CN113048974B - 一种仿生定位装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生定位装置及其使用方法，所述仿生定位装置包括：基座、处理器和设置于所述基座表面的传感器阵列，其中，所述传感器阵列与所述处理器电路连接；所述基座用于固定所述传感器阵列；所述传感器阵列为若干个蛊毛传感器以m*n的矩阵排列组成，当存在扰动信号源时，所述蛊毛传感器响应环境中的气流变化，生成感应值并发送至所述处理器；所述处理器用于获取所述感应值，并根据所述感应值计算所述扰动信号源的扰动坐标。本发明提供一种仿生定位装置，能够迅速、精准的检测定位多角度的微小气流扰动，具有灵敏度高、体积小、重量轻、柔性便携及易批量生产等优点。

Description

一种仿生定位装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种仿生定位装置及其使用方法。

背景技术

通过传感器进行定位是目前较为常见的定位手段，例如雷达就是一种常见的声学传感器，通过发出的声音信号和返回的声音信号之间的时间差，预估物品的移动以及其与己方之间的距离。然而，该过程需要实时消耗能量来感应以及发射信号，因此，在定位过程中需要较大的功耗。当基于视觉或声波的定位方法无法实施的情况下，对气流扰动源的定位具有十分重要的意义，气流定位是指通过气流的流动，定位导致气流流动的扰动信号源的位置的方式。其技术难点在于快速和高灵敏度及精确度。例如对放射性气体快速检测并定位泄漏源位置是作为保证核设施辐射安全的重要技术手段；再如提醒行走的盲人附近有快速移动的物体并进行精确定位，预警潜在的危险以避免碰撞。因此基于气体的定位方式具有更大的优势。

目前，对于气流扰动的检测定位，科研人员的目光主要聚焦在气流传感器优越的传感性能上，即通过检测气流的大小而进行粗糙的定位，一般需要解析气流传播过程中的强度、相位、时间等动态信息，计算量庞大，对微小的气流变化不敏感，定位精度较低，并且需要大量的组件和计算时间，不适宜进行实时监测以及佩戴使用。因此，如何对气流扰动源进行迅速精准的定位仍然是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种仿生定位装置及其使用方法，旨在解决现有技术中基于气体流动的定位方式繁琐复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种仿生定位装置，所述仿生定位装置包括：

基座、处理器和设置于所述基座表面的传感器阵列，其中，所述传感器阵列与所述处理器电路连接；

所述基座用于固定所述传感器阵列；

所述传感器阵列为若干个蛊毛传感器以m*n的矩阵排列组成，当存在扰动信号源时，所述蛊毛传感器响应环境中的气流变化，生成感应值并发送至所述处理器；

其中，所述传感器阵列中位于同一行的蛊毛传感器的感应平面两两相交，位于同一列的蛊毛传感器的感应平面两两平行，所述感应平面为每一个所述蛊毛传感器对扰动信号源进行感应的单一平面；

所述处理器用于获取所述感应值，并根据所述感应值计算所述扰动信号源的扰动坐标。

可选地，所述的仿生定位装置，其中，所述蛊毛传感器包括压电换能组件和动力感应组件；

所述动力感应组件，用于当存在扰动信号源时，在所述感应平面内进行运动；

所述压电换能组件，与所述基座固定连接并与所述处理器通讯连接，用于根据所述动力感应组件的运动，生成所述蛊毛传感器对应的感应值，并将所述感应值发送至所述处理器。

可选地，所述的仿生定位装置，其中，所述基座中与所述传感器阵列接触的表面为具有一定弧度的非平整面。

可选地，所述的仿生定位装置，其中，所述压电换能组件包括：

定位座和压电层，其中，所述定位座与所述基座固定连接，所述压电层与所述处理器通讯连接；

所述压电层用于根据所述动力感应组件的运动，生成所述蛊毛传感器对应的感应值，并将所述感应值发送至所述处理器。

可选地，所述的仿生定位装置，其中，所述动力感应组件包括蛊毛微杆和柔性套；

所述柔性套的中间存在长且窄的通道；

所述蛊毛微杆的两端中的固定端与所述压电层连接；

所述蛊毛微杆的两端中的活动端穿过所述通道且垂直所述压电层向上；

当存在所述扰动信号源时，所述蛊毛微杆以所述固定端为固定点，并于经过所述通道且垂直所述定位座的平面作为感应平面并进行摇摆运动。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种仿生定位装置的使用方法，其中，仿生定位装置的使用方法包括：

获取各个所述蛊毛传感器对应的感应值；

根据预设的感应阈值，确定所述蛊毛传感器中的就近传感器；

根据预设的选择规则，选择所述蛊毛传感器中的最近传感器，并将与所述最近传感器的感应平面作为标定平面；以及，

以两个所述就近传感器为一组，将所述就近传感器对应的感应平面进行相交，得到k个交线，其中，k为小于等于[N(N-1)/2]的自然数；

将所述标定平面与所述交线进行相交，得到k个交点；

计算所述交点的平均值，并将所述平均值作为所述扰动信号源的扰动坐标。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种蛊毛传感器的制作方法，其中，所述蛊毛传感器的制作方法包括：

获取绝缘晶片；

采用第一导电材料，对绝缘晶片的器件层进行镀膜，生成底部电极；

采用压电材料，对所述底部电极进行涂层，生成中间层；

采用第二导电材料，对所述中间层进行镀膜，生成顶部层；

根据预设的顶部图像，对所述顶部层进行图案化处理，生成顶部电极，并根据所述顶部图像，对所述绝缘晶片的处理层进行蚀刻，生成由绝缘晶片、底部电极、顶部电极和中间层组成的压电换能组件；

根据预设的连接位，将预设的动力感应组件与所述顶部电极进行连接，生成蛊毛传感器。

可选地，所述蛊毛传感器的制作方法，其中，所述根据预设的顶部图像，对所述顶部层进行图案化处理，生成顶部电极之后，还包括：

将所述顶部电极引出第一导线，以及将所述底部电极引出第二导线；

对所述第一导线和所述第二导线之间施加极化电压。

可选地，所述蛊毛传感器的制作方法，其中，所述动力感应组件包括蛊毛微杆和柔性套，所述根据预设的连接位，将预设的动力感应组件与所述顶部电极进行连接，生成蛊毛传感器，具体包括：

根据预设的连接位，将蛊毛微杆的两端中的固定端与所述顶部电极连接，并将蛊毛微杆两端中的活动端竖直向上，得到蛊毛传感模块；

将所述蛊毛传感模套入所述柔性套，得到蛊毛传感器。

可选地，所述蛊毛传感器的制作方法，其中，所述根据预设的连接位，将蛊毛微杆的两端中的固定端与所述顶部层连接，具体包括：

根据预设的连接位，将非导电环氧树脂滴至所述顶部电极中连接位，形成树脂滴；

将预设的蛊毛微杆的一端竖直放置于所述树脂滴上，直至所述树脂滴固化。

本发明提供一种仿生定位装置及其使用方法，仿生定位装置包括基座、处理器和设置于所述基座表面的传感器阵列，传感器阵列中的蛊毛传感器排成m*n的矩阵，而同一行的蛊毛传感器的感应平面两两平行，而同同一列的蛊毛传感器的感应平面两两相交。当存在扰动信号源时，环境中的气流会发生变化，而针对每一个蛊毛传感器都会在感应平面内活动，从而对气流变化进行响应，生成感应值。由于蛊毛传感器的排列规则和每一个蛊毛传感器的感应值，将蛊毛传感器映射到三维坐标系，根据感应值的大小，可以先估计距离扰动信号源最为接近的蛊毛传感器，同时，能够生成感应值的蛊毛传感器的摆动平面与扰动信号源的的坐标应当位于同一平面，因此，根据感应值非零的蛊毛传感器以及最为接近扰动信号源的蛊毛传感器的坐标，可估算出扰动信号源所在坐标。本发明通过仿生蝎子的传感器阵列，建立相应的数学物理模型，以精确计算气流扰动信号源的位置和方向，使仿生蛊毛传感阵列可以精确检测并定位多个角度的气流扰动信号源

附图说明

图1是螯肢的光学图像；

图2是螯肢上的蛊毛的扫描电镜图像；

图3是螯肢上的蛊毛窝的扫描电镜图像；

图4是本发明仿生定位装置的第一个结构示意图；

图5是本发明蛊毛传感器的制作方法中第一次镀膜产物的示意图；

图6是本发明蛊毛传感器的制作方法中涂层产物的示意图；

图7是本发明蛊毛传感器的制作方法中第二次镀膜产物的示意图；

图8是本发明蛊毛传感器的制作方法中图案化处理和蚀刻产物的示意图；

图9是本发明蛊毛传感器的示意图；

图10是本发明蛊毛传感器的透视图；

图11是本发明蛊毛传感器的制作方法中制作柔性套过程中中间产物的示意图；

图12是本发明蛊毛传感器的制作方法中滴加树脂的示意图；

图13是本发明蛊毛传感器的制作方法中将蛊毛微杆顶部电极连接的示意图；

图14是本发明蛊毛传感器的制作方法中牵引第一导线和第二导线的示意图；

图15是本发明仿生定位装置的第二个结构示意图；

图16是本发明仿生定位装置的使用方法中三维坐标以及平面方程表示的示意图；

图17是本发明仿生定位装置的使用方法中标定平面、扰动信号源、感应平面的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2和图3所示，蝎子身上配备着各种各样的探测感受器，能够灵敏感知周围潜在的威胁，迅速定位天敌及猎物。其螯上分布着数量众多的蛊毛感受器，使其可以感知周围空气中最轻微的扰动，甚至是蝴蝶翅膀的颤动，并编码气流扰动的空间模式，及时传导至中枢神经，对气流扰动进行成像并作出反应，这对于身长只有几厘米、视力极差、没有耳膜的它们来说堪称奇迹。蝎子螯肢上的探测感受器包括分布数量众多的微振动感受器——蛊毛，经实验证实，蛊毛的摆动具有方向选择性，当存在微弱的气流时，蛊毛仅对特定平面内来向的气流扰动产生响应，并引起与蛊毛相连接的神经元产生动作电位，根据不同的蛊毛所接收到的动作电位判断气流扰动的来源。因此，蛊毛和神经元组成的蛊毛感受器是一种既能识别信号大小又能识别信号方向的矢量传感器，其精密的分布排列模式能够将众多的蛊毛感受器联合起来，对气流扰动源进行迅速精准的定位。

所述仿生定位装置包括基座100、处理器和设置于所述基座100表面的传感器阵列200，其中，所述传感器阵列200与所述处理器电路连接。

所述基座100用于固定所述传感器阵列200。

仿生蝎子蛊毛的传感器阵列200在形状和功能上模仿沙漠蝎子螯肢上分布的蛊毛阵列，所述传感器阵列200为若干个蛊毛传感器210以m*n的矩阵排列组成，灵活地贴附在基座100表面上形成，当存在扰动信号源时，所述蛊毛传感器210响应环境中的气流变化，生成感应值并发送至所述处理器，以模仿蝎子螯肢上的蛊毛的工作流程，处理器内预先存有根据各个蛊毛传感器210的位置建立数学模型，在得到各个所述蛊毛传感器210对应的感应值后，基于数学模型，计算扰动信号源的扰动坐标。如图4所示，本实施例中的基座100为一个不规则立体结构，在实际应用中，还可采用平板结构、棒状结构等。图2中的传感器阵列200由15个传感单元组成，贴附于近圆柱载体的基座100表面，大致形成3行5列的空间排布模式。

进一步地，本实施例中的基座100中与所述传感器阵列200接触的表面为具有一定弧度的非平整面。基座100中与传感器阵列200接触的一面若为平整面，那仿生定位装置只能在二维平面内进行获取感应值，因此只能应用于单一环境；若为非平整面，例如存在一定的弧度，则可以进行三维空间内的扰动信号源进行定位。

在传感器阵列200中，每一个蛊毛传感器210都具有类似于蝎子螯肢上的蛊毛类似的特性，即仅对单一平面来向的气流扰动产生响应，本实施例中将每一个蛊毛传感器210对扰动信号源进行响应的单一平面称为感应平面。位于同一行的蛊毛传感器210的感应平面两两相交，位于同一列的蛊毛传感器210的感应平面两两平行，进一步地，本实施例中的传感器阵列200整体上的感应平面呈放射性排布，例如当定位装置静止时，将所有蛊毛传感器210的感应平面视作一根线，则整个传感器阵列200的所有线以中间的蛊毛传感器210为中心，对外呈放射性排列。该空间排布模式在功能上与沙蝎的蛊毛探测系统神似，该仿生传感阵列的定位精度取决于同一行中蛊毛传感器210摆动平面之间的夹角以及各行各列中传感单元的排布数量。一般而言夹角越小，定位的精确度越高；数量越多，定位范围越广。

为实现对扰动信号源导致的气流扰动进行响应，蛊毛传感器210包括对气流扰动进行响应并转为将气流扰动带来的动能变化转换为电能的组件。目前市面上有很多相关组件，例如压力传感器，本实施例中，包括压电换能组件和动力感应组件，当存在扰动信号源时，所述动力感应组件在所述感应平面内进行运动，从而对压电换能组件产生压力变化。随着在感应平面运动的幅度大小的变化，压电换能组件生成的感应值大小也不相同。压电换能组件类似于与蛊毛连接的神经元螯肢中的神经细胞，能够将压力转换为电信号，因此当动力感应组件活动为压电换能组件来带压力的变化时，压电换能组件会产生不同的电压或电流，将这些电压或电流的大小作为感应值。压电换能装置与所述基座100固定连接并与所述处理器通讯连接，一方面能够稳固动力感应组件，一方面在生成感应值后，将感应值发送给处理器。一般而言，当动力感应组件感应到的压力越大，压电换能组件生成的感应值越大。

进一步地，本实施例中的压电换能组件包括定位座和压电层，顾名思义，定位座用于与基座100固定，固定的方式可采用内嵌、粘连等方式。压电层能够将动力感应组件施加的压力变化转化为电能，从而生成感应值，压电层与处理器通讯连接，以将感应值发送至处理器。因此本实施例中的蛊毛传感器210其能够直接独立地将机械信号转换为电信号，使得该传感阵列在测量信号输出时，无需外接电源为传感阵列配置辅助电路，如惠斯通电桥电路等，在整体上提升了装置的便捷程度。

在本实施例中，提供了一种以压电换能组件和动力感应组件为组成结构的蛊毛传感器210，其制作过程为：

获取绝缘晶片；

采用第一导电材料，对绝缘晶片的器件层进行镀膜，生成底部电极；

采用压电换能材料，对所述底部电极进行涂层，生成中间层；

采用第二导电材料，对所述压电换能层进行镀膜，生成顶部层；

根据预设的顶部图像，对所述顶部层进行图案化处理，生成顶部电极，并根据所述顶部图像，对所述绝缘晶片的处理层进行蚀刻，生成由绝缘晶片、底部电极、顶部电极和中间层组成的压电换能组件；

根据预设的连接位，将预设的动力感应组件与所述连接位进行连接，生成蛊毛传感器210。

具体地，如图5所示，先获取绝缘晶片，本实施例中采用的绝缘晶片为基于绝缘体的硅晶片，即硅技术(Silicon On Insulator，SOI)生成的晶片，以4英寸的SOI作为绝缘晶片为例进行描述，SOI从下到上分别是硅(Si)处理层、SiO2层和Si器件层，先在SOI硅片的最上层，也就是Si器件层，使用第一导电材料进行镀膜，沉积一定厚度的导电薄层，形成底部电极，其中本实施例采用的镀膜方式为溅射镀膜，采用的第一导电材料优选为金属电极材料，沉淀下来的导电薄层为金属薄层，例如铂(Pt)薄层，本实施例得到的导电薄层厚度为300nm，此外，使用采用其他镀膜方式或其他的薄层厚度并不影响本实施例的实施。为方便后续与处理器进行连接，本实施例中，在进行镀膜的过程中，预留出焊点以方便后续连接电极引线。

在底部电极的基础上继续进行涂层，涂层材料为压电材料，从而生成中间层。如图6所示，在本实施例中，压电材料优选为聚偏氟乙烯(poly(1,1-difluoroethylene，PVDF)，PVDF是一种高分子有机硅化合物，固态的PDMS透光性良好，较低的杨氏模量使其具有较高的弹性，用PDMS柔性材料对仿生传感器进行封装，能够赋予其额外的滤波特性。因此由PVDF作为压电材料，能够使压电层具有极高的灵敏度，能够探测到细微的应力变化，当拉伸或弯曲压电层时，其上下表面电极之间会产生同形变成比例的电信号，将机械能转化为电能；其弹性模量在2400-2600MPa之间，非常柔软，并且极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动，是制造仿生神经元的理想材料。本实施例中的中间层的厚度为3um。

然后再采用第二导电材料对中间层进行镀膜，生成顶部层。此过程的镀膜方式可采用与上述采用第一导电材料进行镀膜的方式和材料相同，也可以不同。如图7所示，本实施例中的第二导电材料优选为金属电极材料，例如金(Au)，形成的金属薄层的厚度为150nm。

预先设置一个顶部图像，再根据顶部图像对顶部层进行图案化处理，生成顶部电极，如图8所示，在本实施例中，顶部图像为圆形。图案化处理是指对顶部层进行剥脱，使最终顶部层的图像与顶部图像相同。同时，根据顶部图像，本实施例中即圆形，对所述绝缘晶片的处理层进行蚀刻，从中间挖空一个与顶部图像相同立体结构的空腔，本实施例中即圆柱体。其中，所述空腔的位置与所述顶部电极的位置相对应，即在这个结构的垂直面上，两者是重叠的。蚀刻采用的工艺可以选用深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)工艺。由绝缘晶片的器件层、底部电极、顶部电极和中间层这几个组分即组成了本实施例中的压电换能组件。后续还将在SOI硅片的处理层上与底部电极预留的引线焊点以外的边缘部分也刻蚀掉，然后将得到的结构从晶圆中分离出来。

最后，基于预设的连接位，将预先设置好的动力组件与顶部电极进行连接，从而生成蛊毛传感器210。本实施例中的动力感应组件可采用具备长且窄侧面的片状结构的活动组件。当气流运动方向与活动组件的片面部分平行，则活动组件不会发生运动变化；当气流运动方向与活动组件的片面部分垂直或相交，则活动组件会发生一定运动，从而对压电换能组件带来压力变化。因此，直接将该片状结构的活动组件基于连接位与动力组件连接即可生成蛊毛传感器210。

进一步地，动力感应组件还可采用蛊毛微杆211和柔性套212的结合方式。如图9和图10所示，柔性套212用于包含上述顶部电极的晶片和蛊毛进行封装，所述柔性套212的中间存在长且窄的通道，从而将蛊毛微杆211的摆动限制在单一平面内，即仅对感应平面内的气流扰动产生响应。

蛊毛微杆211采用刚性材料构成，本实施例中选用的刚性材料为玻璃纤维，玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高等优点，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成，其弹性模量在70-200GPa左右，具有强度高质量轻的特点，是制造仿生蛊毛微杆211的理想材料；

玻璃纤维材料的弹性模量是压电薄膜材料弹性模量的35-80倍，赋予了仿生气流传感单元极高的灵敏度。所述蛊毛微杆211有两端，本实施例中将其与压电换能组件连接的一端称为固定端，所述蛊毛微杆211的两端中的固定端与所述压电层连接，而另一端收到气流流动能够进行活动，因此称为活动端，活动端穿过所述通道且垂直所述压电层向上。因此当存在所述扰动信号源时，所述蛊毛微杆211以所述固定端为固定点，并于经过所述通道且垂直所述定位座的平面作为感应平面并进行摇摆运动。用柔性套212封装后的蛊毛传感器210是一种既能识别信号大小又能识别信号方向的矢量传感器，每个蛊毛传感器210具有其各自对应的感应平面，即每个传感单元仅对单一平面内的扰动气流有响应，且仿生传感阵列中每个传感单元具有相等的灵敏度。

如图11所示，本实施例中的柔性套212的组成成分弹塑性材料，优选为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)，因此采用PDMS成型工艺制作柔性套212，首先通过快速成型工艺制造具有与所需结构相反的模具，然后将充分混合和脱气的PDMS溶液倒入模具内浇注，在室温下自行干燥48小时，最后将PDMS材质的柔性套212从模具中剥离。

因此，将蛊毛微杆211和柔性套212组成的动力感应组件与压电换能组件之间的连接过程为以顶部电极的中心为连接位进行描述，根据预设的连接位，将蛊毛微杆211的两端中的固定端与所述顶部层连接，并将蛊毛微杆211两端中的活动端竖直向上，得到蛊毛传感模块，然后将所述蛊毛传感模块套入所述柔性套212，将两者进行固化，从而得到蛊毛传感器210。

如图12和图13所示，在将固定端和顶部电极连接的过程中，本实施例优选采用树脂对两者的连接进行固化。先将微量移液器连接到精确的X–Y–Z位置控制器，并将连接位作风为微量移液器的滴液的位置。然后控制微量移液器将树脂滴加在连接位。本实施例采用的树脂为EPO-TEK-H70E非导电环氧树脂。然后将蛊毛微杆211，即玻璃纤维材料的原丝，用微型镊子夹紧，通过高速摄像机监测玻璃纤维材料的原丝尖端的运动，仔细调整定位，放置在顶部电极的环氧树脂微滴上；并将传感器在55℃下热处理12小时，使环氧树脂固化，使玻璃纤维原丝和压电换能组件之间形成牢固的结合。

进一步地，如图14所示，得到顶部电极后，将所述顶部电极引出第一导线，以及将所述底部电极引出第二导线，然后对第一导线和第二导线之间施加极化电压，以对传感器进行极化，本实施里针对压电材料PVDF，采用的极化电压为30V的直流电压，施加电压后干燥20分钟，同时使PVDF膜片具备更高的压电性能。

进一步地，如图15所示，本实施例中的处理器可以包括信号采集模块、处理电路及显示终端，信号采集模块与处理电路连接，处理电路与显示终端连接，信号采集模块直接与蛊毛传感器210连接，用于采集蛊毛传感器210生成的感应值，而处理电路用于根据得到的感应值，计算扰动信号源的位置坐标，即扰动坐标，而显示终端则用于显示计算得到的扰动坐标。此外还可外接报警模块，当存在扰动信号源时，通过报警提示用户。

基于上述的仿生定位装置，本发明还提供一种上述仿生定位装置的使用方法。该方法包括：

获取各个所述蛊毛传感器对应的感应值；

根据预设的感应阈值，确定所述蛊毛传感器中的就近传感器；

根据预设的选择规则，选择所述蛊毛传感器中的最近传感器，并将与所述最近传感器的感应平面作为标定平面；以及，

以两个所述就近传感器为一组，将所述就近传感器对应的感应平面进行相交，得到k个交线，其中，k为小于等于[N(N-1)/2]的自然数；

将所述标定平面与所述交线进行相交，得到k个交点；

计算所述交点的平均值，并将所述平均值作为所述扰动信号源的扰动坐标。

具体地，本实施例对仿生蝎子蛊毛的传感器阵列，建立相应的数学物理模型，以精确计算气流扰动源的位置和方向。将该仿生定位装置置于微流场环境中，当存在扰动信号源时，气流扰动的方向在某些蛊毛传感器的响应平面内时，这些蛊毛传感器的蛊毛微杆，例如上述的玻璃纤维，迅速摆动，从而带动压电层产生应变，将机械能转换为电压信号，电压信号通过蛊毛传感器与处理器之间的通讯连接发送至处理器，例如通过压电层中的顶部电极和底部电极的引线输出至处理器。这些蛊毛传感器的感应平面间相交能够确定气流扰动源的水平位置，而感应平面内，气流的扰动信号源也有多种可能，其中与感应平面垂直方向的气流扰动会使其产生更强烈的摆动，从而生成更大的感应值。

先实时获取每一个蛊毛传感器对应的感应值，由于蛊毛传感器也可能会对正常的气流波动进行响应，因此本实施例中，预先设置以感应阈值，以将正常气流波动导致的响应和扰动信号源所引起的响应进行区分。将每一个感应值与感应值阈值进行比较，判定出距气流扰动源较近的蛊毛传感器的就近区域，将大于该感应值阈值的感应值所对应的蛊毛传感器作为就近传感器，为方便说明，将该就近区域命名为Q，该区域内的就近传感器分别为Q_{i＝1、2、3…N}，将每一个蛊毛传感器各自的感应平面记为K′_{i＝1、2、3…N}，即Q_i的感应平面为K′_i，同时将与蛊毛传感器的感应平面垂直的平面记为K_i。任选感应平面中的两个互不平行或不重合的平面，相交会得到k个交线L_{i＝1、2、3…k}，k≤N(N-1)/2，其中N为所述就近传感器的数量。

根据预设的选择规则，选择蛊毛传感器中的最近传感器。在本实施例中，选择规则主要为确认扰动信号源的数量以及与扰动信号源最为接近的蛊毛传感器。当扰动信号源为一个时，则在就近区域中只存在最大的感应值，且以最大值为中心，周边的蛊毛传感器的感应值逐级递减，若满足该条件，则将就近传感器中的感应值最大的蛊毛传感器作为最近传感器。当扰动信号源为多个时，则在就近区域内存在若干个较大的感应值，且这些较大的感应值对应的蛊毛传感器之间存在感应值较低的蛊毛传感器，例如存在两个蛊毛传感器的感应值都比周边的蛊毛传感器的感应值大，则将这两个蛊毛传感器作为最近传感器。由于存在一个扰动信号源和存在多个扰动信号源的计算方式相同，本实施例以仅存一个扰动信号源为例进行说明，将具有最强输出电压的蛊毛传感器记为Q_imax，即最近传感器，因此，与所述最近传感器的感应平面即K_imax，将K_imax作为标定平面。

最后将标定平面K_imax与上述的k条交线进行相交，得到k个交点，计算这些交点的平均值，并将平均值作为距该就近区域最近的扰动信号源的位置坐标，即扰动坐标。

为说明计算原理和具体过程，如图16和图17所示，以数学模型的形式进行具体的计算过程的描述。其中，图17中的a、b、c和d为就近传感器，b为最近传感器，平面m为就近传感器a-c的感应平面，平面n为就近传感器d的感应平面，平面q为标定平面，扰动源p即扰动信号源。预先设定一个空间坐标系，空间坐标系中包括原点和x轴、v轴以及z轴。因此，每一个蛊毛传感器都可以在该空间坐标系中找到对应的坐标，本实施例中，蛊毛传感器Q_i的坐标以传感器的基座的中心确定，记为(x_i，y_i，z_i)，蛊毛传感器Q_i的基座所在平面K_i与XOY水平面间的夹角为θ_i，XOY水平面的方程为z＝0。本实施例中，其中第二行的蛊毛传感器，其基座平面与XOY平面平行，第一、三行蛊毛传感器的基座平面与XOY平面之间夹角为±30°；同一行上的相邻的蛊毛传感器，感应平面间夹角为30°，并依次排布呈放射模式；即同一列上的蛊毛传感器仅对同一来向的气流扰动产生响应，，而同一行上的蛊毛传感器能够分别响应多个来向的气流扰动。

蛊毛传感器Q_i的感应平面K′_i的方程为：A′_ix+B′_iy+C′_iz+D′_i＝0，因此与感应平面K′_i垂直的基座平面K_i的方程为A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0。

将Q_i坐标代入后得：A_ix_i+B_iy_i+C_iz_i+D_i＝0，因为K_i与K′_i垂直，所以A_iA′_i+B_iB′_i+C_iC′_i＝0，其中参数A_i、A′_i、B_i、B′_i、C_i、C′_i、D_i、D′_i，是描述感应平面或与感应平面垂直的基座平面的空间特征的常数，i＝1、2、3…N。因此平面K_i的方程式可由下列(1)、(2)、(3)式联立求得：

(1)

(2)A_iA′_i+B_iB′_i+C_iC′_i＝0，i＝1、2、3…N；

(3)A_ix_i+B_iy_i+C_iz_i+D_i＝0，i＝1、2、3…N；

在就近区域内，任选两个互不平行或不重合的感应平面，相交会得到k个交线L_{i＝1、2、3…k}，k≤N(N-1)/2，由下列(4)、(5)式联立求得，其中1≤p，q≤N，p＜q：

(4)A′_px+B′_py+C′_pz+D′_p＝0；

(5)A′_qx+B′_qy+C′_qz+D′_q＝0；

通过检测确定的Q_imax，通过(1)、(2)、(3)式联立求得：

(6)A_imaxx+B_imaxy+C_imaxz+D_imax＝0；

公式(6)即最近传感器的基座平面，也就是标定平面的公式，将公式(6)与公式(4)、(5)式联立求得的k个交线L_{i＝1、2、3…m}相交，得到k个交点，这些交点坐标取平均值后，记为距该区域最近的气流扰动源的位置坐标，其中参数x_i、y_i、z_i、θ_i、A′_i、B′_i、C′_i、D′_i的值均为已知，i＝1、2、3…N。

基于本发明提供的仿生定位装置和使用方法，能够实时监测并定位环境中微小的气流扰动，该仿生定位装置中的传感阵列由m*n个蛊毛传感器构成，在大幅提升装置传感性能的同时，又使其具备良好的灵活性；基于这种传感器阵列，无需大范围布置传感器，通过建立的数学物理模型，即可获得准确的矢量信息；传统视觉定位系统受限时，工程化的传感器阵列可以精确检测并定位多个角度的气流扰动信号源，而无需解析气流传播过程中包含的强度、相位、时间等动态信息，大大降低了传统气流源定位的复杂度；具有灵敏度高、响应时间短、柔性便携等优点，相比基于激光或声波式的多普勒传感定位系统而言，较低的成本使得本发明在对周围环境气流的智能监测、机器人及可穿戴电子领域具有一定的应用价值。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生定位装置，其特征在于，所述仿生定位装置包括：

基座、处理器和设置于所述基座表面的传感器阵列，其中，所述传感器阵列与所述处理器电路连接；

所述基座用于固定所述传感器阵列；

所述传感器阵列为若干个蛊毛传感器以m*n的矩阵排列组成，当存在扰动信号源时，所述蛊毛传感器响应环境中的气流变化，生成感应值并发送至所述处理器；

其中，所述传感器阵列中位于同一行的蛊毛传感器的感应平面两两相交，位于同一列的蛊毛传感器的感应平面两两平行，所述感应平面为每一个所述蛊毛传感器对扰动信号源进行感应的单一平面；

所述处理器用于获取所述感应值，并根据所述感应值计算所述扰动信号源的扰动坐标。

2.根据权利要求1所述的仿生定位装置，其特征在于，所述蛊毛传感器包括压电换能组件和动力感应组件；

所述动力感应组件，用于当存在扰动信号源时，在所述感应平面内进行运动；

所述压电换能组件，与所述基座固定连接并与所述处理器通讯连接，用于根据所述动力感应组件的运动，生成所述蛊毛传感器对应的感应值，并将所述感应值发送至所述处理器。

3.根据权利要求1所述的仿生定位装置，其特征在于，所述基座中与所述传感器阵列接触的表面为具有一定弧度的非平整面。

4.根据权利要求2所述的仿生定位装置，其特征在于，所述压电换能组件包括：

定位座和压电层，其中，所述定位座与所述基座固定连接，所述压电层与所述处理器通讯连接；

所述压电层用于根据所述动力感应组件的运动，生成所述蛊毛传感器对应的感应值，并将所述感应值发送至所述处理器。

5.根据权利要求4所述的仿生定位装置，其特征在于，所述动力感应组件包括蛊毛微杆和柔性套；

所述柔性套的中间存在长且窄的通道；

所述蛊毛微杆的两端中的固定端与所述压电层连接；

所述蛊毛微杆的两端中的活动端穿过所述通道且垂直所述压电层向上；

当存在所述扰动信号源时，所述蛊毛微杆以所述固定端为固定点，并于经过所述通道且垂直所述定位座的平面作为感应平面并进行摇摆运动。

6.一种基于所述权利要求1-5中任意一项仿生定位装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：

获取各个所述蛊毛传感器对应的感应值；

根据预设的感应阈值，确定所述蛊毛传感器中的就近传感器；

根据预设的选择规则，选择所述蛊毛传感器中的最近传感器，并将与所述最近传感器的感应平面作为标定平面；以及，

以两个所述就近传感器为一组，将所述就近传感器对应的感应平面进行相交，得到k个交线，其中，k为小于等于[N(N-1)/2]的自然数；

将所述标定平面与所述交线进行相交，得到k个交点；

计算所述交点的平均值，并将所述平均值作为所述扰动信号源的扰动坐标。

7.一种蛊毛传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

获取绝缘晶片；

采用第一导电材料，对绝缘晶片的器件层进行镀膜，生成底部电极；

采用压电材料，对所述底部电极进行涂层，生成中间层；

采用第二导电材料，对所述中间层进行镀膜，生成顶部层；

根据预设的顶部图像，对所述顶部层进行图案化处理，生成顶部电极，并根据所述顶部图像，对所述绝缘晶片的处理层进行蚀刻，生成由绝缘晶片、底部电极、顶部电极和中间层组成的压电换能组件；

根据预设的连接位，将预设的动力感应组件与所述顶部电极进行连接，生成蛊毛传感器；

所述预设的动力感应组件包括蛊毛微杆和柔性套，所述柔性套的中间存在长且窄的通道，将蛊毛微杆的摆动限制在单一平面内；

根据预设的连接位，将预设的动力感应组件与所述顶部电极进行连接，生成蛊毛传感器，包括：

所述预设的连接位为顶部电极的中心，根据所述预设的连接位，将蛊毛微杆的两端中的固定端与所述顶部层连接，并将蛊毛微杆两端中的活动端竖直向上，得到蛊毛传感模块，将所述蛊毛传感模块套入所述柔性套进行固化，生成蛊毛传感器。

8.根据权利要求7所述的蛊毛传感器的制作方法，其特征在于，所述根据预设的顶部图像，对所述顶部层进行图案化处理，生成顶部电极之后，还包括：

将所述顶部电极引出第一导线，以及将所述底部电极引出第二导线；

对所述第一导线和所述第二导线之间施加极化电压。

9.根据权利要求7所述的蛊毛传感器的制作方法，其特征在于，所述动力感应组件包括蛊毛微杆和柔性套，所述根据预设的连接位，将预设的动力感应组件与所述顶部电极进行连接，生成蛊毛传感器，具体包括：

根据预设的连接位，将蛊毛微杆的两端中的固定端与所述顶部电极连接，并将蛊毛微杆两端中的活动端竖直向上，得到蛊毛传感模块；

将所述蛊毛传感模套入所述柔性套，得到蛊毛传感器。

10.根据权利要求9所述的蛊毛传感器的制作方法，其特征在于，所述根据预设的连接位，将蛊毛微杆的两端中的固定端与所述顶部层连接，具体包括：

根据预设的连接位，将非导电环氧树脂滴至所述顶部电极中连接位，形成树脂滴；

将预设的蛊毛微杆的一端竖直放置于所述树脂滴上，直至所述树脂滴固化。