水下航行器仿生侧线探测阵列优化布置模型及评估方法

李怡昕, 胡桥,2,3, 刘钰, 杨倩

(1.西安交通大学机械工程学院, 710049, 西安; 2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 710049, 西安; 3.西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室, 710049, 西安)

自然界中鱼类在水中的生存依赖于对水中环境信息的感知,视觉系统与侧线感知系统是鱼类最主要的两个感受器官。深水中环境接近黑暗,压力不断增大。经过长期的自然选择,鱼类进化出除视觉系统以外的感受器官——侧线感知系统,辅助它们在复杂的水下环境、深海等无光源区域正常游动、捕食及躲避障碍物[1],同时也弥补了视觉功能在黑暗环境中无法作用的缺点。

鱼类的侧线感知系统为水下航行器人工侧线系统的设计提供了灵感,目前对人工侧线传感器阵列布局的研究中,主要以水下机器人的头部及侧面的等距分布为主。2005年,Guestrin等提出了一种互信息准则来选择传感器位置,以最大限度地减少感知位置的不确定性[2];2014年,巴斯大学的Chambers等模拟侧线系统设计了一个安装有多个压力传感器的三维机器鱼鱼头,研究仿生侧线系统对于圆柱绕流形成的卡门涡街的水动力特性压力信号的探测[3];2017年,佛罗里达大学的Mohseni团队设计了一种用于自主水下航行器的分布式压力传感系统,能够探测流场环境的改变情况[4];同年,该团队对其侧线传感系统进行改进,通过传感器模块化设计及其规则布局,对周围环境水动力信息及障碍墙壁位置进行探测与捕捉[5-6];2018年,Yanagitsuru等针……