仿海豹胡须阵列检测水中运动目标尾流特征

作     者：王森 徐贺 孔德义 熊玉林 WANG Sen;XU He;KONG Deyi;XIONG Yulin

作者机构：中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所合肥230031 中国科学技术大学信息科学技术学院合肥230026 中国科学院种子创新研究院北京100101 

出 版 物：《哈尔滨工业大学学报》 (Journal of Harbin Institute of Technology)

年 卷 期：2022年第54卷第6期

页      面：63-71页

核心收录：

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主　　题：传感器阵列 海豹胡须 尾流特征 仿生结构 信号检测 

摘      要：为检测水中运动目标的尾流特征,获取运动目标运动轨迹方向、几何尺寸等参数信息,通过模仿海豹使用胡须探测猎物的机理,提出了一种仿海豹胡须的尾流探测方法。首先,用3D打印技术制作了与海豹胡须形态相似的胡须模型,并结合压阻元件等材料制作了可感知水中运动目标尾流的传感器阵列。其次,设计尾流检测实验方案,并对0.5、1.0、1.5 m/s的均匀来流及具有微小波动的非均匀流场情况进行仿真分析,获取不同流场情况下的尾流速度场分布,分析S;的升力系数及频谱分布,并与理论计算得到的尾流漩涡脱落频率进行对比,验证实验方案的有效性。最后,在实验室条件下,采用该传感器阵列实现了对被测目标尾流特征的测量,并分析了仿海豹胡须夹角对尾流检测的影响。结果表明:在不同来流情况下,胡须模型升力系数波动较明显,经快速傅里叶变换获得的主频与尾流漩涡脱落频率理论值一致性较好;在尾流区内传感器探测尾流信号的平均电压值是非尾流区的3倍以上,由此可准确识别出尾流区和非尾流区。在此基础上,对平均电压值衰减的梯度方向进行分析,实现了对被测目标运动轨迹方向的估算。该传感器阵列测得尾流信号的最大响应频率接近数值仿真的主频,通过对该响应频率进行反演,实现了对被测目标直径尺寸的估计;仿海豹胡须夹角的大小会影响传感器涡激振动的产生,增加扰动信号,但对运动轨迹方向的估算及被测目标尺寸的估计无明显影响。