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起源：《流体丈量与节制》、溪流之大陆人生

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传感器机能的好坏间接决意了移动机器人的机能，并起到至关重要的作用。近年来，水下机器人传感技巧正在海洋工程跟海洋资源勘探范畴遭到了普遍存眷。一方面，水下机器人须要感知情况，停止自立导航跟避障；另一方面，水下机器人借依赖于传感技巧的保证去履行各类实际使用的使命，例如水下方针检测、水下机器人抓取跟水下高精度3D丈量等。是以，水下机器人传感技巧施展着愈来愈紧张的作用。

正在水下情况中，若是可能感知到流速跟压力的颠簸变更的才能，便可能实现及时形态反应、对其他飞行器的跟踪和对水下有利的能源前提的辨认等功用。大多数水下传感技巧依赖于声旌旗灯号、光旌旗灯号、电磁旌旗灯号跟仿生传感器。这些水下传感器的原理及特色概述详细以下：

声呐。声呐是经由过程丈量声波脉冲的流传工夫跟相位差去对水下物体的地位停止估测。声波脉冲可以正在更长的规模内事情，且不会遭到水质浊度的影响。虽然水声传感方式存在较大的传感规模，但分辨率较低，限定了水下声呐的实际使用。

光学传感器。光学传感器是经由过程捕捉周围环境的光旌旗灯号从而获得周围环境的信息，可能供给更下的分辨率。然而，因为庞大的水下光照前提，光学传感器只能实现短程的传感使用。

电磁传感器。基于电磁旌旗灯号的传感器可以使用于水下情况，并对距离停止精确测量。然而，水下情况电磁场能够会滋扰电磁传感器的丈量精度。

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仿生传感器。近年来，研讨职员对仿生传感技巧展开大批研讨并取得普遍存眷。有研讨小组将哺乳动物跟虫豸的触须作为海洋机器人传感器计划的灵感，厥后将这类灵感扩展到水下传感器的计划使用中。与海洋上经由过程与物体间接打仗所网络信息的触须传感器分歧，正在液体情况中，挪动跟静止的物体会发生活动或扰动，这些扰动旌旗灯号可能被远处的触须传感器检测到。水下生物应用触须停止感知跟跟踪的物理机制，能够与其触须的多少特点布局所供给的布局动力学、摆列正在生物体概况上的触须阵列设置和每一个触须基部的机器感受器的动力学组合有关。

触须传感器比拟于其他传感器存在必然的劣势。触须传感器计划绝对简单，本钱昂贵。触须传感器可以经由过程扫描模式供给距离随工夫变更的信息，同时，借可以供给方针物的外形信息。正在近距离内，多个触须借可以供给周围环境空间信息。触觉旌旗灯号对分歧的情况前提是不会发生变化的。相比之下，红外或声呐传感器会遭到探测工具类型及情况的影响，其反射旌旗灯号能够会发生变化。是以，触须传感器被普遍用于水下传感等使用。本文将对水下情况中触须传感器的使用研讨停止具体论述。

水下机器人及仿生传感器近况

许多国度对水下机器人停止了长时间研讨。例如，美国军方计划了“蓝鳍”自立水下飞行器，如图1所示，它可以履行自立水下导航跟方针检测，并正在2014年搜刮失踪的马来西亚航空公司MH370客机使命中施展了紧张作用。

俄罗斯计划了“战争1号”跟“战争2号”水下机器人，这是世界上独一一对可能停止水下协同探测的载人潜水器。德国开辟了名为“深海C”的水下机器人，它是一种4000m的水下飞行器，可以正在深海中接连事情60h。法国开辟了“VICTOR6000”，如图1所示，这是一种经由过程电缆支配的水下机器人，可以获得高质量的水下光学图像。英国开辟了全自动“Autosub6000”潜艇，如图1所示，该潜艇装置了电池跟传感器，可能自力导航。

日本开辟了一种深海水下机器人，名为“Kaiko”ROV，如图1所示，装置有各类水下传感器，该潜水器曾经潜水296次。中国也对水下机器人停止了普遍的研讨。例如，沈阳自动化研究所开辟的“乾隆”跟“海斗”水下机器人，如图1所示，这些机械人均装备了声呐、摄像机跟灯光装置，曾经实现了从海面到海床的分歧深度的林林总总水下使命。中国船舶科学研究中间、沈阳自动化研究所开辟了“蛟龙”号跟“芬多哲”号载人水下潜艇用于深海勘探，如图1所示。另外，哈尔滨工程大学借开辟了“橙鲨”跟“海岭”等水下机器人，这些水下机器人经由过程装置各类水下传感器实现对水下情况的探测。中国科学院自动化研究所计划的“仿生海豚”水下机器人可实现正在800m深的水下停止接连功课。

图1水下机器人

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正在海洋生物中，海豹可以应用其存在的卵形横截面的触须去鉴识水流标的目的。存在卵形横截面的髯毛，和位于海豹底部的脸颊神经作为传感元件的触须，当水流来自分歧标的目的时，其触须将存在分歧的特点尺寸，从而招致了触须上阻力的分歧。因为触须内没有存在神经，阻力将这些应力信息传送到触须底部的面颊上，并为海豹发生感到旌旗灯号。受此开导，利用韧性树脂经由过程平面光刻技巧制造的下纵横比椭圆柱，用于蒙受水下扰动发生的压力梯度信息，模拟实现了海豹触须与水流相互作用的新型仿生传感器，该仿生传感器被用于口岸去获得水下扰动的信息。该仿生传感器的布局示意图如图2所示，由传感膜片跟叉指电极所组成，用于蒙受从支柱转移的应力并发生旌旗灯号，近似于海豹髯毛底部面颊的神经。

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图2传感器布局

触须与物体打仗的示意图如图3所示。图中，触须传感器枢轴点到接触点之间的距离为径向距离，θ0默示延长角，λ是地位h处传感器丈量的偏转角，传感器θ1处的切向角为θ1＝θ0－λ。

图3自动触须传感器体系

假定正在触须上有一个与方针物体的单点接触，因为触须存在蜿蜒刚度，若是方针工具是圆形的，那么触须上的接触点正在扰动过程中将产生挪动，其与基座的打仗距离也将产生转变，从而取得方针工具的外形信息。若是方针工具有一个锐角，那么当触须正在方针工具的概况上产生滑动时，打仗距离将会连结稳定。假定一个触须可以对一个点接触的距离停止估测，那么一组触须便可以网络方针工具或周围环境的更多信息。多个触须有助于对方针物体的距离及外形停止检测跟辨认。

水下传感器使用近况

1、水声传感器

水声测距/成像传感器次要包罗单波束声呐、侧扫声呐跟多波束声呐。单波束声呐经由过程吸收传感器所收回的短脉冲声旌旗灯号波束，并依据路程工夫对沉没物体的深度停止丈量。侧扫声呐由节制单位、拖曳体、电缆跟记录器等子模块构成，致力于具体对地形、地质及矿物信息停止丈量，并可以履行对方针的搜刮跟跟踪。

多波束声呐是多个单波束声呐的组合，可经由过程路程工夫取得水下方针的高精度标的目的跟深度值信息。水声定位传感器可以对被测物体的地位停止丈量。因为声呐可以对中近程水声图象的数据停止获得，是以，声呐被普遍用于水下方针的检测跟跟踪。基于声呐的方针检测跟跟踪是经由过程对收罗数据的正确处置惩罚实现的，这类方式耗时且影响声呐传感器的机能。

2、水下电磁感应传感器

水下电场传感可使机器人正在庞大的水下情况中停止通讯，并无效制止声学多径效应。正在南美洲电鳗跟非洲管鱼的开导下，研讨职员开辟了一种基于仿生电场的通讯体系，可以正在庞大的水下情况中停止无效通讯。水下磁感应存在隐蔽性下、探测机能强、定位精度初等优点，是以，基于磁感应的水下传感器可以正在庞大的水下情况前提下事情。例如，美国跟加拿大水师正在白令海峡周围的冰山上布置了电磁感应电极，并与卫星定位系统共同，胜利探测到苏联的“特雷萨拉”核潜艇。

3、水下仿生传感器

为了进步水下机器人的感知才能，基于仿生原理的触须传感器被研讨职员开辟并使用。侧线是鱼的一个感到器官，可以感知周围水流的变更，从而资助鱼正在暗中前提下感知周围的情况。受此开导，人工侧线传感器被开辟并使用于对实际情况的感知。触须是水下生物的紧张感知器官，被用于辨认、定位跟跟踪猎物。受海豹触须的开导，研讨职员开辟了许多天然触须传感器，并正在水下设备中取得使用。

正在大陆布局物中，盘绕圆柱形立管的支腿因为会惹起布局的振动，给海洋工程带来了工程难题。经由过程对海豹的触须停止研讨，将振动跟仿生计划相结合，展现圆柱形布局物周围流体活动的根本物理原理（海豹的触须若何使它们可能感知情况），计划出了水下流量传感器。装置正在自立水下飞行器上的这类传感器可以无效天进步飞行器的导航才能。

仿生流量传感器及其使用

受海洋生物触须的开导，近年来研讨职员计划并制造了多种存在触须状布局的流量传感器。仿生流量传感器平常由下纵横比圆柱布局跟传感基座所构成。当触须布局遇到不变或静态的活动安慰时，它会偏转并正在传感底座中发生下弯曲应力，该应力被转换为与活动安慰成比例的可丈量的电信号。将传感基座处的机器形变转换为电信号输出的传感原理可以是电阻式、压阻式、电容式、压电式或光电式。仿生触须传感器可降低发生的噪声，进步高雷诺系数下流量传感器的信噪比。

与水下生物比拟，现阶段的人工水下传感器正在检测精度、距离、灵敏度等技术指标上借存在较大差异，并且正在传感器的功耗跟体积上也有良多方面须要改良。若何将各类情况信息转化为电信号，从而失掉周围环境的信息并停止自立处置惩罚是水下传感器的焦点，也是将来触须传感器正在水下飞行器、水下布局物监测中取得广泛应用的要害。经由过程加强现有仿生传感器的信息转换才能，开辟新型触须传感器资料，多类型触须传感器融会，将会是触须传感器正在水下取得使用的必经之路跟应战。

结语

基于仿生学的触须传感器正在水下使用存在紧张的研讨意思。触须传感器经由过程感知情况扰动旌旗灯号对水下情况实现了监测。本文经由过程对分歧的水下传感器原理及使用停止先容，比照了分歧类型水下传感器的各自特色。对仿生学传感器的计划理念停止了简述，并给出触须传感器的计划原理跟思绪，总结出触须状传感器对流体激起旌旗灯号的机器传送机制和触须机器布局正在传感进程中的事情原理。最初，对基于触须传感器原理的水下流量传感器及其正在水下情况中的使用近况跟面临的应战停止重点概述，展望了触须传感器正在水下情况中将来的开展战略。

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