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基于人工侧线和深度学习的仿生鱼流场感知研究

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基于人工侧线和深度学习的仿生鱼流场感知研究

作者：钟琳森广东海洋大学

学位级别：硕士

随着人类对海洋资源的开发,仿生机器鱼在海洋技术领域的应用越来越广泛,比如海底矿产资源的开采、海底管道的维护、海洋灾害的监测等。目前仿生机器鱼的研究内容包括感知、导航和通讯,传统机器鱼的感知研究通常采用超声波雷达和图像,但... 详细信息

随着人类对海洋资源的开发,仿生机器鱼在海洋技术领域的应用越来越广泛,比如海底矿产资源的开采、海底管道的维护、海洋灾害的监测等。目前仿生机器鱼的研究内容包括感知、导航和通讯,传统机器鱼的感知研究通常采用超声波雷达和图像,但是在深海里超声波衰减迅猛且光线弱,对超声波雷达的声波效果和图像的成像效果产生较为严重的影响,这些传感技术均是需要能耗的有源传感,因此开发一种在深海环境中进行流场感知的无源传感系统显得尤为重要。本文受到鱼类侧线感知机理的启发,将侧线原理应用到机器鱼的感知系统。首先根据浸入边界格子玻尔兹曼数值计算方法,基于C++开发一套研究仿生鱼游动的数值模拟应用程序;其次基于LSTM神经网络建立仿生鱼运动的感知系统,以此系统开展仿生鱼游动速度感知效果的研究;最后基于BP神经网络探究在涡流中仿生鱼对位置的感知效果,并分析不同因素对位置感知的影响,具体内容如下:(1)基于浸入边界格子玻尔兹曼方法搭建了仿生鱼自由游动的数值仿真平台。首先基于该平台开展了圆柱绕流的数值模拟,对比文献分析了斯特劳哈尔数,升力系数和阻力系数。其次基于该平台开展了推进翼型的数值模拟,对比分析了推进翼型在均匀来流作用下的升力系数、阻力系数、力矩系数和水动力功率系数。由此验证了该数值模拟平台的可靠性,为后文研究游速感知和位置感知提供可靠的计算工具;(2)基于数值仿真平台开展仿生鱼的游动速度感知研究。根据上述数值仿真平台开展静水中仿生鱼三自由度运动的数值模拟,获取侧线上的压力和流速信号,通过LSTM神经网络对原始信号进行特征提取,从而感知仿生鱼的游动速度。研究结果表明:压力信号、流速信号和两种信号同时作用时感知游速的平均相对误差分别为2.97%、1.13%和1.21%;(3)基于数值仿真平台开展仿生鱼的位置感知研究。首先分析圆柱绕流模型的水动力机制,设置特定的感知区域,将感知区域离散成631个位置,并对仿生鱼在感知区域内不同位置的流场进行数值模拟,获取侧线上各测试点的压力和流速信号,采用快速傅里叶变换提取频率的幅值,然后基于BP神经网络开展仿生鱼的位置感知效果验证。研究结果表明:压力和流速对位置感知的绝对误差均小于体长的0.1倍,其中压力信号对位置感知合格率为98%,流速信号对位置感知合格率为96%。

关键词：仿生鱼人工侧线浸入边界格子玻尔兹曼方法深度学习流场感知

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基于流场感知的小型飞行器姿态控制

导航定位与授时 2020年第6期7卷 131-137页

作者：朱苏朋符文星杨军孙文桃西北工业大学航天学院西安710072

小型飞行器由于外形尺寸等限制很难实现理想的姿态控制,而自然界中的鸟类却可以完成高质量的飞行,原因是它们能够获得自身周围的气流信息。受这些自然现象的启发,设计了一个基于流场感知的小型飞行器姿态控制系统。通过流场感知的气流信... 详细信息

小型飞行器由于外形尺寸等限制很难实现理想的姿态控制,而自然界中的鸟类却可以完成高质量的飞行,原因是它们能够获得自身周围的气流信息。受这些自然现象的启发,设计了一个基于流场感知的小型飞行器姿态控制系统。通过流场感知的气流信息(压力和剪应力)可以计算出气动力和力矩。建立了一种小型飞行器的非线性三轴姿态动力学模型,将力矩信息引入姿态运动,然后利用非线性模型预测控制来设计姿态控制器。与传统的控制方法相比,这种新型控制方法不需要从气动实验获得的先验信息,所用的参数都是由在线测量得到的数据计算得出的,因此能及时感知外界环境变化并减少响应时间。仿真结果表明,该控制方法可以提高小型飞行器在复杂流场环境下姿态控制系统的性能。

关键词：小型飞行器姿态控制流场感知非线性模型预测控制

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水下机器人基于侧线机理对目标感知方法的研究

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船舶力学 2020年第5期24卷 559-569页

作者：林兴华武建国秦青李为民河北工业大学机械工程学院天津300130 中国汽车技术研究中心有限公司天津300300

为实现自主水下机器人(AUV)对流场环境的感知,提高其环境自适应能力,根据鱼类侧线感知机理,对复杂流场环境中水下目标的感知方法进行研究。文章通过计算流体力学(CFD)对水下目标体(圆形、三角形和正方形)在均匀流场中产生的扰动流场进... 详细信息

为实现自主水下机器人(AUV)对流场环境的感知,提高其环境自适应能力,根据鱼类侧线感知机理,对复杂流场环境中水下目标的感知方法进行研究。文章通过计算流体力学(CFD)对水下目标体(圆形、三角形和正方形)在均匀流场中产生的扰动流场进行分析,提取一种流场环境中确定位置处的压力信号作为识别信息数据库,训练并建立支持向量机(SVM)模型。通过采集不同位置和不同流场环境中的流场信号对目标体的种类进行识别,结果表明采用8阶及以上的多项式核函数,可以对不同流场环境中的目标体种类进行有效识别,侧线相对目标体的位置对识别精度影响不大;同时通过侧线压力系数波形中的特征值,对目标体的位置进行定量分析,得到不同目标体的位置定位公式,并对其适用的流场环境范围进行了限定说明。结果证明,所提出的基于流场信息进行水下目标感知的方法具有可行性,为了解侧线作用机理和工程化应用提供了一种新思路。

关键词：支持向量机侧线系统流场感知数值模拟目标识别

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基于侧线感知原理的仿生检测器件的研制

基于侧线感知原理的仿生检测器件的研制

作者：许奎伟大连理工大学

学位级别：硕士

人工侧线是近年发展起来的检测气体、液体流场环境(包括流体速度、流体加速度等)信息的仿生传感器,在水下探测、微流体检测、智能皮肤等方面有重要的应用前景。但是,现有侧线传感器在流向辨别、低频扰动过滤等方面存在不足,可靠性、功... 详细信息

人工侧线是近年发展起来的检测气体、液体流场环境(包括流体速度、流体加速度等)信息的仿生传感器,在水下探测、微流体检测、智能皮肤等方面有重要的应用前景。但是,现有侧线传感器在流向辨别、低频扰动过滤等方面存在不足,可靠性、功耗、体积均难以满足微型化和集成化要求。本文设计了一种基于鱼类侧线感知原理的纤毛式流场检测器件,用于检测流体流速的微小变化,具体研究内容如下:(1)研究了侧线检测器的仿生原理。通过对斑马鱼侧线的观察和研究,介绍了侧线神经丘的分布和生物学结构,并分析了其形态和功能,研究了侧线神经丘对流体信号(刺激和扰动)的感受机理。依据仿生工程学原理,提出了基于仿生侧线感知原理的新型MEMS检测器件的研制思路。(2)对仿生检测器的纤毛阵列结构等进行了设计和数值模拟。根据侧线神经丘感受流体刺激的工作原理进行了检测器件结构设计,研究了纤毛深宽比对检测器件灵敏度的影响,确定了动纤毛高度为1000μm,纤毛直径为150μm,利用Comsol有限元分析软件进行流场的数值模拟,创新性地设计了纤毛簇的阶梯式阵列单元,提高了检测器件的灵敏度,同时能够实现流向辨别、低频扰动的过滤。(3)研究了仿生检测器的制造方法。制造了一种新型的基于鱼类侧线感知原理的MEMS检测器件,主要包括敏感基底、纤毛簇和包覆凝胶三部分,分别与侧线神经丘的感受细胞、毛细胞和胶质顶一一对应。采用溶胶-凝胶法制备了PZT溶胶,旋涂到基片上得到压电薄膜,通过光刻、溅射、干法刻蚀等MEMS工艺完成了检测器件敏感基片的制作。最后,利用SU-8 2150光刻胶倾角旋涂与立体光刻制作了阶梯式静纤毛单元,使用光纤丝制作了大深宽比的动纤毛。(4)开展了仿生检测器件样机的组装与性能的初步测试。组装了敏感基片、动纤毛和水凝胶帽,通过精密装配工作台实现动纤毛的粘接,并用水凝胶滴铸成形工艺实现纤毛簇的包覆。在空气流场中对检测器样机进行了初步测试,对比了有无包覆水凝胶的样机对流场信号的响应,验证了检测器的流向辨识功能。结果表明,未包覆水凝胶的检测器的灵敏度为0.57mV/(mm/s),包覆水凝胶的检测器的灵敏度为1.18mV/(mm/s),包覆水凝胶检测器的灵敏度提高了2倍,检测器的非敏感方向输出信号较小且有滞后现象。

关键词：仿生侧线流场感知压电薄膜 MEMS器件

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车辆队列行驶的空气动力学性能研究进展

汽车实用技术 2022年第8期47卷 188-204页

作者：秦青刘学龙王海洋王晓鸣中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司天津300300 天津科技大学机械工程学院天津300222

车辆队列行驶技术作为智能交通系统中的重要组成部分,在节能减排、优化交通状态、提高行驶安全等方面具有重大意义。优化车辆队列行驶的空气动力学性能,是提高其节能减排作用的重要手段之一。文章详细总结了车辆队列行驶的空气动力学研... 详细信息

车辆队列行驶技术作为智能交通系统中的重要组成部分,在节能减排、优化交通状态、提高行驶安全等方面具有重大意义。优化车辆队列行驶的空气动力学性能,是提高其节能减排作用的重要手段之一。文章详细总结了车辆队列行驶的空气动力学研究内容,根据影响队列空气动力学性能因素的不同,将其分为队列内部因素(车与车)和队列外部因素(车与环境),其中,队列内部因素阐述和分析了车辆造型、速度、车辆数目、间距及队列形式对整体的气动性能影响;队列外部因素阐述和分析了自然环境和道路环境对整体气动性能的影响,同时梳理了每种因素的发展与研究现状。最后总结了车辆队列行驶中空气动力学研究的关键技术和发展趋势,为将来队列行驶的推广应用提供理论基础。

关键词：车辆队列行驶空气动力学群智能算法流场感知

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仿生水动力学柔性传感器件与系统的研究进展

功能材料与器件学报 2021年第4期27卷 292-303页

作者：马治强公正何其沛刘公超盛天宇胡晓禾张德远蒋永刚北京航空航天大学机械工程及其自动化学院北京100191 北京航空航天大学国际交叉科学研究院北京100191

海洋生态环境监测亟需高灵敏度的柔性流场感知器件与系统。物竞天择,生物已经进化出了各种各样性能优异的流场感知器官,为我们开发柔性流场感知器件提供了灵感的源泉。本文综述了以鱼类侧线、海豹胡须、鳄鱼圆顶感受器等为代表的水下生... 详细信息

海洋生态环境监测亟需高灵敏度的柔性流场感知器件与系统。物竞天择,生物已经进化出了各种各样性能优异的流场感知器官,为我们开发柔性流场感知器件提供了灵感的源泉。本文综述了以鱼类侧线、海豹胡须、鳄鱼圆顶感受器等为代表的水下生物流场感知器官,介绍了其感知原理及其功用。随后,本文介绍了仿生流速传感器、压力传感器及涡流传感器等水下柔性流场传感器件与系统,以及其在水下航行器流场分析和水生生物可穿戴方面的应用。最后,本文讨论了仿生柔性流场传感领域的技术瓶颈与发展趋势,并展望了其在水下流场智能分析的应用前景。

关键词：仿生学水动力学柔性电子流场感知

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