一种人工侧线压力检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及水下环境探索领域，特别是涉及一种利用人工侧线方式分析水下机器人当前所处位置的水流状态的检测装置。
【背景技术】
[0002]自主式水下机器人(AUV)通常借助声呐系统和视觉处理技术来探索水下环境或者完成水下相关作业。但是一些众所周知的缺陷限制了声呐和视觉系统的发展，比如声呐系统长时间的工作会增加水下机器人的耗电量，光学系统无法在阴暗、模糊的水域作业。因此，新式的水下导航机制亟待开发。
[0003]侧线是在鱼类和两栖动物身上发现的重要的水动力感知器官，它能够帮助鱼类侦测和处理各种水动力情况，使用侧线系统来进行水动力感知在鱼类行为中起着重要的作用。
[0004]在工程化仿生侧线感知系统方面，迄今为止的研究多是偏向于侧线系统的新材料或者是高精度小量程的传感器方向。大部分研究集中于多普勒振源的定位。多普勒振源定位误差也缩小到了 3cm，为人工侧线系统应用于水下机器人导航定位打下了很好的基础。但是，对于周围流场压力变化如何影响水下机器人对流场进行识别的技术研究较少，殊不知水流模式识别对水下机器人的导航起着重要的作用。单一的振源定位只是对频率起到了响应，而水流信息不仅有频率信息，还包括着压力和速度信息。且包含频率信息的流场条件比较特殊，当无振源存在情况下，多普勒定位技术便会失效。然而任何情况下，压力信息实时存在。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是提供一种通过机器学习的方式识别水下水流状态的侧线装置。
[0006]特别地，本实用新型提供了一种人工侧线压力检测装置，包括流线型的水下机器人，和间隔安装在所述水下机器人的压力迹线处的多个压力传感器，安装在所述水下机器人内部用于接收数据和发送数据的处理单元，以及远程接收数据并处理数据的分析中心。
[0007]进一步地，所述水下机器人的压力迹线水平的绕所述水下机器人的轴线分布。
[0008]进一步地，沿所述水下机器人的压力迹线设置有分别安装每个所述压力传感器的凹坑。
[0009]进一步地，所述压力传感器沿所述压力迹线依次排列，且位于轴线两侧的所述压力传感器位置对称。
[0010]进一步地，两个所述压力传感器的间距以前一个所述压力传感器对水流造成的扰动不影响后一个所述压力传感器的检测为准。
[0011]进一步地，所述处理单元包括接收各所述压力传感器的信息的单片机，和间隔地将所述单片机收集的数据上传至分析中心的无线单元。
[0012]进一步地，所述分析中心包括:
[0013]存储单元，分别存储所述水下机器人不同状态下同一时刻各所述压力传感器的压力数据；
[0014]神经单元，用于从所述存储单元中随机选取一定量的压力数据构成离线数组，以供机器学习。
[0015]进一步地，所述压力传感器用于收集不同水流状态下的压力数据。
[0016]进一步地，同一水流状态下，所述水下机器人包括静止、匀速和旋转三种行动状
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[0017]本实用新型利用一系列压力传感器组成的人工侧线系统进行流场压力识别，不依赖于固定频率振源存在等特殊条件，只是检测流场条件改变引起的压力场变化，简化了感知步骤，提高了辨识的效率同时也可以提高水下机器人的智能化，同时为导航提供数据支持。
[0018]本实用新型利用MEMS技术开发出一套人工侧线系统，通过系统中传感器采集到的压力数据进行机器学习，针对不同水流环境建立对应的数据库，然后通过神经网络方式进行机器学习，利用已有数据训练辨识模型，最终利用训练好的模型达到辨识不同水流环境的效果，实现开发水下机器人环境辨识的能力。
【附图说明】
[0019]图1是根据本实用新型一个实施例的水下机器人的结构示意图；
[0020]图2是根据本实用新型一个实施例的人工侧线压力检测装置流程示意图；
[0021]图3是根据本实用新型一个实施例的人工侧线压力检测装置执行过程流程示意图。
【具体实施方式】
[0022]如图1、2所示，本实用新型一个实施例的人工侧线压力检测装置一般性地包括流线型的水下机器人1，和间隔安装在水下机器人的压力迹线2处的多个压力传感器3，安装在水下机器人I内部用于接收数据和发送数据的处理单元4，以及远程接收数据并处理数据的分析中心5。
[0023]工作时，将水下机器人I放置在预设的水流内，利用各压力传感器3来获取水下机器人I在不同水速、不同运行状态下的压力数据，各压力数据由处理单元4的单片机接收，单片机再将压力数据通过无线单元发送分析中心5进行进一步处理，分析中心5将各压力数据按时间顺序或不同水流状态进行分组存储在存储单元，再利用神经单元随机从存储单元中的各组压力数据中，选取一定数量的压力数据构成离线数组，将该离线数组组成神经网络供机器学习，使机器能够根据相应的压力数据构成一个分析模式，通过该分析模式即可对相应环境下获取的压力数据进行分析，从而得到陌生水环境下的水状况。
[0024]如图3所示，以下通过执行步骤的方式对人工侧线压力检测装置做详细说明。
[0025]步骤10，选取流线型的水下机器人，利用仿真方式确定水下机器人的压力迹线；
[0026]流线型水下机器人I具备规则的几何外形和较好的水动力性能，方便压力数据的提取，也便于测量部件的规则排布。
[0027]因为不同外形的水下机器人I水下巡航时，体表的压力迹线分布不尽相同。本实施例的仿真是在水流具备一定流速及静止状态下，水下机器人I匀速前进时获取的数据进行仿真分析，而确定该水下机器人I压力迹线时，同时也参考了水下机器人I旋转状态下的参数。
[0028]根据流线型的水下机器人I仿真数据可以确定，在水下机器人I的中间舱体轴向对称面上有明显的迹线分界，且水下机器人I的上半部分的压力值要大于下半部分，因此可以确定该水下机器人I的压力迹线2位于其轴线两侧对称处。
[0029]步骤20，沿所述压力迹线并绕轴线一圈阵列设置压力传感器。
[0030]通过设置在压力迹线2处的压力传感器3，来模仿侧线系统的压力感应结构，本实施例选用代表性的流线型水下机器人I进行三维水动力仿真，可确定沿轴线两侧对称处压力迹线2分界最为明显，故将此处定为侧线系统压力传感器3排列的最理想位置。
[0031]为方便安装压力传感器3，可以沿水下机器人I的压力迹线2设置分别安装每个压力传感器3的凹坑。
[0032]根据水下机器人I的体型，在绝对理想的情况下，压力传感器3在横纵方向上布置的越密集，越有利于压力模型的提取，但受压力传感器3本身的体积及安装工艺等要求的影响，间隔太近后，两个压力传感器3会相互影响，从而导致获取的压力数据出现偏差。
[0033]在本实施例中，压力传感器3沿压力迹线依次间隔排列，而且位于水下机器人I轴线两侧的压力传感器3位置对称，相邻两个压力传感器3的间距以前一个压力传感器3对水流造成的扰动不影响后一个压力传感器3的检测为准。
[0034]安装压力传感器3的凹坑以及压力传感器本体，在水下机器人I处于迎面来流的情况下，每个凹坑处均会产生一个涡旋，所以当前一个涡旋趋于平稳后才可布置第二个压力传感器3。具体的间隔距离需要根据采用的压力传感器3的体积、功能以及水流速度确定。
[0035]在选用压力传感器3时首先要考虑的是压力传感器3的防水性，有防水的性能才保证人工侧线系统在水下正常工作。其次压力传感器3的精度对整个实验的影响很大，对侧线系统的感知能力也起着关键的作用。如果检测到的数据波动幅度不大，很难得出相应流场的概率模型。故选取的压力传感器3需要对微小压力变化极为敏感。再者是压力传感器3的体积大小，考虑水下机器人I模型大小和压力传感器3阵列密度，压力传感器3的体积过大会影响整体的感知精度。
[0036]本实施例选用的压力传感器3为防水型数字气压传感器模块CPS131，CPS131是一款将压阻式压力传感器和16位ADC(模数转换器)集成于一体的气压模块。该模块具有小体积(6.4*6.2*2.88mm)、高精度、宽温度范围、低功耗、稳定性好、防水等优点，模块工作电压从2.3V到5.5V的宽供电范围，内含时钟，在产品设计中更方便于客户使用。
[0037]产品分为SPI和I2C两种接口通信。CPS131在测量压力的同时还能够做为单独的温度测量，根据大气压与高度的关系，产品也可用于海拔高度和相对高度测量使用。
[0038]步骤30，将水下机器人置于不同水流状态下，利用各压力传感器获取当前状态下的压力数据，并上传至分析中心。
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