一種人工側(cè)線壓力檢測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及水下環(huán)境探索領(lǐng)域，特別是涉及一種利用人工側(cè)線方式分析水下機(jī)器人當(dāng)前所處位置的水流狀態(tài)的檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自主式水下機(jī)器人(AUV)通常借助聲吶系統(tǒng)和視覺(jué)處理技術(shù)來(lái)探索水下環(huán)境或者完成水下相關(guān)作業(yè)。但是一些眾所周知的缺陷限制了聲吶和視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展，比如聲吶系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的工作會(huì)增加水下機(jī)器人的耗電量，光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法在陰暗、模糊的水域作業(yè)。因此，新式的水下導(dǎo)航機(jī)制亟待開(kāi)發(fā)。
[0003]側(cè)線是在魚(yú)類(lèi)和兩棲動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)的重要的水動(dòng)力感知器官，它能夠幫助魚(yú)類(lèi)偵測(cè)和處理各種水動(dòng)力情況，使用側(cè)線系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行水動(dòng)力感知在魚(yú)類(lèi)行為中起著重要的作用。
[0004]在工程化仿生側(cè)線感知系統(tǒng)方面，迄今為止的研究多是偏向于側(cè)線系統(tǒng)的新材料或者是高精度小量程的傳感器方向。大部分研究集中于多普勒振源的定位。多普勒振源定位誤差也縮小到了 3cm，為人工側(cè)線系統(tǒng)應(yīng)用于水下機(jī)器人導(dǎo)航定位打下了很好的基礎(chǔ)。但是，對(duì)于周?chē)鲌?chǎng)壓力變化如何影響水下機(jī)器人對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)研究較少，殊不知水流模式識(shí)別對(duì)水下機(jī)器人的導(dǎo)航起著重要的作用。單一的振源定位只是對(duì)頻率起到了響應(yīng)，而水流信息不僅有頻率信息，還包括著壓力和速度信息。且包含頻率信息的流場(chǎng)條件比較特殊，當(dāng)無(wú)振源存在情況下，多普勒定位技術(shù)便會(huì)失效。然而任何情況下，壓力信息實(shí)時(shí)存在。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方式識(shí)別水下水流狀態(tài)的側(cè)線裝置。
[0006]特別地，本實(shí)用新型提供了一種人工側(cè)線壓力檢測(cè)裝置，包括流線型的水下機(jī)器人，和間隔安裝在所述水下機(jī)器人的壓力跡線處的多個(gè)壓力傳感器，安裝在所述水下機(jī)器人內(nèi)部用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的處理單元，以及遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)的分析中心。
[0007]進(jìn)一步地，所述水下機(jī)器人的壓力跡線水平的繞所述水下機(jī)器人的軸線分布。
[0008]進(jìn)一步地，沿所述水下機(jī)器人的壓力跡線設(shè)置有分別安裝每個(gè)所述壓力傳感器的凹坑。
[0009]進(jìn)一步地，所述壓力傳感器沿所述壓力跡線依次排列，且位于軸線兩側(cè)的所述壓力傳感器位置對(duì)稱(chēng)。
[0010]進(jìn)一步地，兩個(gè)所述壓力傳感器的間距以前一個(gè)所述壓力傳感器對(duì)水流造成的擾動(dòng)不影響后一個(gè)所述壓力傳感器的檢測(cè)為準(zhǔn)。
[0011]進(jìn)一步地，所述處理單元包括接收各所述壓力傳感器的信息的單片機(jī)，和間隔地將所述單片機(jī)收集的數(shù)據(jù)上傳至分析中心的無(wú)線單元。
[0012]進(jìn)一步地，所述分析中心包括:
[0013]存儲(chǔ)單元，分別存儲(chǔ)所述水下機(jī)器人不同狀態(tài)下同一時(shí)刻各所述壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)；
[0014]神經(jīng)單元，用于從所述存儲(chǔ)單元中隨機(jī)選取一定量的壓力數(shù)據(jù)構(gòu)成離線數(shù)組，以供機(jī)器學(xué)習(xí)。
[0015]進(jìn)一步地，所述壓力傳感器用于收集不同水流狀態(tài)下的壓力數(shù)據(jù)。
[0016]進(jìn)一步地，同一水流狀態(tài)下，所述水下機(jī)器人包括靜止、勻速和旋轉(zhuǎn)三種行動(dòng)狀
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[0017]本實(shí)用新型利用一系列壓力傳感器組成的人工側(cè)線系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)壓力識(shí)別，不依賴(lài)于固定頻率振源存在等特殊條件，只是檢測(cè)流場(chǎng)條件改變引起的壓力場(chǎng)變化，簡(jiǎn)化了感知步驟，提高了辨識(shí)的效率同時(shí)也可以提高水下機(jī)器人的智能化，同時(shí)為導(dǎo)航提供數(shù)據(jù)支持。
[0018]本實(shí)用新型利用MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)出一套人工側(cè)線系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)中傳感器采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，針對(duì)不同水流環(huán)境建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，利用已有數(shù)據(jù)訓(xùn)練辨識(shí)模型，最終利用訓(xùn)練好的模型達(dá)到辨識(shí)不同水流環(huán)境的效果，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)水下機(jī)器人環(huán)境辨識(shí)的能力。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的人工側(cè)線壓力檢測(cè)裝置流程示意圖；
[0021]圖3是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的人工側(cè)線壓力檢測(cè)裝置執(zhí)行過(guò)程流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖1、2所示，本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的人工側(cè)線壓力檢測(cè)裝置一般性地包括流線型的水下機(jī)器人1，和間隔安裝在水下機(jī)器人的壓力跡線2處的多個(gè)壓力傳感器3，安裝在水下機(jī)器人I內(nèi)部用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的處理單元4，以及遠(yuǎn)程接收數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)的分析中心5。
[0023]工作時(shí)，將水下機(jī)器人I放置在預(yù)設(shè)的水流內(nèi)，利用各壓力傳感器3來(lái)獲取水下機(jī)器人I在不同水速、不同運(yùn)行狀態(tài)下的壓力數(shù)據(jù)，各壓力數(shù)據(jù)由處理單元4的單片機(jī)接收，單片機(jī)再將壓力數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線單元發(fā)送分析中心5進(jìn)行進(jìn)一步處理，分析中心5將各壓力數(shù)據(jù)按時(shí)間順序或不同水流狀態(tài)進(jìn)行分組存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元，再利用神經(jīng)單元隨機(jī)從存儲(chǔ)單元中的各組壓力數(shù)據(jù)中，選取一定數(shù)量的壓力數(shù)據(jù)構(gòu)成離線數(shù)組，將該離線數(shù)組組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)供機(jī)器學(xué)習(xí)，使機(jī)器能夠根據(jù)相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)分析模式，通過(guò)該分析模式即可對(duì)相應(yīng)環(huán)境下獲取的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到陌生水環(huán)境下的水狀況。
[0024]如圖3所示，以下通過(guò)執(zhí)行步驟的方式對(duì)人工側(cè)線壓力檢測(cè)裝置做詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]步驟10，選取流線型的水下機(jī)器人，利用仿真方式確定水下機(jī)器人的壓力跡線；
[0026]流線型水下機(jī)器人I具備規(guī)則的幾何外形和較好的水動(dòng)力性能，方便壓力數(shù)據(jù)的提取，也便于測(cè)量部件的規(guī)則排布。
[0027]因?yàn)椴煌庑蔚乃聶C(jī)器人I水下巡航時(shí)，體表的壓力跡線分布不盡相同。本實(shí)施例的仿真是在水流具備一定流速及靜止?fàn)顟B(tài)下，水下機(jī)器人I勻速前進(jìn)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，而確定該水下機(jī)器人I壓力跡線時(shí)，同時(shí)也參考了水下機(jī)器人I旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的參數(shù)。
[0028]根據(jù)流線型的水下機(jī)器人I仿真數(shù)據(jù)可以確定，在水下機(jī)器人I的中間艙體軸向?qū)ΨQ(chēng)面上有明顯的跡線分界，且水下機(jī)器人I的上半部分的壓力值要大于下半部分，因此可以確定該水下機(jī)器人I的壓力跡線2位于其軸線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)處。
[0029]步驟20，沿所述壓力跡線并繞軸線一圈陣列設(shè)置壓力傳感器。
[0030]通過(guò)設(shè)置在壓力跡線2處的壓力傳感器3，來(lái)模仿側(cè)線系統(tǒng)的壓力感應(yīng)結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例選用代表性的流線型水下機(jī)器人I進(jìn)行三維水動(dòng)力仿真，可確定沿軸線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)處壓力跡線2分界最為明顯，故將此處定為側(cè)線系統(tǒng)壓力傳感器3排列的最理想位置。
[0031]為方便安裝壓力傳感器3，可以沿水下機(jī)器人I的壓力跡線2設(shè)置分別安裝每個(gè)壓力傳感器3的凹坑。
[0032]根據(jù)水下機(jī)器人I的體型，在絕對(duì)理想的情況下，壓力傳感器3在橫縱方向上布置的越密集，越有利于壓力模型的提取，但受壓力傳感器3本身的體積及安裝工藝等要求的影響，間隔太近后，兩個(gè)壓力傳感器3會(huì)相互影響，從而導(dǎo)致獲取的壓力數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。
[0033]在本實(shí)施例中，壓力傳感器3沿壓力跡線依次間隔排列，而且位于水下機(jī)器人I軸線兩側(cè)的壓力傳感器3位置對(duì)稱(chēng)，相鄰兩個(gè)壓力傳感器3的間距以前一個(gè)壓力傳感器3對(duì)水流造成的擾動(dòng)不影響后一個(gè)壓力傳感器3的檢測(cè)為準(zhǔn)。
[0034]安裝壓力傳感器3的凹坑以及壓力傳感器本體，在水下機(jī)器人I處于迎面來(lái)流的情況下，每個(gè)凹坑處均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)渦旋，所以當(dāng)前一個(gè)渦旋趨于平穩(wěn)后才可布置第二個(gè)壓力傳感器3。具體的間隔距離需要根據(jù)采用的壓力傳感器3的體積、功能以及水流速度確定。
[0035]在選用壓力傳感器3時(shí)首先要考慮的是壓力傳感器3的防水性，有防水的性能才保證人工側(cè)線系統(tǒng)在水下正常工作。其次壓力傳感器3的精度對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的影響很大，對(duì)側(cè)線系統(tǒng)的感知能力也起著關(guān)鍵的作用。如果檢測(cè)到的數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度不大，很難得出相應(yīng)流場(chǎng)的概率模型。故選取的壓力傳感器3需要對(duì)微小壓力變化極為敏感。再者是壓力傳感器3的體積大小，考慮水下機(jī)器人I模型大小和壓力傳感器3陣列密度，壓力傳感器3的體積過(guò)大會(huì)影響整體的感知精度。
[0036]本實(shí)施例選用的壓力傳感器3為防水型數(shù)字氣壓傳感器模塊CPS131，CPS131是一款將壓阻式壓力傳感器和16位ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)集成于一體的氣壓模塊。該模塊具有小體積(6.4*6.2*2.88mm)、高精度、寬溫度范圍、低功耗、穩(wěn)定性好、防水等優(yōu)點(diǎn)，模塊工作電壓從2.3V到5.5V的寬供電范圍，內(nèi)含時(shí)鐘，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中更方便于客戶(hù)使用。
[0037]產(chǎn)品分為SPI和I2C兩種接口通信。CPS131在測(cè)量壓力的同時(shí)還能夠做為單獨(dú)的溫度測(cè)量，根據(jù)大氣壓與高度的關(guān)系，產(chǎn)品也可用于海拔高度和相對(duì)高度測(cè)量使用。
[0038]步驟30，將水下機(jī)器人置于不同水流狀態(tài)下，利用各壓力傳感器獲取當(dāng)前狀態(tài)下的壓力數(shù)據(jù)，并上傳至分析中心。
[0039