[发明专利]一种感知仿生鱼体周围流场的传感器布局方法

说明书

本发明公开一种感知仿生鱼体周围流场的传感器布局方法，包括根据水下仿生鱼体自身运动特征及面临的水下环境特征，进行不同来流攻角、侧滑角、速度值下的仿生鱼体表面压力仿真；通过上述仿生鱼体表面压力仿真结果，在鱼体表面压力随速度方向的变化而变化较小的区域布置传感器，测量总压值及静压值；通过上述仿生鱼体表面压力仿真结果，在鱼体表面压差较大且随速度方向变化剧烈的区域布置传感器，测量压差值。本发明能够有效的通过测量压力信息获得航行器周围流场速度信息。

技术领域

本发明属于水下仿生航行器流场测量领域，具体涉及一种感知仿生鱼体周围流场的传感器布局方法。

背景技术

鱼类具有特殊的侧线感受系统，以分布在鱼类身体不同部位的神经丘为基础，其身体与水流产生位置变化时，可以感受和分析周围水流微小的时空动态变异，提供鱼体即时的位向和环境水动态信息，助其判断水流属性，完成摄食、避敌等复杂行为。基于这种仿生启发，提出人工侧线系统的概念，在水下航行器表面安装压力传感器，通过感知航行体表面压强的变化，推导获得流体速度、方向等流场信息。

目前，在飞行器大气数据感应方面，存在较为成熟的大气数据传感技术，如空速管、嵌入式飞行数据传感系统等，可以通过气压传感器数据获得飞行器的攻角、马赫数等数据。然而针对水下自主运动的仿生航行器，其水下流场与高速空中飞行器流场有较大区别，水下流场背压大，水流复杂多变，对传感测量与流场反演提出较高的要求，仿生传感器研制、在航行体上的布局以及流场反演等成为仿生航行器水下探测的重要研究内容。美国西北大学研究者将人造纤毛细胞感知器安装在一个圆柱体周围，来模拟侧线传感系统用于水下障碍物定位。我国谢广明教授团队以小型盒子鱼为对象研究了人工侧线系统的设计与环境感知。但是目前的仿生传感探测的研究还大多数停留在机理以及简单的实验室水洞环境应用阶段，亟需实际工程应用为背景的研究。

水下自主推进仿生航行器的仿生侧线传感器布局，关系到能否全面、有效、经济的获得航行体表面压力信息以提供流场反演基础，是通过仿生侧线方式获得流场信息的关键。

发明内容

本发明提供一种感知仿生鱼体周围流场的传感器布局方法，能够有效的通过测量压力信息获得航行器周围流场信息。

本发明包括如下步骤：

步骤一：根据水下仿生鱼体自身运动特征及面临的水下环境特征，进行不同来流攻角、侧滑角、速度值下的仿生鱼体表面压力仿真；

步骤二：通过上述仿生鱼体表面压力仿真结果，在鱼体表面压力随速度方向的变化而变化较小的区域布置传感器，测量总压值及静压值；

步骤三：通过上述仿生鱼体表面压力仿真结果，在鱼体表面压差较大且随速度方向变化剧烈的区域布置传感器，测量压差值。

进一步地，利用所述步骤二中传感器的总压值和区域静压值计算仿生鱼体与海流相对速度值：

其中ρ为水的密度。

进一步地，利用所述步骤三中压差值，以及上述仿生鱼体与海流相对速度值，通过仿真拟合出压差与速度方向的关系；所述速度方向包括攻角和侧滑角。

进一步地，水下仿生鱼体为仿须鲸形状时，鱼体表面压力随速度方向的变化而变化较小的区域为头部以及距离头部三分之二横截面处；在所述头部顶端位置布置一个传感器，在所述距离头部三分之二横截面处布置四个传感器，呈十字形。

进一步地，所述定位鱼体表面压差较大区域为对称部位，在此位置布置四个传感器，呈×字型。

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明提出的水下仿生鱼体通过测量表面压力获得流场信息的传感器布局方法，明确了传感器布置区域的压力特征：一是压力基本不随速度方向变化的区域，二是压力对速度方向最为敏感的区域。