CN106871779A - 微型水下鳍面攻角传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型水下攻角检测装置，具体提供一种微型水下鳍面攻角传感器。本发明旨在解决现有测量装置无法测量水生动物和仿水生动物的鳍面攻角的问题。所述鳍面攻角传感器能够安装在水生动物或仿水生动物的鳍上，用于实时测量水生动物或仿水生动物的鳍面攻角。所述鳍面攻角传感器包括导流片、主体舱、磁体和信息采集模块。所述导流片位于主体舱的外部，并且与所述磁体无相对转动地连接。所述磁体可转动地设置在主体舱中。另外，所述主体舱还包括对外密封的隔离舱，所述信息采集模块设置在所述隔离舱中，并且用于采集所述磁体转动引起的磁场变化以计算鳍面攻角，从而为仿水生动物的高速游动提供准确的数据信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型水下攻角检测装置，具体提供一种微型水下鳍面攻角传感器。
背景技术
20世纪90年代，美国麻省理工学院首次通过仿生金枪鱼进行了对鱼类减阻机制和推进效率的研究，从而掀开了水下仿生推进研究的序幕。随后，多种仿生机器鱼和仿生机器海豚平台相继研制成功，进一步推动了仿生推进技术的发展，仿生机器鱼和仿生机器海豚的研究也从简单的波动行为模仿转向更加高性能的行为模仿。特别地，高速度在执行任务的过程中至关重要，因此，仿生机器鱼和仿生机器海豚的高速推进备受研究人员的关注。例如，英国埃塞克斯大学Clapham和Hu等人研制的单电机仿生机器鱼的最高推进速度达到3.4BL/s(倍体长/每秒，约0.87m/s)；中科院自动化所的喻俊志等人研制的跃水机器海豚的最高推进速度达到2.85BL/s(约2.05m/s)。但是，现有的仿生机器鱼和仿生机器海豚的高速推进仍停留在优化本体驱动机构的阶段，而未考虑到本体与周围水环境的相互作用。
现代生物学研究表明，在鱼类和海豚高速游动的过程中，它们的尾鳍始终沿着一条类似于正弦曲线的轨迹摆动，这条类似于正弦曲线的轨迹称之为尾鳍弦线，尾鳍弦线与尾鳍的夹角称之为尾鳍攻角。鱼类和海豚在高速游动的过程中会实时调整尾鳍攻角以优化前推力，结合摆动翼理论可知，翼型升阻力和攻角密切相关：在有效攻角范围内，攻角越大，翼型产生的推进力越大；当攻角超过某临界值时，翼型产生的推进力开始减小，并导致失速行为。因此，合理的鳍面攻角能够有效增加推进力，提高推进速度。但是，现有测量装置中尚未出现有关鳍面攻角的测量装置，使得有关鳍面攻角的数据严重缺失，致使仿生机器鱼和仿生机器海豚无法通过感知周围水环境，优化各个鳍面的运动姿态，进而增加推进力，提高推进速度。
相应地，本领域需要一种新的微型水下鳍面攻角传感器来解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有测量装置无法测量水生动物和仿水生动物的鳍面攻角的问题，本发明提供了一种微型水下鳍面攻角传感器，该微型水下鳍面攻角传感器能安装在水生动物或仿水生动物的鳍上，用于实时测量水生动物或仿水生动物的鳍面攻角，其特征在于，所述鳍面攻角传感器包括导流片、主体舱、磁体和信息采集模块，所述导流片位于所述主体舱外部并且与所述磁体无相对转动地连接，所述磁体可转动地设置在所述主体舱中，所述主体舱包括对外密封的隔离舱，所述信息采集模块设置在所述隔离舱中并且用于采集所述磁体转动引起的磁场变化以计算鳍面攻角。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述导流片经由传动轴与所述磁体连接。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述传动轴底部设有凹槽，所述磁体固定在所述凹槽中。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述主体舱中还设置有轴承，所述传动轴通过所述轴承可旋转地设置在所述主体舱中。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述轴承是陶瓷轴承。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述主体舱上在所述磁体的区域中设置有至少一个进水孔，所述进水孔设置为，使得外部环境中的水能够迅速充满所述主体舱。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述信息采集模块包括磁传感器芯片，所述磁传感器芯片用于将所述磁体转动引起的磁场变化转变为所述导流片的角度信息。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述磁场传感器芯片是霍尔芯片。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述磁体由磁钢制成。
在上述微型水下鳍面攻角传感器的优选技术方案中，所述导流片由ABS树脂材料制成，且采用NACA-0020翼型作为翼面。
本领域技术人员能够理解的是，在本发明的技术方案中，所述鳍面攻角传感器能够安装在水生动物或仿水生动物的鳍上，用于实时测量水生动物或仿水生动物的鳍面攻角。所述鳍面攻角传感器包括导流片、主体舱、磁体和信息采集模块。所述导流片位于所述主体舱外部并且与所述磁体无相对转动地连接，所述磁体可转动地设置在所述主体舱中。所述主体舱包括对外密封的隔离舱，所述信息采集模块设置在所述隔离舱中，并且用于采集所述磁体转动引起的磁场变化以计算鳍面攻角，从而为仿水生动物的高速游动提供准确的数据信息。
附图说明
图1是本发明的微型水下鳍面攻角传感器的总体剖视图。
图2是本发明的微型水下鳍面攻角传感器的传动轴的结构示意图。
图3是本发明的微型水下鳍面攻角传感器的总体结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“配合”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，该图为本发明的微型水下鳍面攻角传感器的总体剖视图。本发明的微型水下鳍面攻角传感器能够安装在水生动物或仿水生动物的鳍上，用于实时测量水生动物或仿水生动物的鳍面攻角。以下将以测量机械海豚的鳍面攻角为例对该微型水下鳍面攻角传感器的结构和使用方式进行说明，但是本发明显然还可以用于测量其他仿水生动物或水生动物的鳍面攻角，因此不作为对本发明使用范围的限定。所述鳍面攻角传感器包括导流片3、主体舱2、传动轴7、磁体5和信息采集模块1。导流片3位于主体舱2的外部，在使用该鳍面攻角传感器测量鳍面攻角时，导流片3随着鳍面的运动，与水流方向保持一致，从而与鳍面形成夹角，所述鳍面攻角传感器能够通过测量此夹角获得鳍面攻角。磁体5可转动地设置在主体舱2中。此外，传动轴7也可转动地设置在主体舱2中，并且传动轴7的上侧与导流片3固定连接，传动轴7的下侧设置有凹槽，磁体5固定在所述凹槽中，因此，导流片3经由传动轴7与磁体5无相对转动地连接。需要说明的是，导流片3与磁体5之间的连接方式可以是直接连接，也可以通过其他元件(例如传动轴7)进行连接，即使得导流片3与磁体5之间无相对转动地连接即可。另外，主体舱2包括对外密封的隔离舱4，信息采集模块1设置在隔离舱4中。其中，信息采集模块1包括磁场传感器(图中未示出)及其相关电路(图中未示出)，并且信息采集模块1能够采集磁体5转动引起的磁场变化，进而计算出机器海豚的鳍面攻角。需要说明的是，所述微型水下鳍面攻角传感器所使用的导线优选FPC导线。
继续参阅图1，主体舱2还包括轴承安装筒8，轴承6通过轴承安装筒8固定在主体舱2中，传动轴7通过轴承6可旋转地设置在主体舱2中。需要说明的是，轴承6与传动轴7采用同轴心的装配方式，使得传动轴7通过轴承6可旋转地连接到主体舱2中。另外，隔离舱4的上侧设置有隔离板9，隔离板9的厚度设置为，使得所述磁场传感器能够准确地采集到设置在主体舱2中的磁体5引起的磁场变化信息。另外，隔离舱4的下端舱口使用防水密封胶将其密封，用于防止外部环境中的水进入到隔离舱4中。需要说明的是，所述磁场传感器芯片优选霍尔芯片，所述霍尔芯片的工作范围为2mm。本领域技术人员能够理解的是，磁体5设置为，使得磁体5旋转引起的磁场变化能够被所述磁场传感器准确地采集，优选地，磁体5由磁钢制成。
下面参阅图2，该图为本发明的微型水下鳍面攻角传感器的传动轴的结构示意图。考虑到微型轴承存在装配困难的问题，相应地，在轴承6的装配位置将传动轴7分离成两段，即将传动轴7设置为上传动轴14和下传动轴13，并且上传动轴14与下传动轴13之间采用螺丝装配的方式进行连接。其中，所述凹槽设置在下传动轴13的下侧，相应地，磁体5设置在下传动轴13的所述凹槽中。在磁体5安装到位后，使用防水密封胶将磁体5密封在下传动轴13的所述凹槽中，使得磁体5与传动轴7之间不会发生相对转动。需要说明的是，轴承6优选耐腐蚀的陶瓷轴承。上传动轴14的上侧设置有截面形状为分圆的安装轴12，导流片3与安装轴12之间采用过盈配合的安装方式，使得导流片3通过安装轴12与传动轴7相连。需要说明的是，传动轴7与磁体5以及传动轴7与导流片3之间采用不可旋转的连接方式，即导流片3的旋转运动能够通过传动轴7使得磁体5产生等效的旋转运动即可。本领域技术人员能够理解的是，尽管在本优选技术方案中传动轴7被设置为两段，但是传动轴7也可以采用其他结构，例如一体式结构。
下面参阅图3，该图为本发明的微型水下鳍面攻角传感器的总体结构示意图。如图3所示，主体舱2上设置有安装孔10，安装孔10中的内螺纹能够与螺丝(图中未示出)的外螺纹啮合，所述螺丝用于将轴承安装筒8固定在主体舱2上，从而使得轴承6固定在主体舱2中。另外，主体舱2上在磁体5的区域中设置有至少一个进水孔11，使得所述微型水下鳍面攻角传感器的内部能够快速充水，进而避免舱内充水量不稳定影响转动轴7的转动。需要说明的是，进水孔11设置为，使得外部环境中的水能够迅速充满主体舱2。
继续参阅图1，所述微型鳍面攻角传感器安装在机器海豚的鳍上，当机器海豚游动时，导流片3能够根据鳍面的不同运动姿态产生相应的旋转运动，并且通过传动轴7使得磁体5产生等效的旋转运动，磁体5的旋转运动在主体舱2中引起相应的磁场变化，此时，设置在隔离舱4中的所述磁场传感器能够采集磁体5引起的磁场变化信息。同时，设置在隔离舱4中的信息采集模块1能够将所述磁场传感器采集的磁场变化信息转化为鳍面攻角信息，然后输出，进而实现对鳍面攻角的实时测量。
最后需要说明的是，导流片3应该设置为，使得导流片3在旋转过程中受到尽可能少的阻力，优选地，导流片3采用NACA-0020翼型作为翼面，并且导流片3由轻质ABS树脂材料制成。另外，优选地，所述微型鳍面攻角传感器的高度小于30mm，导流片3的转动半径小于18mm。
至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型水下鳍面攻角传感器，所述鳍面攻角传感器能安装在水生动物或仿水生动物的鳍上，用于实时测量水生动物或仿水生动物的鳍面攻角，
其特征在于，所述鳍面攻角传感器包括导流片、主体舱、磁体和信息采集模块，所述导流片位于所述主体舱外部并且与所述磁体无相对转动地连接，所述磁体可转动地设置在所述主体舱中，所述主体舱包括对外密封的隔离舱，所述信息采集模块设置在所述隔离舱中并且用于采集所述磁体转动引起的磁场变化以计算鳍面攻角。
2.根据权利要求1所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述导流片经由传动轴与所述磁体连接。
3.根据权利要求2所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述传动轴底部设有凹槽，所述磁体固定在所述凹槽中。
4.根据权利要求2所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述主体舱中还设置有轴承，所述传动轴通过所述轴承可旋转地设置在所述主体舱中。
5.根据权利要求4所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述轴承是陶瓷轴承。
6.根据权利要求1所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述主体舱上在所述磁体的区域中设置有至少一个进水孔，所述进水孔设置为，使得外部环境中的水能够迅速充满所述主体舱。
7.根据权利要求1所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述信息采集模块包括磁传感器芯片，所述磁传感器芯片用于将所述磁体转动引起的磁场变化转变为所述导流片的角度信息。
8.根据权利要求7所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述磁传感器芯片是霍尔芯片。
9.根据权利要求1所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述磁体由磁钢制成。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的微型水下鳍面攻角传感器，其特征在于，所述导流片由ABS树脂材料制成，且采用NACA-0020翼型作为翼面。
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