采集单元、参数优化单元和参数应用单元，所述参数采集单元将采集的电子设备碰撞信息预处理后传递给所述参数优化单元，所述参数优化单元对四元数表示下的碰撞姿态参数进行优化，并将优化后所述姿态参数传递给所述参数应用单元用于后续碰撞分析；其中各单元具体还用于实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

22、本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

23、本发明还涉及一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

24、本发明专利的有益技术效果包括：

25、(1)通过四元数表示电子设备碰撞过程中的姿态参数，四元数可以用来精确地描述任意方向的旋转，而不像欧拉角有可能存在奇异性问题，具有良好的性质；并结合梯度算法和四元素变化率实时更新优化四元数表示下的姿态参数，以实现更有效的后续碰撞分析；

26、(2)将碰撞采集的加速度数据用于梯度算法中学习速率的动态调整，将碰撞采集的角速度数据用于四元数变化率计算，实现更加实时有效的参数调整；

27、(3)参数优化计算的主体框架涉及的数据来源简单，计算方式不需要其它辅助计算就能实现有效的姿态参数调整，尤其对于安置九轴传感器的电子设备的碰撞分析具有良好的实用意义。

技术特征：

1.一种多功能传感器数据处理方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种多功能传感器数据处理方法，对所述加速度和所述角速度进行归一化处理，对更新后的四元数进行归一化处理，包括：将相应的加速度、角速度或四元数参数与其取模后的比值，作为所述归一化处理的结果。

3.根据权利要求1所述的一种多功能传感器数据处理方法，其特征在于：所述多功能传感器为九轴传感器。

4.根据权利要求1所述的一种多功能传感器数据处理方法，其特征在于：所述参数优化阶段的方法可实施主体包括：所述电子设备、与所述电子设备近场通信连接的计算装置；所述参数应用阶段的方法可实施主体包括：所述电子设备、与所述电子设备近场通信连接的计算装置、远程服务器。

5.根据权利要求4所述的一种多功能传感器数据处理方法，其特征在于：所述近场通信方式包括：蓝牙连接、wifi连接。

6.根据权利要求1所述的一种多功能传感器数据处理方法，其特征在于：所述时间间隔δt采用预设的固定时间间隔，或者采用动态时间间隔。

7.根据权利要求6所述的一种多功能传感器数据处理方法，所述采用动态时间间隔，包括：在固定时间间隔的基础上，将所述固定时间间隔值乘以调整因子的计算结果作为动态时间间隔；其中所述调整因子的值根据确定。

8.一种多功能传感器数据处理系统，其特征在于：包括参数采集单元、参数优化单元和参数应用单元，所述参数采集单元将采集的电子设备碰撞信息预处理后传递给所述参数优化单元，所述参数优化单元对四元数表示下的碰撞姿态参数进行优化，并将优化后所述姿态参数传递给所述参数应用单元用于后续碰撞分析；其中各单元具体还用于实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种多功能传感器数据处理方法和系统，通过四元数表示电子设备碰撞过程中的姿态参数，并结合梯度算法和四元素变化率实时更新优化四元数表示下的姿态参数，优化后的四元数姿态参数能更有效的用于后续的碰撞分析。而且将碰撞采集的加速度数据用于梯度算法中学习速率的动态调整，将碰撞采集的角速度数据用于四元数变化率计算，实现更加实时有效的参数调整。

技术研发人员：张彬辉,程旭东,屠静怡,朱柔筱,曹扬,邵钰珈,何慧瑶,陈依鑫
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23