CN117775235A - 一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下航行器尾迹流探测技术领域，公开了一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人。该仿生水母机器人由软体水母机器人本体与柔性压力传感器组成。当水下航行器进行水下运动时，其尾部螺旋桨会产生尾迹流，水下航行器在仿生水母机器人运动范围内时，柔性压力传感器实现将尾迹流产生的压力信号转换为柔性传感器的微小形变，引起柔性传感器的电阻变化，将压力信号转变为电信号，根据压力与柔性传感器电阻的线性关系分析得出压力值，实现对水下航行器尾迹流的探测，从而实现对水下航行器运动轨迹的监测。本发明可以实现高量程的压力范围和力电良好的线性度，且相比于传统的监测设备，具有小型化、高隐蔽性、动态监测等特点。

Description

一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人

技术领域

本发明属于水下航行器尾迹流探测技术领域，具体涉及一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人。

背景技术

近年来，水下航行器监测技术发展的一个重要趋势是朝着无人、自主、高精度方向发展，尤其是随着多模感知传感器的迅猛发展，水下航行器监测设备受到了广泛关注。目前市面上的水下航行器监测设备大多以靶向式为主，通过对水下航行器尾迹流探测，以实现对水下航行器运动轨迹的监测。

然而，传统的水下航行器监测设备存在以下问题：1.监测设备体积较大，这给监测设备的运输和部署带来了一定的困难，增加了任务的复杂性和成本，且较大的体积易被水下航行器反监测。2.传统的水下航行器监测设备需要在固定位置进行监测，检测范围受限，无法实现全面监测。

综上，传统的靶向式水下航行器监测设备体积大，监测范围小。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人，该机器人具有小型化、高隐蔽性及可动态监测的特点。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人，由软体水母机器人本体以及柔性压力传感器组成；

软体水母机器人本体包括控制仓、主控单元、伞状柔性层以及柔性驱动臂；控制仓设置于伞状柔性层的中心处，主控单元位于控制仓内；

主控单元包括主控芯片、数据存储芯片以及柔性驱动臂驱动单元；其中，数据存储芯片以及柔性驱动臂驱动单元分别与主控芯片相连；

柔性驱动臂有多组；各组柔性驱动臂均位于伞状柔性层的背侧，且与伞状柔性层连接为一体；柔性驱动臂通过导线连接至柔性驱动臂驱动单元上；

柔性压力传感器位于控制仓的正侧表面，且与所述主控芯片相连；其中，所述控制仓以及柔性压力传感器通过结构填充材料进行封装。

此外，本发明还提出了一种水下航行器尾迹流探测方法，其采用如上所述的用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人。具体探测步骤如下：

当水下航行器进行水下运动时，水下航行器尾部螺旋桨会产生具有一定规律的尾迹流，水下航行器在仿生水母机器人运动范围内时，柔性压力传感器实现将尾迹流产生的压力信号转换为柔性压力传感器的微小形变，从而引起柔性压力传感器的电阻变化，将压力信号转变为电信号，根据压力与柔性压力传感器电阻的线性关系，分析得出压力值，实现对水下航行器尾迹流的探测，从而实现对水下航行器运动轨迹的监测。

本发明的有益效果如下：

如上所述，本发明述及了一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人，该仿生水母机器人由软体水母机器人本体与柔性压力传感器组成，仿生水母机器人在一定的范围内进行固定轨迹运动，通过将柔性压力传感器覆盖仿生水母机器人的中心位置(即头部中心位置)，当水下航行器进行水下运动时，其尾部螺旋桨会产生具有一定规律的尾迹流，水下航行器在仿生水母机器人运动范围内时，柔性压力传感器实现将尾迹流产生的压力信号转换为柔性传感器的微小形变，从而引起柔性传感器的电阻变化，将压力信号转变为电信号，根据压力与柔性传感器电阻的线性关系，分析得出压力值，实现对水下航行器尾迹流的探测，从而实现对水下航行器运动轨迹的监测。本发明可以实现高量程的压力范围和力电良好的线性度，且相比于传统的靶向式的监测设备，本发明具有小型化、高隐蔽性、动态监测等特点。

附图说明

图1为本发明实施例中仿生水母机器人的(正侧)结构示意图。

图2为本发明实施例中仿生水母机器人的(背侧)结构示意图。

图3为图1中仿生水母机器人的侧示图(图中未展示柔性压力传感器)。

图4为本发明实施例中仿生水母机器人的(正侧)结构示意图；其中，图中去除了伞状柔性层以及控制仓盖结构。

图5为本发明实施例中控制仓仓体的结构示意图。

图6为本发明实施例中柔性驱动臂的结构示意图。

图7为本发明实施例中柔性驱动臂(去除封装层后)的结构示意图。

图8为本发明实施例中仿生水母机器人的电气连接框图。

图9为本发明中柔性压力传感器的具体结构图。

图10为本发明中柔性压力传感器电极层图。

图11为本发明中柔性压力传感器工作原理图。

其中，1-软体水母机器人本体，2-柔性压力传感器，3-控制仓，4-伞状柔性层，5-柔性驱动臂，6-主控芯片，7-数据存储芯片，8-柔性驱动臂驱动单元，9-控制仓仓体，10-卡槽，11-内部板架，12-定位芯片；

13-PCB板，14-SMA丝，15-弹簧钢，16-结构填充材料，17、18-电极层，19、20-绝缘层，21、22-敏感层，23-传感阵列点，24-控制仓盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例1述及了一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人，该仿生水母机器人通过携带柔性压力传感器，可以优化水下航行器监测设备的体积大小，同时可实现动态监测，因而有良好的压力线性度。

如图1至图3所示，本实施例中用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人，由软体水母机器人本体1以及柔性压力传感器2(其中，柔性压力传感器2只是示例性的，实际上其外层均由PDMS层进行封装)组成。

软体水母机器人本体1包括控制仓3、主控单元、伞状柔性层4以及柔性驱动臂5；控制仓3设置于伞状柔性层4的中心处，主控单元位于控制仓3内。

如图8所示，主控单元包括主控芯片6、数据存储芯片7以及柔性驱动臂驱动单元8。主控芯片6例如采用STM32单片机。

数据存储芯片7以及柔性驱动臂驱动单元8分别与主控芯片6相连。

柔性驱动臂5例如有六组，如图4所示。

各组柔性驱动臂5均位于伞状柔性层4的背侧，且与伞状柔性层4连接为一体，柔性驱动臂5例如可以通过防水强力胶粘在伞状柔性层4表面。

柔性驱动臂5通过导线连接至柔性驱动臂驱动单元8上。

柔性驱动臂驱动单元8由一组MOS管搭配外围电路构成，用于接收主控芯片6控制信号，进而控制外接电源施加在柔性驱动臂5上的电压。

如图2所示，各组柔性驱动臂5的内端均连接至控制仓3处，各组柔性驱动臂分别沿伞状柔性层的径向方向，向伞状柔性层4的边缘位置伸展。

由任意相邻两组柔性驱动臂5的延长线所确定的圆心角均相同。

例如，在本实施例中图2中展示的柔性驱动臂5有六组，因此，任意相邻两组柔性驱动臂5延长线对应的圆形角均为360°÷6＝60°

此种设置可保证柔性驱动臂5在伞状柔性层上的均匀布置。

当然，本实施例中的柔性驱动臂5并不局限于六组，例如还可以是四组、八组、十组或十二组等等，可以根据需要合理设计，不再赘述。

如图3至图5所示，控制仓3包括控制仓仓体9以及控制仓盖24。在控制仓仓体9的开口端，沿其周向方向设有多个卡槽10。

其中，卡槽10的数量与柔性驱动臂5的数量一致，在图5中，例如有六个，每个柔性驱动臂5的端部对应安装于一个卡槽10内。

柔性驱动臂5的端部，例如通过防水强力胶粘在卡槽10内实现固定。

此外，在控制仓仓体9的内部设有内部板架11，如图4所示，该内部板架将控制仓体隔成两块空间，主控单元安装于内部板架11的正侧表面上。

在内部板架11的背侧空间留有电池放置区域，用于放置电池。

柔性驱动臂5通过下部电池供电，通过主控单元控制电池供电，供电时驱动器弯曲，无电时驱动器恢复，驱动器的连续形变带动伞状柔性层4扇动，为仿生水母机器人提供动力，以实现水下位置自定义。

此外，主控单元还包括定位芯片12，定位芯片位于控制仓3内。

定位芯片12例如采用北斗定位芯片。任务完成后，机器人通过预规划路径回到海面，采用定位芯片确定机器人位置并回收以获取数据。

柔性压力传感器2位于控制仓3的正侧表面，且与主控芯片6相连；其中，控制仓3以及柔性压力传感器2通过结构填充材料进行封装。

本实施例中结构填充材料优选聚二甲基硅氧烷，即PDMS。

如图6和图7所示，柔性驱动臂5为长条形，其是由形状记忆合金(SMA)加工而成的。具体的，该柔性驱动臂5包括PCB板13、SMA丝14、弹簧钢15以及结构填充材料16。PCB板13有两个，且为相对设置，如图7所示。

SMA丝14至少有一组，且位于两个PCB13之间，PCB板用于为SMA丝通电以及固定SMA丝，PCB板与SMA丝通过结构填充材料进行整体封装。

弹簧钢15位于PCB板与SMA丝的整体封装结构外侧，其例如使用防水胶粘贴于PCB板与SMA丝的整体封装结构表面，且伸展方向与SMA丝方向相同。

由PCB板13引出的导线连接至柔性驱动臂驱动单元8上。

当电流通过时，SMA丝14受热收缩导致驱动器变弯，电流消失后在弹簧钢15作用下，柔性驱动臂5恢复原状，带动伞状柔性层4产生持续驱动力。

柔性压力传感器包括敏感层、间隔层、电极层、封装层；其中，敏感层、间隔层以及电极层由内向外依次设置，封装层位于最外侧。

封装层采用PDMS，用于实现电极层、间隔层、敏感层的整体封装。

本发明通过将柔性压力传感器2放置于仿生水母机器人头部，如图1所示，因而能够感受水下航行器运动产生的尾迹流，产生的压力传递至柔性压力传感器，并将压力信号转变为电阻变化信号，由此测得水下航行器的轨迹。

为了更加方便的说明柔性压力传感器的结构，本发明给出了图9至图11。该柔性压力传感器包括电极层17、18，绝缘层19、20，敏感层21、22。

其中，电极层17、18由导电银浆印刷制成，敏感层21、22是由导电材料印刷制成，两电极层之间对应的阵列点23通过敏感层间接接触，压力变化使得两电极层之间的接触面积改变，从而引起传感器的电阻变化，而电阻与压力之间成一定的比例关系，由此可将压力变化转变为电阻信号的改变。

绝缘层19、20由绝缘油墨印刷制成，能够防止传感器两电极层除去传感阵列点23之外的导线区域之间的互相串扰，防止导线区域互相接触，影响接触面积，进而影响传感器性能。敏感层21、22是由敏感材料氮化硼与离子溶液1-乙烯基-3-甲基咪唑硝酸盐混合制作而成，其中，敏感层21是由一个个的微柱阵列组成，与敏感层22叠加到一起，共同组成了敏感层。

电极层17、18之间的阵列点通敏感层21、22间接接触。如图11所示，当压力发生变化时，两电极层接触面积的改变首先是由敏感层21微柱阵列接触到电极层引起的，此时敏感层21微柱阵列使得两电极层之间的间接接触面积小，传感器电阻小，当压力慢慢增大时，在压力的作用下，敏感层21微柱阵列与电极层之间的接触点随之增多，当压力增大到一定程度时，最终使得电极层与敏感层贴合到一起，此时传感器接触面积最大，电阻最大，达到所测压力限值。待测压力使柔性压力传感器发生微小形变，两电极层在压力作用下最先通过微柱阵列形成互连，使得两者连接起来，此时形成电阻值最小，随着压力的增大，电极层与敏感层之间的接触面积逐渐由微柱阵列向整个敏感层22过渡，接触面积逐渐增大，接触面积的变化转变为电阻信号的变化，电阻信号变化与压力变化成一定的线性关系，由此测得压力变化。

高含水量的水凝胶可提供良好的声学与光学隐蔽性。主控单元通过主控芯片6控制电流通断，以加热或冷却柔性驱动臂5即形状记忆合金(SMA)丝，使其产生形变，进而带动伞状柔性层4扇动，推动机器人前进。不同SMA丝分别控制，使各丝摆动幅度不同即可改变行进方向，实现空间内游动。

在数据获取过程中，预先设定好特定巡逻路线后，将所得探测数据进行存储，无需发射信号，可增强隐蔽性；任务完成后，机器人通过预规划路径回到海面，采用北斗定位芯片确定机器人位置并回收以获取数据。待测压力使得柔性传感器发生微小形变，推动电极层接触面积的增加，其传感器电阻发生改变，电阻变化与压力成比例关系，通过测量电阻，依据电阻与压力之间的线性曲线检测出所测压力的大小，生成数据暂时存于数据存储芯片7内。

本实施例中柔性压力传感器是由丝网印刷工艺制作而成，因而有优越的延展性、柔软度，能够承受高压海底环境中的压力，而不会出现损坏或故障，且与一些传统的制造方法相比，丝网印刷制作的柔性传感器生产成本相对较低，这是在海洋工程和研究中经济实惠的选择。

此外，柔性电子皮肤在制备过程中敏感层由氮化硼溶液丝网印刷制备而成，六方氮化硼是一种具有出色热稳定性和电学性能的材料，氮化硼薄膜可以制备得非常薄，使得敏感层可以轻巧、柔软且具有较高的柔性，适用于贴合在各种曲面或复杂形状上。将其制备成敏感层后，它可以提供高灵敏度的传感性能，能够检测微小的压力、变形，使柔性电子皮肤可以检测更微小的水下尾迹流运动，提高水下监测范围。

柔性压力传感器采用PDMS特殊密封技术进行封装，相比于传统的传感器封装方式，增加其防水性能、耐腐蚀性、抗压性。海水中的盐分和化学物质会对传感器部件造成腐蚀，因此传感器封装采用PDMS利用模具与特殊工艺浇筑制成，以提高耐腐蚀性，延长传感器的使用寿命，确保传感器在长期使用中能够保持稳定的性能。深海环境中，水压会随深度增加而迅速增大，海洋传感器需要能够抵御高水压，确保在深水中可靠运行，因此在封装过程中，通过增强其封装厚度，适时增加其抗压性，增强其使用寿命。

本实施例述及的用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人，是一种模仿水母游动的机器人，具有柔性和变形能力，本发明中由于柔性仿生水母类海洋生物特征，具有良好的潜伏作用，另外水母头部与柔性传感阵列共形，通过对获得尾迹流压力变化数据的时空演化建模，实现对航行器流迹路径的判断追踪和对未知航行器大小属性的提前预判，推动水下信息的全面感知与预测。柔性仿生水母搭载柔性传感系统具有以下具体特点及优势：

1.微型化：传统的水下航行器监测设备体积较大，给监测设备的运输和部署带来了一定的困难，且运输成本与部署成本较高。相对于传统设备，本文检测机器人具有微型化特点，在运输与部署方面具有极大优势。相比硬性传感器，柔性传感器通常更轻巧，不会增加水母机器人的整体负重。这种轻量化设计有助于保持水母机器人的自然浮力和灵活性，改善其运动特性。

2.高隐蔽性：仿生水母机器人的设计灵感源自生物体的柔软结构，更好地模拟了海洋生物的自然运动。与硬性传感器相比，柔性传感器更容易与水母机器人的柔软结构相融合，使得整个系统更加仿生；由于其外部材料透明度较高，在光学方面具有良好的隐蔽性；另外由于结构材料为高含水量水凝胶，且无需进行实时通信，具体较高声学隐身性。

3.动态监测：传统的水下航行器监测设备需要在固定位置进行监测，检测范围受限，无法实现全面监测。由于柔性传感器的设计特性，可以在水母机器人表面分布多个传感点，实现对尾迹流的全方位、多点感知，这使得水母机器人能够更全面地检测周围水流的压强分布，提高了尾迹流探测的准确性和覆盖范围。本文仿生水母可预先设置路径，具有动态获取数据能力，对数据的获取更加严格和精确，检测范围更加广泛。

综合以上三点，本发明述及的用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人在工作过程中具有良好的隐蔽性，与军事监测行为具有极高匹配度。

综合而言，本发明通过柔性传感器与水母机器人进行结合，为水下航行器尾迹流探测提供了更为优越的解决方案，充分发挥了柔性传感器在仿生设计、轻量化、柔性适应性以及全方位感知等方面的优势，这样的结合不仅提高了水母机器人的性能，同时也拓展了在海洋研究和监测等领域的应用潜力。柔性传感器的弯曲和变形能力，使得水母机器人能够更自如地适应不同水流条件，不受传感器刚性的限制，从而更有效地执行任务。在水母机器人的表面采用PDMS封装，使其在受到水流压力时能够保持柔性传感器的形状。这种结构能够在水流变化时迅速适应，提高水母机器人在复杂水流环境中的稳定性和敏感性。通过在水母机器人表面布置柔性传感器网络，可以实现对复杂水流环境的高效感知和响应，从而提高尾迹流探测的实时性和适应性。

实施例2

本实施例2述及了一种水下航行器尾迹流探测方法，该方法基于上述实施例1中的仿生水母机器人实现；具体探测步骤如下：

当水下航行器进行水下运动时，水下航行器尾部螺旋桨会产生具有一定规律的尾迹流，水下航行器在仿生水母机器人运动范围内时，柔性压力传感器实现将尾迹流产生的压力信号转换为柔性压力传感器的微小形变，从而引起柔性压力传感器的电阻变化，将压力信号转变为电信号，根据压力与柔性压力传感器电阻的线性关系，分析得出压力值，实现对水下航行器尾迹流的探测，从而实现对水下航行器运动轨迹的监测。

本发明利于实现对绕航行器流迹路径的判断追踪，实现对未知航行器大小属性的提前预判，推动水下信息的全面感知与预测。

当然，以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种用于水下航行器尾迹流探测的仿生水母机器人，其特征在于，该仿生水母机器人由软体水母机器人本体以及柔性压力传感器组成；

软体水母机器人本体包括控制仓、主控单元、伞状柔性层以及柔性驱动臂；控制仓设置于伞状柔性层的中心处，主控单元位于控制仓内；

主控单元包括主控芯片、数据存储芯片以及柔性驱动臂驱动单元；其中，数据存储芯片以及柔性驱动臂驱动单元分别与主控芯片相连；

柔性驱动臂有多组；各组柔性驱动臂均位于伞状柔性层的背侧，且与伞状柔性层连接为一体；柔性驱动臂通过导线连接至柔性驱动臂驱动单元上；

柔性压力传感器位于控制仓的正侧表面，且与所述主控芯片相连；其中，所述控制仓以及柔性压力传感器通过结构填充材料进行封装。

2.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，

各组柔性驱动臂的内端均连接至控制仓处，各组柔性驱动臂分别沿伞状柔性层的径向方向，向所述伞状柔性层的边缘位置伸展；

由任意相邻两组柔性驱动臂的延长线所确定的圆心角均相同。

3.根据权利要求1或2所述的仿生水母机器人，其特征在于，

所述柔性驱动臂的数量有四组、六组、八组、十组或十二组。

4.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，

所述控制仓包括控制仓仓体以及控制仓盖；

在控制仓仓体的开口端，沿其周向方向设有多个卡槽；卡槽的数量与柔性驱动臂的数量一致，每个柔性驱动臂的端部对应安装于一个卡槽内。

5.根据权利要求4所述的仿生水母机器人，其特征在于，

在控制仓仓体的内部设有内部板架，主控单元安装于内部板架的正侧表面上；在内部板架的背侧空间留有电池放置区域，用于放置电池。

6.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，

所述柔性驱动臂包括PCB板、SMA丝、弹簧钢以及结构填充材料；

其中，PCB板有两个，且为相对设置；

SMA丝至少有一组，且位于两个PCB之间，PCB板用于为SMA丝通电以及固定SMA丝，PCB板与SMA丝通过结构填充材料进行整体封装；

弹簧钢位于PCB板与SMA丝的整体封装结构外侧，其设置于PCB板与SMA丝的整体封装结构表面，且伸展方向与SMA丝方向相同；

由PCB板引出的导线连接至所述柔性驱动臂驱动单元上。

7.根据权利要求1或6所述的仿生水母机器人，其特征在于，

所述结构填充材料采用PDMS。

8.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，

所述柔性压力传感器包括敏感层、间隔层、电极层、封装层；其中，敏感层、间隔层以及电极层由内向外依次设置；封装层位于最外侧，用于实现电极层、间隔层、敏感层的整体封装；其中，封装层采用PDMS。

9.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，

所述主控单元还包括定位芯片，其中，定位芯片位于控制仓内。

10.一种水下航行器尾迹流探测方法，其特征在于，基于上述权利要求1至9任一项所述的仿生水母机器人实现；具体探测步骤如下：

当水下航行器进行水下运动时，水下航行器尾部螺旋桨会产生具有一定规律的尾迹流，水下航行器在仿生水母机器人运动范围内时，柔性压力传感器实现将尾迹流产生的压力信号转换为柔性压力传感器的微小形变，从而引起柔性压力传感器的电阻变化，将压力信号转变为电信号，根据压力与柔性压力传感器电阻的线性关系，分析得出压力值，实现对水下航行器尾迹流的探测，从而实现对水下航行器运动轨迹的监测。