王 森,徐 賀,孔德義,熊玉林

(1.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所,合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,合肥 230026；3.中國科學(xué)院 種子創(chuàng)新研究院,北京 100101)

水下航行器在航行時,會在經(jīng)過的區(qū)域產(chǎn)生尾流。尾流的區(qū)域特性與水下航行器的幾何尺寸、軌跡方位等密切相關(guān)。因而可以通過檢測并分析水下航行器的尾流特征參數(shù),來估算水下航行器的位置、航向、特征長度大小等信息[1-3]。當(dāng)前常用的尾流檢測方法主要有：聲學(xué)檢測、光學(xué)檢測、遙感檢測等。聲學(xué)檢測探測距離遠(yuǎn),但在地形復(fù)雜的淺海海域,水下混響等會對聲學(xué)檢測產(chǎn)生較大的干擾[4]。光學(xué)檢測方向性好,靈敏度高,但是激光在水體中損耗程度高[5]。遙感檢測可在一定高度對廣泛區(qū)域進(jìn)行檢測和搜索,但是難以實(shí)現(xiàn)對深水層目標(biāo)的探測[6]。隨著現(xiàn)代水下航行器的隱身技術(shù)、降噪技術(shù)的發(fā)展以及易受實(shí)際水下復(fù)雜自然環(huán)境干擾和人工干擾的影響,使得傳統(tǒng)聲學(xué)、光學(xué)等尾流探測技術(shù)作用十分有限,因此對于水下航行物的探測需要研究新的方法和途徑。

國外有專家研究了海豹在無法通過視覺和聽覺來感知外界信息的情況下,仍然可以使用胡須來探測獵物的蹤跡。如Schulte-Pelkum 等[7]開展了大量實(shí)驗(yàn),證實(shí)海豹在眼睛和耳朵均被蒙住的情況下,可以通過胡須捕捉水流細(xì)微擾動,從而實(shí)現(xiàn)對獵物的定位和跟蹤。此后,圍繞海豹胡須的作用機(jī)理,Fish等[8]發(fā)現(xiàn)海豹胡須的橫截面近似為橢圓形,并且沿其軸向具有重復(fù)的波峰波谷分布。Hanke 等[9]基于仿真和粒子成像速度分析技術(shù),發(fā)現(xiàn)海豹胡須特殊的幾何形態(tài)有利于減少自激振動。Beem 等[10-11]基于海豹胡須特殊的幾何形態(tài)設(shè)計(jì)了單根水中壓阻傳感器,提高了傳感器檢測精度。此外,他們還利用該傳感器感知迎流,并對傳感器測得的振幅和偏角進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)對流速和流向的測量。Kottapalli等[12-13]同樣模仿海豹胡須的幾何形態(tài),研發(fā)了微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system,MEMS)壓電傳感器。相比于圓柱狀傳感器,該傳感器具有更高的靈敏度,可以探測到流速低于193 μm/s的擾動。然而,目前對海豹胡須的研究和應(yīng)用主要集中在幾何形態(tài)分析及提高單根傳感器的檢測精度等方向,通過傳感器陣列來綜合感知尾流特征的研究較少。本文結(jié)合海豹胡須感知尾流機(jī)理,設(shè)計(jì)了一種模仿海豹胡須探測的尾流感知傳感器,并組成傳感器陣列對水中運(yùn)動目標(biāo)尾流特征進(jìn)行檢測。

1 尾流感知傳感器設(shè)計(jì)

海豹胡須具有良好的流體探測能力,呈圖1(a)[8]所示的波浪起伏狀。海豹胡須內(nèi)部組織主要為自體感覺皮質(zhì)區(qū),簡化結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示[14]。自體感覺皮質(zhì)區(qū)主要包括兩部分,一部分為體外波浪起伏狀胡須,另一部分為體內(nèi)感知竇體。

圖1 海豹胡須模型Fig.1 Seal whisker model

海豹胡須幾何形態(tài)可以看作具有橢圓形狀的橫截面,沿其長度伸展方向具有重復(fù)的波峰和波谷排列。以文獻(xiàn)[15]測量的尺寸為基礎(chǔ),同時為充分獲取流場信息并結(jié)合現(xiàn)有加工條件,設(shè)計(jì)了一種尺寸放大10倍的胡須模型,該胡須模型采用3D打印技術(shù)及光敏樹脂材料制作。制作了具有4個波浪起伏狀周期、總長L=137.92 mm的胡須模型,如圖2所示。圖2(a)、2(b)為同一個胡須模型的不同方向視圖,圖2(a)為長軸方向的正視圖,圖2(b)為短軸方向的正視圖,其中胡須模型的長軸波峰Wa=10.50 mm，短軸波峰Wb=4.38 mm，長軸波谷Wk=8.32 mm,短軸波谷W1=3.56 mm，長軸方向與短軸方向上的波峰波谷截面中心之間的距離M均為17.24 mm。

圖2 仿海豹胡須模型長軸、短軸視圖Fig.2 Long axis and short axis view of bio-inspired seal whisker model

模仿海豹胡須的尾流感知傳感器系統(tǒng)如圖3所示,主要包括Arduino處理器、運(yùn)算放大器、柔性壓阻式敏感元件、胡須模型4部分。考慮到海豹胡須感知主要涉及到偏轉(zhuǎn)量的動態(tài)測量,采用柔性壓阻式敏感元件作為感知元件,通過運(yùn)算放大器使壓阻元件的輸出信號與實(shí)際壓力值呈線性關(guān)系。其中柔性壓阻式敏感元件為Tekscan公司生產(chǎn)的A201薄膜壓力傳感器,測量范圍為0～4.4 N,厚度為0.203 mm,線性誤差<±3%,重復(fù)性<±2.5%,遲滯性<±4.5%,漂移<5%。該傳感器質(zhì)量輕、厚度小、感測精度高,常用于工業(yè)、醫(yī)療觸力測量。

圖3 尾流感知傳感器系統(tǒng)Fig.3 Wake sensing sensor system

2 尾流檢測實(shí)驗(yàn)方案

尾流檢測實(shí)驗(yàn)平臺主要由傳感器支撐架、導(dǎo)軌支架等構(gòu)成,圖4為尾流檢測實(shí)驗(yàn)平臺示意圖。尾流檢測實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室水槽中進(jìn)行,水槽上方搭建了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的移動滑臺,將導(dǎo)軌支架固定在移動滑臺上,傳感器支撐架在導(dǎo)軌支架牽引下實(shí)現(xiàn)水平方向運(yùn)動,如圖5所示。胡須模型與壓阻元件采用納米聚氨脂(PU)膠凝合材料黏結(jié),并固定于傳感器支撐架上。

圖4 尾流檢測實(shí)驗(yàn)平臺示意圖Fig.4 Schematic diagram of wake detection experimental platform

圖5 尾流檢測實(shí)驗(yàn)平臺Fig.5 Wake detection experimental platform

本實(shí)驗(yàn)采用直徑D=4 cm的圓柱作為被測目標(biāo)。為簡化實(shí)驗(yàn)及避免尾流到達(dá)水槽壁面產(chǎn)生回波干擾,該被測目標(biāo)與傳感器陣列同時以1.0 m/s的速度進(jìn)行勻速直線運(yùn)動。為使胡須模型自身產(chǎn)生的擾動降到最低,將胡須模型的長軸方向與運(yùn)動方向保持一致,即夾角(胡須模型的長軸方向與運(yùn)動方向之間的夾角)為0°。位于被測目標(biāo)后方的9個傳感器組成3×3方形陣列,具體分布方式及編號如圖6所示。設(shè)定縱向與運(yùn)動方向一致,與縱向正交方向?yàn)闄M向。第1列傳感器(S11、S12、S13)分別位于被測目標(biāo)正后方6、8、10 cm,第2列傳感器(S21、S22、S23)和第3列傳感器(S31、S32、S33)分別在橫向方向偏離2、4 cm。為將尾流可視化,在水槽中加入深色墨水(凌美公司的T52非碳素墨水),如圖7所示。圖7(a)為靜止?fàn)顟B(tài)下的流場情況,無漩渦生成,圖7(b)為拖拽實(shí)驗(yàn)條件下的流場情況,被測目標(biāo)正后方有漩渦生成,漩渦中心均在運(yùn)動軌跡兩側(cè)相距6.74 cm的范圍之內(nèi)。根據(jù)尾流生成情況,結(jié)合傳感器陣列與被測目標(biāo)的相對位置,得知S11、S12、S13、S21、S22、S23位于尾流區(qū),S31、S32、S33位于非尾流區(qū)。胡須模型受到尾流作用時發(fā)生偏轉(zhuǎn),使得壓阻元件產(chǎn)生形變,引起電阻發(fā)生變化,經(jīng)電信號濾波放大后采集數(shù)據(jù),從而獲取尾流特征信號。

圖6 傳感器陣列編號標(biāo)注及相對位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of relative positions of sensor array

圖7 尾流可視化Fig.7 Wake visualization

3 尾流檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)值仿真分析

本文模仿海豹利用胡須在靜水中對運(yùn)動目標(biāo)的尾流檢測,為便于仿真,考慮相對運(yùn)動的等效轉(zhuǎn)換,仿真中設(shè)定流速分別為0.5、1.0、1.5 m/s的均勻來流,同時考慮到仿海豹胡須對尾流檢測的通用性,設(shè)定具有微小波動的非均勻流場情況。將被測目標(biāo)及傳感器陣列作為相對靜止的參照物,仿海豹胡須陣列前方放置被測目標(biāo)以用于生成尾流,各參數(shù)與實(shí)際尾流檢測實(shí)驗(yàn)參數(shù)一致,即依照圖6標(biāo)注及相對位置參數(shù)建立幾何模型。

3.1 網(wǎng)格劃分

在模擬尾流檢測實(shí)驗(yàn)時,被測目標(biāo)后方生成尾流,流動相對復(fù)雜,因此采用非均勻分布的網(wǎng)格劃分,靠近被測目標(biāo)及仿海豹胡須陣列所在區(qū)域網(wǎng)格加密,如圖8所示。

3.2 邊界條件設(shè)定及數(shù)值求解方法

網(wǎng)格劃分之后對模型邊界進(jìn)行如下設(shè)置：1)設(shè)定速度入口。均勻來流的流速設(shè)定分別為0.5、1.0、1.5 m/s,方向與出口垂直。非均勻來流中的微小擾動設(shè)定如圖9所示,在入口處增加一組直徑大小為0.02 m、間隔為0.05 m的圓柱陣列,入口設(shè)定為1.0 m/s的定常流,定常流經(jīng)過圓柱陣列時會生成微小波動,從而形成非均勻流動。2)設(shè)定壓力出口。出口壓力為0 Pa,方向與出口垂直。3)其余邊界設(shè)定為無滑移壁面邊界。

考慮到有湍流漩渦的生成,為保證有較高的可信度和精度,采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行求解。按照進(jìn)口邊界對整個流場進(jìn)行初始化,在計(jì)算過程中,為滿足模擬結(jié)果精度要求并保證計(jì)算效率,設(shè)定時間步長為0.01 s,所有殘差精度控制均為10-3。

3.3 仿真結(jié)果與討論

圖10為不同流場情況下的尾流速度場仿真云圖,速度梯度越大,則表示受尾流擾動越大。圖10中S11、S12、S13、S21、S22、S23附近尾流速度梯度較大,因此受尾流擾動影響較大。同樣,S31、S32、S33受尾流擾動程度較小。該仿真結(jié)果與實(shí)際拖拽實(shí)驗(yàn)流場可視化結(jié)果相符合。

圖10 不同來流情況下的尾流速度場Fig.10 Wake velocity field under different incoming flow conditions

獲取仿真中S11的升力系數(shù)(lift coefficient),該升力系數(shù)可表示S11表面所受流體力情況,不同來流情況下的S11升力系數(shù)如圖11所示。在均勻來流及拋物線分布的非均勻來流情況下,S11受被測目標(biāo)尾流場作用,升力系數(shù)隨時間變化,且波動具有一定規(guī)律性。而對于有微小波動的非均勻流情況下,S11受微小波動及被測目標(biāo)尾流的疊加影響,升力系數(shù)波動無明顯規(guī)律。

圖11 不同來流情況下的升力系數(shù)Fig.11 Lift coefficient under different incoming flow conditions

本實(shí)驗(yàn)條件下被測目標(biāo)產(chǎn)生尾流的特征參數(shù)之一是尾流漩渦脫落頻率[16]。被測目標(biāo)的尾流漩渦脫落頻率f可以被測目標(biāo)通過特征長度(直徑)D和斯托勞哈爾數(shù)St表示,計(jì)算方法如下[17]:

(1)

式中U為來流速度,在尾流的亞臨界區(qū)內(nèi)St≈0.2。由式(1)可計(jì)算出均勻來流情況下的尾流漩渦脫落頻率。對于具有微小波動的非均勻流而言,可看作擾動信號(微小波動)及1.0 m/s均勻來流的疊加。具體理論及仿真計(jì)算的結(jié)果見表1。

表1 不同流場情況下的尾流漩渦脫落頻率Tab.1 Wake vortex shedding frequency under different flow fields

在不同流場情況下,理論計(jì)算得到的尾流脫落頻率與仿真計(jì)算得到的振動頻率相差均小于1.0 Hz,表明理論與仿真計(jì)算的結(jié)果具有良好的一致性。增加微小波動之后的頻譜分布中,有部分頻率低于2.0 Hz的信號,該信號為微小波動造成的擾動,但對理論計(jì)算得到的尾流脫落頻率5.0 Hz無明顯影響。由此可知,采用仿海豹胡須方法檢測尾流具有一定的通用性。

4 結(jié)果與分析

4.1 仿海豹胡須陣列尾流檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了排除導(dǎo)軌啟動時信號陡增現(xiàn)象(傳感器由靜止到運(yùn)動時出現(xiàn)的信號陡增現(xiàn)象),只考慮信號的中間階段,表2所示為尾流信號檢測結(jié)果,為探究尾流對胡須的擾動程度,對每個傳感器5 s內(nèi)測得的電壓信號取算術(shù)平均值獲得平均電壓值。圖12為傳感器陣列的電壓時域信號(黑色曲線,對應(yīng)右側(cè)坐標(biāo)軸電壓及頂部坐標(biāo)軸時間)及經(jīng)快速傅里葉變換之后對應(yīng)的頻域信號(紅色曲線,對應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)軸功率譜密度及底部坐標(biāo)軸頻率)。圖12(a)、(b)黑色曲線為第1、2列傳感器測得的振動信號,由于受尾流擾動,電壓值在0～4 V。圖12(c)黑色曲線為第3列傳感器測得振動信號,電壓值均在0～0.7 V,振動幅度比尾流區(qū)低。對振動響應(yīng)信號進(jìn)行快速傅里葉變換獲得主頻以估算被測目標(biāo)參數(shù)。第1列傳感器(被測目標(biāo)正后方的傳感器)平均電壓值均比第2列傳感器(偏離運(yùn)動方向的傳感器)、第3列傳感器(非尾流區(qū)的傳感器)平均電壓值高,即尾流擾動程度高。

圖12 仿海豹胡須陣列的振動響應(yīng)Fig.12 Vibration response of bio-inspired seal whisker array

表2 傳感器陣列測得的尾流信號結(jié)果Tab.2 Wake signal results measured by sensor array

4.2 尾流區(qū)的識別

如前文所述,作用在壓阻傳感器上的力與輸出的電壓成正比,即胡須模型受尾流擾動程度與電壓成正比。圖13為不同跟蹤距離的傳感器平均電壓值,橫坐標(biāo)表示被測目標(biāo)與傳感器的縱向跟蹤距離,縱坐標(biāo)表示對應(yīng)縱向跟蹤距離傳感器的平均電壓值。從圖13可以看出：尾流區(qū)中平均電壓值均在1.5 V以上,而非尾流區(qū)平均電壓值在0.5 V以下,尾流區(qū)的平均電壓值是非尾流區(qū)中的3倍以上。因此,在有無尾流情況下傳感器獲取的時域信號平均電壓值有明顯不同,基于平均電壓值的比較可以對尾流區(qū)和非尾流區(qū)進(jìn)行區(qū)分,如果探測到尾流的平均電壓值高于某一閾值,則可以判斷此時位于尾流區(qū)。為保證明顯區(qū)分尾流區(qū)與非尾流區(qū),將S33平均電壓值(非尾流區(qū)內(nèi)最大的平均電壓值)2倍設(shè)定為判斷閾值,即本實(shí)驗(yàn)中尾流區(qū)與非尾流區(qū)閾值設(shè)置為0.84 V,當(dāng)平均電壓值高于0.84 V時則表明此時傳感器位于尾流區(qū),否則位于非尾流區(qū),從而檢測并判斷出是否有尾流存在。

圖13 不同跟蹤距離的傳感器平均電壓值Fig.13 Average voltage value of sensors with different tracking distances

4.3 運(yùn)動軌跡方向估算

圖14為偏離運(yùn)動軌跡方向上的傳感器平均電壓值,用橫坐標(biāo)表示胡須中心與被測目標(biāo)中心之間的橫向距離,縱坐標(biāo)表示每個傳感器測量的平均電壓值,其中Si1(i=1,2,3)表示縱向距離為6 cm的3個傳感器,即S11、S21、S31,同理Si2、Si3分別表示縱向距離為8 cm和10 cm的傳感器。

從圖14可以看出,尾流強(qiáng)度會隨著與偏離中心線距離的增加而逐漸衰減。當(dāng)傳感器位于被測目標(biāo)正后方時,平均電壓值最高,隨著偏離距離的增加,平均電壓值逐漸減小,在非尾流區(qū)中數(shù)值最小。由此可根據(jù)平均電壓值衰減程度來判斷傳感器與被測目標(biāo)運(yùn)動軌跡方向的偏移距離,即平均電壓值越高,則越接近被測目標(biāo)運(yùn)動軌跡中心。通過橫向排列的傳感器平均電壓值減小方向,獲取平均電壓值衰減的梯度方向,該梯度方向即為被測目標(biāo)的大致運(yùn)動軌跡方向,從而可以實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的運(yùn)動軌跡方向估算并進(jìn)行跟蹤。

圖14 不同偏離距離的傳感器平均電壓值Fig.14 Average voltage value of sensors with different deviating distances

4.4 被測目標(biāo)大小估算

根據(jù)表2中不同傳感器的主頻數(shù)據(jù)知尾流邊緣區(qū)域的傳感器(S31、S32、S33)檢測到的主頻為0.60～0.80 Hz,該信號可能由傳感器自身擾動或尾流回波引起。根據(jù)被測目標(biāo)正后方尾流的仿真計(jì)算主頻為4.67 Hz,實(shí)際測試表明,位于正后方的3個傳感器檢測到的最大主頻為5.25 Hz,結(jié)合擾動信號疊加,仿真計(jì)算的主頻與實(shí)際測試的主頻較為一致。根據(jù)式(1)計(jì)算出被測目標(biāo)特征尺寸為3.81 cm,與實(shí)際特征尺寸4 cm接近。可見,通過檢測到的最大響應(yīng)頻率信息可以估算被測目標(biāo)的特征尺寸。

4.5 仿海豹胡須夾角對尾流檢測的影響

海豹在對獵物的尾流進(jìn)行感知的過程中會頻繁擺頭,從而導(dǎo)致胡須長軸方向與流體運(yùn)動方向產(chǎn)生一定夾角,即夾角不為0°。為探究仿海豹胡須夾角對尾流檢測的影響,設(shè)定0°、45°、90° 3組不同的夾角進(jìn)行尾流檢測實(shí)驗(yàn),其他參數(shù)設(shè)定與圖6所示的實(shí)驗(yàn)方案保持一致。實(shí)驗(yàn)獲得的平均電壓值見表3,主頻見表4。

表3 不同夾角下傳感器陣列測得的平均電壓值Tab.3 Average voltage measured by sensor array at different angles of attack

表4 不同夾角下傳感器陣列測得的主頻Tab.4 Main frequency measured by sensor array at different angles of attack

4.5.1 仿海豹胡須夾角對平均電壓值的影響

圖15為仿海豹胡須夾角與平均電壓值的關(guān)系曲線,隨著夾角的逐漸增大,平均電壓值也會逐漸增加. 由前文可知,基于平均電壓值的大小來對尾流區(qū)和非尾流區(qū)進(jìn)行區(qū)分,基于平均電壓值的速度梯度方向來對運(yùn)動方向進(jìn)行估算。圖15可以看出,仿海豹胡須傳感器獲得的平均電壓值由明顯的層次區(qū)分及速度梯度的變化,因此仿海豹胡須夾角的變化對尾流區(qū)的區(qū)分及運(yùn)動方向的估算影響較小。

圖15 不同夾角的傳感器平均電壓值Fig.15 Average voltage value of sensors at different angles of attack

4.5.2 仿海豹胡須夾角對主頻的影響

圖16為仿海豹胡須夾角與主頻的關(guān)系曲線。由前文可知,基于主頻可以對被測目標(biāo)物的大小進(jìn)行反演估算。圖16可以看出,對于非尾流區(qū)的仿海豹胡須傳感器而言,其主頻逐漸增加,表明仿海豹胡須模型會產(chǎn)生一定的渦激振動,導(dǎo)致擾動信號不斷增強(qiáng)。對于正后方的仿海豹胡須傳感器而言,主頻信號均在4.80～5.60 Hz之間,反演得到的被測目標(biāo)物直徑大小范圍為3.57～4.16 cm,與實(shí)際直徑尺寸4 cm接近,因此仿海豹胡須夾角的變化對被測目標(biāo)物的直徑尺寸的估計(jì)并無影響。

圖16 不同夾角的傳感器主頻分布Fig.16 Main frequency distribution of sensors at different angles of attack

5 結(jié) 論

1)在模仿海豹胡須尾流探測基礎(chǔ)上,提出一種仿海豹胡須傳感器陣列檢測水中運(yùn)動目標(biāo)尾流特征的方法,獲取尾流時域信號。

2)仿海豹胡須傳感器輸出信號與胡須模型受尾流擾動程度成正比,基于此,若仿海豹胡須傳感器陣列輸出電壓的平均電壓值超過設(shè)定閾值,則可判斷出此時胡須模型位于尾流區(qū)。

3)獲取仿海豹胡須傳感器陣列中的平均電壓值衰減的梯度方向,從而估算出被測目標(biāo)的運(yùn)動軌跡方向。

4)對尾流信號進(jìn)行快速傅里葉變換獲得主頻特征參數(shù),通過對主頻參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)特征長度的估算。

5)分析仿海豹胡須夾角對尾流檢測的影響,隨著夾角逐漸增大,仿海豹胡須傳感器產(chǎn)生的自身擾動隨之增大,但對運(yùn)動軌跡方向的估算及被測目標(biāo)尺寸的估計(jì)無明顯影響。