[发明专利]仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生触须传感器技术领域，尤其涉及一种仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法。

背景技术

海洋油气资源和深海矿产资源开发是具有战略意义的新兴领域，具有巨大的开发潜力。在海洋资源勘探开发过程中，自主水下机器人是必不可少的工具之一，其通常使用相机或声纳技术作为感知系统，其中，相机不适用于浑浊或黑暗的水体，而声纳和声学系统非常昂贵、电池性能也有限。与依赖视觉和听觉的水下传感器相比，近年来研究的仿海豹触须传感器通过水流变化感知到周围物体，更适合于水下机器人的感知系统。

蒙住眼睛的海豹能借助胡须感知只有0.7μm因微小猎物引起的水流扰动，实现猎物跟踪。2010年，B.Stocking等受到海豹触须感知功能的启发，以电容为基础，研发出了能感知水流速度和方向的人工触须传感器，将刚性人工触须安装到叠锥型的平行电容基体上，并通过PDMS薄膜提供必要的阻尼和恢复力。2013年，Robyn Grant等通过实验方法研究了海豹辨识物体大小的方法，结果表明，海豹通过接触物体的触须数量快速确定物体大小，一般不超过400ms。W.C.Eberhardt等对传感器进行了改进：调整触须变形测试模式、增加内圆锥尺寸、用银环氧树脂电镀、屏蔽信号线路、减小电容以抑制电压输出范围。改进后的传感器增益最高达到了改进前的300倍。Mohsen Asadnia等通过金线将10个触须传感器互联，并封装到柔性液晶聚合物培养基上。

目前仿生触须传感器的研究大多侧重其接触机理及物体特征的提取，而对于影响其辨识精度和可靠性的动力学特性缺乏深入了解。仿海豹触须具有质量轻、细长比大、中空、变截面及高柔性的特点，其振动特性容易受到水动力的影响，对传感器的稳定性和精度控制提出了更高要求。鉴于此，为保证水流状态下仿海豹触须传感器的辨识精度，需要深入了解水流状态下仿海豹触须传感器的动力学特性。流-固耦合动力学问题一直是学术界的难点，增加了水流状态下仿海豹触须传感器动力学研究的难度，有研究人员通过加速度传感器和激光唯一传感器对仿生海豹触须传感器的动力学特性进行研究，但是由于加速度传感器难于固定到触须上，且其相对质量过大，会严重影响触须的振动特征，而激光位移传感器测试量程固定，不能准确捕捉流动状态下仿海豹触须传感器的实时振动特征。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前对于仿生海豹触须传感器的分析存在不足，本发明提供了一种仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿生海豹触须传感器的动力学特性的分析方法，包括以下步骤：

A1、将一根仿生海豹触须分成连续多个Timoshenko梁段，令所述Timoshenko梁段的左端面的弯矩和剪切力分别为M_i-1,Q_i-1，右端面的弯矩和剪切力分别为M_i,Q_i，建立所述Timoshenko梁段的运动学方程如下：