一种感知仿生鱼体周围流场的传感器布局方法与流程

本发明属于水下仿生航行器流场测量领域，具体涉及一种感知仿生鱼体周围流场的传感器布局方法。

背景技术：

鱼类具有特殊的侧线感受系统，以分布在鱼类身体不同部位的神经丘为基础，其身体与水流产生位置变化时，可以感受和分析周围水流微小的时空动态变异，提供鱼体即时的位向和环境水动态信息，助其判断水流属性，完成摄食、避敌等复杂行为。基于这种仿生启发，提出人工侧线系统的概念，在水下航行器表面安装压力传感器，通过感知航行体表面压强的变化，推导获得流体速度、方向等流场信息。

目前，在飞行器大气数据感应方面，存在较为成熟的大气数据传感技术，如空速管、嵌入式飞行数据传感系统等，可以通过气压传感器数据获得飞行器的攻角、马赫数等数据。然而针对水下自主运动的仿生航行器，其水下流场与高速空中飞行器流场有较大区别，水下流场背压大，水流复杂多变，对传感测量与流场反演提出较高的要求，仿生传感器研制、在航行体上的布局以及流场反演等成为仿生航行器水下探测的重要研究内容。美国西北大学研究者将人造纤毛细胞感知器安装在一个圆柱体周围，来模拟侧线传感系统用于水下障碍物定位。我国谢广明教授团队以小型盒子鱼为对象研究了人工侧线系统的设计与环境感知。但是目前的仿生传感探测的研究还大多数停留在机理以及简单的实验室水洞环境应用阶段，亟需实际工程应用为背景的研究。

水下自主推进仿生航行器的仿生侧线传感器布局，关系到能否全面、有效、经济的获得航行体表面压力信息以提供流场反演基础，是通过仿生侧线方式获得流场信息的关键。

技术实现要素：

本发明提供一种感知仿生鱼体周围流场的传感器布局方法，能够有效的通过测量压力信息获得航行器周围流场信息。

本发明包括如下步骤：

步骤一：根据水下仿生鱼体自身运动特征及面临的水下环境特征，进行不同来流攻角、侧滑角、速度值下的仿生鱼体表面压力仿真；

步骤二：通过上述仿生鱼体表面压力仿真结果，在鱼体表面压力随速度方向的变化而变化较小的区域布置传感器，测量总压值及静压值；

步骤三：通过上述仿生鱼体表面压力仿真结果，在鱼体表面压差较大且随速度方向变化剧烈的区域布置传感器，测量压差值。

进一步地，利用所述步骤二中传感器的总压值和区域静压值计算仿生鱼体与海流相对速度值：

其中ρ为水的密度。

进一步地，利用所述步骤三中压差值，以及上述仿生鱼体与海流相对速度值，通过仿真拟合出压差与速度方向的关系；所述速度方向包括攻角和侧滑角。

进一步地，水下仿生鱼体为仿须鲸形状时，鱼体表面压力随速度方向的变化而变化较小的区域为头部以及距离头部三分之二横截面处；在所述头部顶端位置布置一个传感器，在所述距离头部三分之二横截面处布置四个传感器，呈十字形。

进一步地，所述定位鱼体表面压差较大区域为对称部位，在此位置布置四个传感器，呈×字型。

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明提出的水下仿生鱼体通过测量表面压力获得流场信息的传感器布局方法，明确了传感器布置区域的压力特征：一是压力基本不随速度方向变化的区域，二是压力对速度方向最为敏感的区域。

本发明提出通过数值模拟定位具备上述特征的区域，在该区域布置压力传感器，可以经济有效的获得反推来流需要的压力信息，通过数值仿真方法建立表面压力信息与流场信息的关系，为水下仿生鱼体感知流场提供基础支撑。

附图说明

图1为某水下仿生鱼体外形示意图；

图2为仿生鱼体表面8条母线的分布示意图；

(a)鱼体表面母线侧视图

(b)鱼体表面母线分布正视图

图3为压力传感器布置形式示意图。

(a)测量总压与静压的传感器

(b)测量压差的传感器

图4为压力传感器布置位置示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

以下结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明方法包括：

一、根据水下仿生航行器自身运动特征及面临的水下环境特征，开展不同来流攻角、侧滑角、速度值下的仿生航行器流场仿真。

二、分析不同来流下仿生航行体表面压力特征，定位以下两种特征区域。

(1)定位鱼体表面压力基本不随速度方向的变化而变化的区域，该区域的压力信息反映了来流的静压和总压。根据公式可以获得仿生鱼体与海流相对速度的大小。

(2)定位鱼体表面对称部位压差较大且对速度方向敏感的区域，该区域压差信息推导出的速度方向信息误差最小。在速度大小已知的前提下，可通过仿真数据拟合出压力与速度方向的关系。

三、根据以上仿真结果以及压力特征分析，在航行体特征区域横截面处布置“×”字型或“十”字形或“一”字形压力传感器。

以下为本发明的一个具体实施例：

图1所示仿生鱼体总长度6.5m，尾鳍中心位置为原点，头部顶点坐标为x＝-6.5m。针对该仿生鱼体开展传感器布局研究，巡游速度1m/s，巡游海域海流速度一般在2.5m/s。目标是实现合理的压力传感器布局，要求该布局方式下获得的压力信息能够实时反应鱼体与洋流相对速度的大小及侧滑角。

实现上述压力传感器布局的步骤如下：

步骤一：开展流场数值仿真，获得不同流动状态下，鱼体表面压力分布情况。

1)根据该仿生鱼体游动速度、环境及测量目标，确定流场数值仿真条件。鱼体遭遇的最大速度约为3.5m/s，故仿真速度值取1.5m/s，2m/s，2.5m/s，3m/s，3.5m/s。由于鱼体左右对称，仿真计算中侧滑角取0°～14°，间隔2°。采用商业软件fluent针对不同速度值、不同流动侧滑角下进行鱼体表面流场的仿真计算。

2)如图2所示，计算完成后，为了获得鱼体表面压力分布状态，在鱼体表面设置间距45°对称的八条母线，其中图2a为鱼体表面母线侧视图，图2b为鱼体表面母线分布正视图。八条母线分别是l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8，提取计算结果中上述母线的压力值，作为分析鱼体表面压力分布特征的基础。

步骤二：基于上述母线压力值，分析鱼体表面压力随速度方向变化而变化较小的区域。

1)分析可得，在x＝-6.5m的鱼体头部顶点a处，压力值随速度方向变化较小，该处压力反应了总压ptotal，在该点布置一个传感器进行测量，如图3(a)所示。

2)分析可得，在x＝-2.5m～x＝-2m，距离头部三分之二的鱼体区域，侧滑角变化时，各母线压力值变化较小，该处压力反应了pstatic。故可在x＝-2m处的横截面布置呈十字型的四个传感器c1、c2、c3、c4测量压力，pstatic则为四点的均值，如图3(a)所示。

3)根据公式可以获得鱼体与海流的相对速度值，其中ρ为水的密度。

步骤三：基于上述母线压力值，分析鱼体表面压力随速度方向变化而变化剧烈的区域。

1)分析可得，在x＝-6.0m～x＝-5.5m的头部区域内，对称母线l2与l4、l6与l8的压差数值较大，且随来流侧滑角的变化，压差变化明显。该区域压力差值信息反映了来流的速度方向。

2)如图3(b)所示，选择在x＝-5.7m的横截面处布置呈×字型的四个传感器b1、b2、b3、b4。综上也获得在鱼体表面所有压力传感器的布置位置，如如图4所示。

3)利用不同侧滑角下b1与b2、b3与b4压差值，结合步骤二获得的速度值，通过数值拟合获得压差值与侧滑角的关系式。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。