CN112068110B - 一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器 - Google Patents
一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器 Download PDFInfo
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Abstract
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。
Description
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；
所述壳体的内壁上设有吸声层，所述吸声层采用吸声材料制成，用于吸收透过压电陶瓷片的回波信号。
作为本发明一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器进一步的优化方案，所述感声表面采用低密度环氧树脂制成，并用环氧树脂胶粘接在圆柱透镜的侧面。
作为本发明一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器进一步的优化方案，所述吸声材料采用环氧树脂胶混合钨粉填充制成。
作为本发明一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器进一步的优化方案，所述感声表面覆盖水声伦伯透镜侧壁张角为180°的侧壁面，所述压电陶瓷阵列覆盖水声伦伯透镜侧壁张角为120°的侧壁面。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.从根本上解决了声纳测距系统无法给出障碍物方向信息的问题，可在一个探测周期内获得探测器前方120°张角范围内障碍物的距离和方向；
2.体积小，结构轻便，相比于多个声呐的探测系统造价低，效率高工作稳定；
3.相比于常规的测距声呐系统，具有较高的回波信号增益。
附图说明
图1是本发明一种基于伦伯透镜的水声障碍物探测器的结构爆炸示意图；
图2(1)、图2(2)分别是本发明中水声伦伯透镜晶格的结构示意图、能带结构图；
图3(1)、图3(2)分别是本发明中水声伦伯透镜和压电陶瓷阵列配合的立体图、俯视图；
图4是本发明中水声伦伯透镜的聚焦效果图；
图5(1)、图5(2)分别是本发明中水声伦伯透镜后侧周向压力分布曲线图、信号增益对比图；
图6是基于伦伯透镜的水声障碍物探测器的辐射声场图；
图7是本发明一种实施案例的测量结果图。
图中，1-感声表面，2-壳体，3-水声伦伯透镜，4-压电陶瓷阵列，5-吸声材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，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；
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；
所述壳体的内壁上设有吸声层，所述吸声层采用吸声材料制成，用于吸收透过压电陶瓷片的回波信号。
所述感声表面采用低密度环氧树脂制成，并用环氧树脂胶粘接在圆柱透镜的侧面，感声表面的声阻抗于水接近，当声波发出或者返回时，产生的反射与散射波的量很小，具有较高的声音透射率。
如图2(1)、图2(2)所示，所述水声伦伯透镜为超材料声透境，基本单元格为正六边形，这种晶格能够保证透镜各向同性的特性。中间部分为空气，边缘部分为环氧树脂材料。通过改变晶格连接臂的厚度t来获得梯度分布的折射率，以满足透镜对材料折射率的需求。以环氧树脂作为镜头材料能够进一步降低声阻抗不匹配。B点的斜率即为晶格的有效速度。晶格的晶格常数为2mm，工作中心频率为180kHz，最小的细节特征为190微米，在各个方向上表现出相同的波速。
如图3(1)、图3(2)所示，水声伦伯透镜为圆柱体，感声表面的张角是180°；压电陶瓷阵列的张角为120°。透镜有效的视角范围为120°，能够判断透镜前方120°范围内障碍物的距离与方向；压电陶瓷阵列的工作方式如下：所有阵列压电陶瓷同时发出包含5 个周期的脉冲串，脉冲串在透镜的发散作用后形成张角为120°的柱面波，波束遇到障碍物后被反射；反射信号经过感声表面被透镜聚焦到另一侧的焦点，于是回波信号被压电陶瓷接收到；通过比较陶瓷阵列接收回波信号的幅值判断障碍物的方向；通过信号收发的时间间隔计算障碍物的距离。这样能够快速判断机器人前方张角为120°的区域内的障碍物的位置信息。所述吸声层是环氧树脂与钨粉的混合物。通过环氧树脂充填钨粉的方式增加吸声层的密度和提高声阻抗。将适当配比的钨粉-环氧树脂材料填塞在透镜背部的空隙，用于吸收透过压电陶瓷片的回波信号，增强吸声能力，抑制机械品质因素，展现宽频带并改善波形。
如图4所示，中心频率为180kHz的平面脉冲波从水声伦伯透镜左侧入射，经过水声伦伯透镜后被完美聚焦到透镜对面一侧的焦点上。由于水声伦伯透镜本身是圆柱形的，所以透镜的聚焦功能与方向无关，即拥有超广的视角，能够对任意方向的平面波进行聚焦。
图5(1)中虚线代表没有透镜时接收到的信号，实现代表经透镜聚焦后的信号，可以看出，水声伦伯透镜对信号的聚焦作用很强，有着较高的增益，因此相对于一般的水声声呐设备，本发明能够感受更微弱的声压信号，即探测的距离更远。
图5(2)中能够明显看到一个宽度为0.5倍波长的焦斑，这也是本发明能够分辨障碍物方向的原因。当反射信号从不同方向反射回来时，在水声伦伯透镜的信号接受侧所对应的焦点位置不同，通过压电陶瓷片来感应声压分布梯度，因此能够分辨出障碍物的方向。
图6、图7是本发明的一个实施例，水下机器人的前方120°张角的范围内有两个障碍物，图6-7展示了本基于伦伯透镜的水下障碍物探测器的探测过程和探测结果。
如图6所示，水声障碍物探测器在探测阶段发出的波形，发射电路发出包含五个脉冲的脉冲串激励压电陶瓷，压电陶瓷阵列发出声信号，信号经过水声伦伯透镜扩散后进入水中，形成环形的波阵面，即张角为120°的柱面波。柱面波向前行进，在碰到障碍物后被反射。
如图7所示，实心图形代表障碍物的实际位置，空心虚线框图形代表通过计算得到的障碍物的位置。能够看出本发明的探测精度较高，不需要大量的计算就能直接探测出障碍物的位置，让水下工作的机器人及时做出反应。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于伦伯透镜的水下障碍物探测器，其特征在于，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；
所述壳体的内壁上设有吸声层，所述吸声层采用吸声材料制成，用于吸收透过压电陶瓷片的回波信号。
2.根据权利要求1所述的基于伦伯透镜的水下障碍物探测器，其特征在于，所述感声表面采用低密度环氧树脂制成，并用环氧树脂胶粘接在圆柱透镜的侧面。
3.根据权利要求1所述的基于伦伯透镜的水下障碍物探测器，其特征在于，所述吸声材料采用环氧树脂胶混合钨粉填充制成。
4.根据权利要求1所述的基于伦伯透镜的水下障碍物探测器，其特征在于，所述感声表面覆盖水声伦伯透镜侧壁张角为180°的侧壁面，所述压电陶瓷阵列覆盖水声伦伯透镜侧壁张角为120°的侧壁面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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