[發明專利]一種感知仿生魚體周圍流場的傳感器布局方法

有效

• 申請號: 201910982620.2
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110763428B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 劉樂華;于嫻嫻;王海斌;楊曉光;張紀華;王亞東
• 申請（專利權）人: 北京機電工程研究所
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種感知仿生魚體周圍流場的傳感器布局方法，包括根據水下仿生魚體自身運動特征及面臨的水下環境特征，進行不同來流攻角、側滑角、速度值下的仿生魚體表面壓力仿真；通過上述仿生魚體表面壓力仿真結果，在魚體表面壓力隨速度方向的變化而變化較小的區域布置傳感器，測量總壓值及靜壓值；通過上述仿生魚體表面壓力仿真結果，在魚體表面壓差較大且隨速度方向變化劇烈的區域布置傳感器，測量壓差值。本發明能夠有效的通過測量壓力信息獲得航行器周圍流場速度信息。

技術領域

本發明屬于水下仿生航行器流場測量領域，具體涉及一種感知仿生魚體周圍流場的傳感器布局方法。

背景技術

魚類具有特殊的側線感受系統，以分布在魚類身體不同部位的神經丘為基礎，其身體與水流產生位置變化時，可以感受和分析周圍水流微小的時空動態變異，提供魚體即時的位向和環境水動態信息，助其判斷水流屬性，完成攝食、避敵等復雜行為。基于這種仿生啟發，提出人工側線系統的概念，在水下航行器表面安裝壓力傳感器，通過感知航行體表面壓強的變化，推導獲得流體速度、方向等流場信息。

目前，在飛行器大氣數據感應方面，存在較為成熟的大氣數據傳感技術，如空速管、嵌入式飛行數據傳感系統等，可以通過氣壓傳感器數據獲得飛行器的攻角、馬赫數等數據。然而針對水下自主運動的仿生航行器，其水下流場與高速空中飛行器流場有較大區別，水下流場背壓大，水流復雜多變，對傳感測量與流場反演提出較高的要求，仿生傳感器研制、在航行體上的布局以及流場反演等成為仿生航行器水下探測的重要研究內容。美國西北大學研究者將人造纖毛細胞感知器安裝在一個圓柱體周圍，來模擬側線傳感系統用于水下障礙物定位。我國謝廣明教授團隊以小型盒子魚為對象研究了人工側線系統的設計與環境感知。但是目前的仿生傳感探測的研究還大多數停留在機理以及簡單的實驗室水洞環境應用階段，亟需實際工程應用為背景的研究。

水下自主推進仿生航行器的仿生側線傳感器布局，關系到能否全面、有效、經濟的獲得航行體表面壓力信息以提供流場反演基礎，是通過仿生側線方式獲得流場信息的關鍵。

發明內容

本發明提供一種感知仿生魚體周圍流場的傳感器布局方法，能夠有效的通過測量壓力信息獲得航行器周圍流場信息。

本發明包括如下步驟：

步驟一：根據水下仿生魚體自身運動特征及面臨的水下環境特征，進行不同來流攻角、側滑角、速度值下的仿生魚體表面壓力仿真；

步驟二：通過上述仿生魚體表面壓力仿真結果，在魚體表面壓力隨速度方向的變化而變化較小的區域布置傳感器，測量總壓值及靜壓值；

步驟三：通過上述仿生魚體表面壓力仿真結果，在魚體表面壓差較大且隨速度方向變化劇烈的區域布置傳感器，測量壓差值。

進一步地，利用所述步驟二中傳感器的總壓值和區域靜壓值計算仿生魚體與海流相對速度值：

其中ρ為水的密度。

進一步地，利用所述步驟三中壓差值，以及上述仿生魚體與海流相對速度值，通過仿真擬合出壓差與速度方向的關系；所述速度方向包括攻角和側滑角。

進一步地，水下仿生魚體為仿須鯨形狀時，魚體表面壓力隨速度方向的變化而變化較小的區域為頭部以及距離頭部三分之二橫截面處；在所述頭部頂端位置布置一個傳感器，在所述距離頭部三分之二橫截面處布置四個傳感器，呈十字形。

進一步地，所述定位魚體表面壓差較大區域為對稱部位，在此位置布置四個傳感器，呈×字型。

本發明相對現有技術的有益效果：

本發明提出的水下仿生魚體通過測量表面壓力獲得流場信息的傳感器布局方法，明確了傳感器布置區域的壓力特征：一是壓力基本不隨速度方向變化的區域，二是壓力對速度方向最為敏感的區域。