[发明专利]一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器

说明书

本发明公开了一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器，包括水声伦伯透镜、感声表面、压电陶瓷阵列和壳体。壳体和感声表面形成密闭防水腔体，水声伦伯透镜固定在该密闭防水腔体内；感声表面用于过渡水和水声伦伯透镜之间的阻抗差异，固定在圆柱状的水声伦伯透镜侧壁上；压电陶瓷阵列对应于感声表面设置在所述水声伦伯透镜侧壁的另一侧，用于接收外界激励信号产生超声波经过水声伦伯透镜扩散后从感声表面发射出去、并接收从感声表面接收并通过水声伦伯透镜聚焦的反射声波产生电信号传递给外界。本发明具有广视角、探测精度高、探测速度快、高信号增益的优势，能够快速准确地分辨出周围环境的障碍物，适用于水下机器人的壁障系统。

技术领域

本发明涉及水声障碍物探测领域，尤其涉及一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器。

背景技术

水下机器人在海洋科学研究、海洋开发、水下工程以及军事方面都有着广泛的应用，是近几年来探索的热点。机器人需要合理的避障装置，如在空气中工作时可以采用红外线测距等手段来识别并避开障碍物。而在水下工作时，光线往往衰减得十分迅速，这时就需要依靠超声波避障。水声避障有测距声纳和图像声纳两种，目前测距声纳应用较为广泛。但是测距声纳通常只能返回障碍物的距离信息，而方向信息是无法获取的。于是通常需要在机器人的各个方向都配置上测距声纳，根据回波信号大致判断出障碍物的位置。这种方法是十分低效与浪费资源的，并且存在较大的盲区。

伦伯透镜是一种典型的梯度折射率器件，能够将平面波完美的聚焦到一点，具有小相差，广视角和高增益的优势。并且已经广泛应用于射频领域，电磁波领域等。

中国专利CN102999050A公开了一种智能水下机器人的自主避障方法，将机器人的运动目标、障碍物和水下机器人控制性能进行统一考虑来实现避障。通过优化程序算法进行全局路径规划，通过制定避障策略来反映水下智能机器人的避障能力，提高了水下机器人的生存能力。但是没能摆脱声呐设备无法识别障碍物方向信息的缺点。

中国专利CN103529844A公开了一种基于前视声呐的水下机器人避障方法，其控制装置根据前视声呐和位姿传感器测得的数据执行避障控制策略，调整执行机构的控制量，进而调整水下机器人的位姿躲避障碍物。通过将前视声呐的图像数据引入机器人的避障策略，减小了机器人的探测盲区，提高了机器人的水下生存能力。但是该发明的避障视角仍然很窄，需要复杂的算法才能判断出障碍物的位置。

目前伦伯透镜还未应用于水声领域，原因是缺少合适的水声梯度折射率材料来实现水声伦伯透镜。本发明提议开发基于伦伯透镜的水声障碍物探测器，其具有广视角，探测精度高，探测速度快等优势。关键问题是完成水声伦伯透镜的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器。

本发明为解决所述技术问题采用以下技术方案：

一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器，包括水声伦伯透镜、感声表面、压电陶瓷阵列和壳体；

所述水声伦伯透镜呈圆柱状、由晶格阵列而成，用于对任意方向的声波聚焦、焦点在声波所对应方向的边缘上；令晶格中心到水声伦伯透镜轴线的距离为r、水声伦伯透镜的半径为R，则晶格的折射率为

所述壳体和感声表面形成密闭防水腔体；所述水声伦伯透镜固定在所述密闭防水腔体内；

所述感声表面呈弧面状，和所述水声伦伯透镜的侧壁同轴固连，用于阻抗匹配、即过渡水和水声伦伯透镜之间的阻抗差异；

所述压电陶瓷阵列对应于感声表面设置在所述水声伦伯透镜侧壁的另一侧，包含若干均匀分布且平行于水声伦伯透镜侧壁轴线的压电陶瓷片，用于接收外界激励信号产生超声波经过水声伦伯透镜扩散后从感声表面发射出去、并接收从感声表面接收并通过水声伦伯透镜聚焦的反射声波产生电信号传递给外界；