CN106564577B - 一种基于仿生侧线的多功能auv - Google Patents
一种基于仿生侧线的多功能auv Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于仿生侧线的多功能AUV，传感器焊接在PCB电路板上并嵌入载体壳体内部，前头仓、主体仓和尾部呈流线型首尾依次连接，前头仓和主体仓上呈仿生侧线均匀排布设置有传感器孔，主体仓的两侧后端设置有舵机，舵机的端部连接推进器，推进器远离前头仓的端部设置有导流罩，主体仓的末端设置有尾部，尾部设置为流线型的鱼尾结构。通过呈仿生侧线排布的传感器获取到压力数据，测速时载体正对流向能正确的估计局域流速。AUV通过感知压力梯度及变化，即可确定振动源的方向路径，从而可以实现水下定位或避障。装置小巧、成本低，提高了辨识的效率同时也可以提高水下设备的智能化，同时为流速检测、水下定位及避障提供理论和数据支持。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人设备技术领域，具体涉及一种基于仿生侧线的多功能AUV。
背景技术
侧线是在鱼类和两栖动物身上发现的重要的水动力感知器官，它能够帮助鱼类侦测和处理各种水动力情况，使用侧线系统来进行水下压力感知在鱼类行为中起着重要的作用。目前的AUV(自主式水下机器人)水下避障及定位主要通过声纳技术来进行水下物体的定位与避障，如前视声纳，侧扫声纳，合成孔径声纳。流速测量方法主要使用毕托管、热线风速仪、激光多普勒流速仪和粒子图像测速仪，其他方法均是基于这些方法的基本原理演变而来的。毕托管测速基于流体力学的能量方程，热线是利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝来测量风速，激光多普勒测速仪测速的原理是利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息。在工程化仿生侧线感知系统方面，迄今为止的研究多是偏向于侧线系统的新材料或者是高精度小量程的传感器方向。
目前水下航行器上多采用多普勒效应或声相关原理测量自身速度信息，但往往设备体积庞大且价格大且价格昂贵，在小型的水下运动体上难以应用。由于水对电磁信号的屏蔽，GPS测速等在大气中常用的手段在水下亦无法使用。毕托管只用于平均速度测量或流量测量，对总静压差的检测开始时采用液柱式微压差计，这使得速度量的测量仅局限于平均值的反映。热线探头的尺寸在毫米量级，加上支杆的影响，造成其在测量流速时空间分辨力很难得到有效的提高，限制了在局部流场和小流场测量中的应用。激光多普勒流速仪属于非接触式测量，测量直接得到的是颗粒的运动速度，而非流体速度，即存在所谓跟随性的问题，也就是说颗粒是否能随时跟随当地点流体的速度。另外对于周围流场压力变化如何影响水下机器人对流场进行识别的技术研究较少，殊不知水流速度识别对水下机器人的导航起着重要的作用。在水下定位技术方面，虽然已发展了长基线、短基线和超短基线等水下声定位系统，且均已在实际中得以应用。但由于这些系统在布设、校准和维护等方面都比较困难，费时耗资，灵活性差，不能机动，作用范围有限，无法满足水下管线铺设放样与检测定位、水下运输导航、以及高精度水下绝对定位的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的水流速度识别应用局限性的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于仿生侧线的多功能AUV，具有流速测量、水下避障及定位的功能。
本发明采取的技术方案为：
一种基于仿生侧线的多功能AUV，包括前头仓、主体仓、传感器、推进器、导流罩、舵机、尾部及螺旋叶片，所述传感器焊接在PCB电路板上并嵌入载体壳体内部，所述前头仓、主体仓和尾部呈流线型首尾依次连接，前头仓和主体仓上呈仿生侧线均匀排布设置有传感器孔，主体仓的两侧后端设置有舵机，舵机的端部连接推进器，推进器远离前头仓的端部设置有导流罩，主体仓的末端设置有尾部，尾部设置为流线型的鱼尾结构，流线型仿鱼尾的尾部有助于减少AUV的阻力。
进一步的，还包括置于载体壳体内部的单片机、无线射频模块、电池及降压模块，所述单片机通过IIC总线分别和传感器、推进器连接，单片机采集数据处理数据、控制推进器、控制舵机作用；单片机通过串口与无线射频模块连接，无线射频模块向岸上无线客户端发送及接收数据，所述单片机通过信号线与降压模块相连接，所述降压模块通过信号线与电池相连接，电池通过水密接头对内充电并控制内部总体上电，连接部分设置有O型圈，起到密封作用。
进一步的，所述主体仓设置为圆柱形舱体，主体仓的内壁设置有拱桥形的支撑架，支撑架和内壁相切处沿着支撑架安装轨迹设置有工字形卡箍，起到稳定的支撑效果，有利用稳固支撑整个身体、等间距布置传感器、放置内部电路，前头仓设置为球状结构，球状结构表面采用鳞片形结构，大大减小了主体仓正向对流半球的流线型阻力。
进一步的，所述传感器孔有5个设置在前头仓，20个均匀地布置在主体仓四侧，其中主体仓上的传感器孔每5个设置在同一平面，相邻平面间距为50mm，构成仿生侧线形结构，用于测量水环境的实时压力。
进一步的，所述传感器设置为压力传感器，压力传感器预留出的感知接头通过传感器孔与外界接触，检测灵敏度高，且保护压力传感器免受损坏，延长了使用寿命。
进一步的，所述舵机呈中空圆柱体结构且垂直于主体仓排布设置，推进器为球状推进端头和圆柱形推进体连接而成的一体式结构，推进器为AUV提供动力，舵机改变推力的方向，使机器人灵活前进后退上升下沉，舵机控制推进器与主体仓呈平行或垂直排布，推进器平行于主体仓控制AUV前进或后退，推进器垂直于主体仓控制AUV上升或下潜。
进一步的，所述导流罩设置为中空圆台体结构，内部呈环形等间距排布设置有螺旋叶片，当螺旋叶片旋转时推动水流实现推力，起到一次导流作用，螺旋叶片的表面顺时针设置有倒三角弧形导流片，起到二次导流作用，导流罩整体使推力集中，提高AUV的推进效率。
一种基于仿生侧线的多功能AUV的压力检测方法，具体包括如下步骤：
(1)通过流体仿真确定载体表面适合布置压力传感器的位置及传感器间距，确定AUV的压力迹线呈仿生侧线均匀排布，并用密封胶做密封；
(2)流速检测：AUV正向对水流水平运动，等间距布置的压力传感器所组成的侧线，检测到AUV表面动压力与静压力数据，将采集到的压力数据通过IIC总线通信技术传给内部单片机，然后通过校正算法，根据伯努利方程即求得当前流速，无线通讯模块将处理数据发送至岸上无线设备查看当前流速；
(3)水下定位或避障：AUV处于一个振动源的流体力学场中，沿着该水下机器人身体形成一个具有压力梯度的流场，等间距布置的压力传感器所组成的侧线，测量到AUV表面动压力与静压力数据，将采集到的压力数据通过IIC总线通信技术传给内部单片机，然后通过校正算法，确定振动源的位置，确定躲避振动源和捕捉振动源的方向路径，单片机的主控制器做出判断，发出相应的指令控制推进器改变水下机器人的运动方向，实现水下定位或避障，无线通讯模块将处理数据发送至岸上无线设备实时监测AUV的运动状态。
本发明的有益效果为：
本发明中的基于仿生侧线的AUV结构新颖，功能全面，整体结构采用流线型结构设计，正向对流半球的流线型减小阻力，且支撑效果稳固，推进器在导流罩的作用下使推力集中，为AUV提供充足动力，舵机调整推力的方向，使机器人灵活前进后退上升下沉，基于仿生侧线安装的压力传感器可测量水环境的实时压力，将压力数据收集并通过无线通讯模块向岸上无线客户端发送及接收数据，本发明装置小巧、成本低，提高了辨识的效率同时也可以提高水下设备的智能化，同时为流速检测、水下定位及避障提供理论和数据支持。
本发明中用于水下的基于仿生侧线的多功能AUV，首先通过流体仿真确定载体表面适合布置压力传感器的位置及传感器间距，然后通过侧线下位机的水下压力传感器得到水下机器人表面动压力与静压力，将压力数据通过校正算法，根据伯努利方程即可求得当前流速，测速时载体必须正对流向，此方法能正确的估计局域流速。当AUV处于一个振动源的流体力学场中时,沿着其身体将形成一个梯度场，然后整个AUV感知压力梯度及变化，即可确定刺激点的方向路径，从而可以实现水下定位或避障。
附图说明
图1为本发明中AUV的整体结构示意图。
图2为本发明中AUV的俯视图。
图3为本发明中AUV的正视图。
图4为本发明中AUV的侧视图。
图5为本发明中内部控制组成示意图。
其中，1、前头仓；2、主体仓；3、压力传感器；4、推进器；5、导流罩；6、舵机；7、尾部；8、螺旋叶片；9、单片机；10、降压模块；11、电池；12、无线射频模块。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
实施例1
如图1至图4所示，一种基于仿生侧线的多功能AUV，包括前头仓1、主体仓2、传感器3、推进器4、导流罩5、舵机6、尾部7和叶片8，所述前头仓1、主体仓2和尾部7呈流线型首尾依次连接，体仓设置为圆柱形舱体，前头仓1设置为球状结构，前头仓1和主体仓2上呈仿生侧线均匀排布设置有传感器孔，传感器孔有5个设置在前头仓1，20个均匀地布置在主体仓2四侧，其中主体仓2上的传感器孔每5个设置在同一平面，相邻平面间距为50mm，多个传感器3排列形成如图的仿生侧线形结构，传感器3设置为压力传感器3，压力传感器3预留出的感知接头通过传感器孔与外界接触，传感器3通过导线和主控制器连接。主体仓2的两侧后端设置有舵机6，舵机6垂直于主体仓2排布设置，且呈中空圆柱体结构，舵机6的端部连接推进器4，推进器4与主体仓2呈平行排布，其为球状推进端头和圆柱形推进体连接而成的一体式结构；推进器4远离前头仓1的端部设置有导流罩5，导流罩5设置为中空圆台体结构，内部呈环形等间距排布设置有螺旋叶片8，主体仓2的末端设置有尾部7，尾部7设置为鱼尾结构。
实施例2
本AUV装置的前进、转弯、上升下沉通过推进器4及舵机6来实现六个自由度的运动。传感器3焊接在PCB电路板上并嵌入载体壳体内部，留出感知接头与外界接触，还包括置于载体壳体内部的单片机9、降压模块、无线射频模块12及电池11，电池11通过水密接头对内充电并控制内部总体上电，连接部分通过O型圈进行水密。单片机9、无线射频模块12及电池11等置于载体内部，通过水密接头对内充电并控制内部总体上电。连接部分通过O型圈进行水密。
控制系统单片机9的主控制器采用STM32F103ZET6，传感器3采用高精度数字式压力传感器3MS5803-07BA，基于MEMS传感器3技术，通过IIC总线通信技术实现传感器3采集数据向单片机9STM32的传输，供电采用12V锂电池11，通过降压模块10输出稳定5v电压给单片机9的主控制芯片，传感器3供电电压3.3V，由单片机9电压输出引脚给出。上位机与下位机通讯采用2.4无线射频模块12UTC4332，通过串口与单片机9的主控制器通讯。
如图5所示，一种基于仿生侧线的多功能AUV的压力检测方法，首先通过流体仿真确定载体表面适合布置压力传感器3的位置及传感器3间距，然后25个传感器3分别安装在确定好的位置预留的通孔，并用密封胶做密封，当水下机器人自由在水中航行时，推进器4平行布置时AUV可实现前进和后退，当控制舵机6旋转90度即可实现AUV的上升下潜。当水下机器人机器人水平运动，正向对水流时，等间距布置在机器人前头仓1及主仓体上的压力传感器3所组成的侧线，即可得到水下机器人表面动压力与静压力数据，将采集到的压力数据通过IIC总线通信技术传给内部单片机9，然后通过校正算法，根据伯努利方程即可求得当前流速，而此时无线射频模块12可将处理数据发送至岸上无线设备查看当前流速。当AUV处于一个振动源的流体力学场中时，沿着该水下机器人身体将形成一个具有压力梯度的流场，此时等间距布置在水下机器人前头仓1及主仓体上的压力传感器3所组成的侧线可测量到水下机器人表面动压力与静压力数据，将采集到的压力数据通过IIC总线通信技术传给内部单片机9，然后通过校正算法，即可确定振动源的大体位置，然后可以大体确定躲避振动源和捕捉振动源的方向路径，然后主控制器做出判断，发出相应的指令控制推进器4改变水下机器人的运动方向，从而可以实现水下定位或避障，而无线射频模块12可将处理数据发送至岸上无线设备来实时监测AUV的运动状态。
仿生侧线系统通过感知器对环境进行感知，获得大量的测量数据，对数据进行处理与融合，提取有用的信息如流体方向与速度、自身位置信息、障碍物探测、水中深度等，利用这些信息及时对机器人进行反馈，控制机器人的运动。实现仿生系统对环境感知的研究，为水下机器人扩展感知方式，向着更高的自主性和智能化进步。
仿生侧线系统在AUV(水下机器人)上的运用，将使得水下机器人向着更高的自主化与智能化发展，具有类似真鱼般的感知能力，使其能更好地运用于军事、搜救、航海和环境监测过程中。可以预见，在不久的将来，仿生侧线系统将具有更加广阔的发展和应用前景。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于仿生侧线的多功能AUV，其特征在于，包括前头仓、主体仓、传感器、推进器、导流罩、舵机和尾部，所述传感器焊接在PCB电路板上并嵌入载体壳体内部，所述前头仓、主体仓和尾部呈流线型首尾依次连接，前头仓和主体仓上呈仿生侧线均匀排布设置有传感器孔，所述传感器孔有5个设置在前头仓，20个均匀地布置在主体仓四侧，其中主体仓上的传感器孔每5个设置在同一平面，相邻平面间距为50mm，构成仿生侧线形结构；主体仓的两侧后端设置有舵机，舵机的端部连接推进器，推进器远离前头仓的端部设置有导流罩，主体仓的尾部设置有流线型鱼尾结构。
2.根据权利要求1所述一种基于仿生侧线的多功能AUV，其特征在于，还包括置于载体壳体内部的单片机、无线射频模块、电池及降压模块，所述单片机通过IIC总线分别和传感器、推进器连接，单片机通过串口与无线射频模块连接，所述单片机通过信号线与降压模块相连接，所述降压模块通过信号线与电池相连接，电池通过水密接头对内充电并控制内部总体上电，连接部分设置有O型圈。
3.根据权利要求1所述一种基于仿生侧线的多功能AUV，其特征在于，所述主体仓设置为圆柱形舱体，前头仓设置为球状结构。
4.根据权利要求1所述一种基于仿生侧线的多功能AUV，其特征在于，所述传感器设置为压力传感器，压力传感器预留出的感知接头通过传感器孔与外界接触。
5.根据权利要求1所述一种基于仿生侧线的多功能AUV，其特征在于，所述舵机呈中空圆柱体结构且垂直于主体仓排布设置，推进器为球状推进端头和圆柱形推进体连接而成的一体式结构，舵机控制推进器与主体仓呈平行或垂直排布，推进器平行于主体仓控制AUV前进或后退，推进器垂直于主体仓控制AUV上升或下潜。
6.根据权利要求1所述一种基于仿生侧线的多功能AUV，其特征在于，所述导流罩设置为中空圆台体结构，内部呈环形等间距排布设置有螺旋叶片。
7.一种基于仿生侧线的多功能AUV的压力检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)通过流体仿真确定载体表面适合布置压力传感器的位置及传感器间距，确定AUV的压力迹线呈仿生侧线均匀排布，并用密封胶做密封；
(2)流速检测：AUV正向对水流水平运动，等间距布置的压力传感器所组成的侧线，检测到AUV表面动压力与静压力数据，将采集到的压力数据通过IIC总线通信技术传给内部单片机，然后通过校正算法，根据伯努利方程即求得当前流速，无线通讯模块将处理数据发送至岸上无线设备查看当前流速；
(3)水下定位或避障：AUV处于一个振动源的流体力学场中，沿着AUV身体形成一个具有压力梯度的流场，等间距布置的压力传感器所组成的侧线，测量到AUV表面动压力与静压力数据，将采集到的压力数据通过IIC总线通信技术传给内部单片机，然后通过校正算法，确定振动源的位置，确定躲避振动源和捕捉振动源的方向路径，单片机的主控制器做出判断，发出相应的指令控制推进器改变AUV的运动方向，实现水下定位或避障，无线通讯模块将处理数据发送至岸上无线设备实时监测AUV的运动状态。
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