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Shape sensing of optical fiber Bragg gratings based on deep learning

计算机科学 光纤布拉格光栅 超参数 卷积神经网络 人工智能 深度学习 机器人 人工神经网络 判别式 模式识别(心理学) 光纤 电信
作者
Samaneh Manavi Roodsari,Antal Huck-Horvath,Sara Freund,Azhar Zam,Georg Rauter,Wolfgang Schade,Philippe C. Cattin
出处
期刊:Machine learning: science and technology [IOP Publishing]
卷期号:4 (2): 025037-025037 被引量:6
标识
DOI:10.1088/2632-2153/acda10
摘要

Continuum robots in robot-assisted minimally invasive surgeries provide adequate access to target anatomies that are not directly reachable through small incisions. Achieving precise and reliable motion control of such snake-like manipulators necessitates an accurate navigation system that requires no line-of-sight and is immune to electromagnetic noises. Fiber Bragg Grating (FBG) shape sensors, particularly edge-FBGs, are promising tools for this task. However, in edge-FBG sensors, the intensity ratio between Bragg wavelengths carries the strain information that can be affected by undesired bending-related phenomena, making standard characterization techniques less suitable for these sensors. We showed in our previous work that a deep learning model has the potential to extract the strain information from the full edge-FBG spectrum and accurately predict the sensor's shape. In this paper, we conduct a more thorough investigation to find a suitable architectural design with lower prediction errors. We use the Hyperband algorithm to search for optimal hyperparameters in two steps. First, we limit the search space to layer settings, where the best-performing configuration gets selected. Then, we modify the search space for tuning the training and loss calculation hyperparameters. We also analyze various data transformations on the input and output variables, as data rescaling can directly influence the model's performance. Moreover, we performed discriminative training using Siamese network architecture that employs two CNNs with identical parameters to learn similarity metrics between the spectra of similar target values. The best-performing network architecture among all evaluated configurations can predict the sensor's shape with a median tip error of 3.11 mm.
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