水下機(jī)器人及仿生傳感器現(xiàn)狀

作者：郭明博，揚(yáng)州大學(xué)

來源：《流體測(cè)量與控制》（2022年第1期）、溪流之海洋人生

前言

傳感器性能的優(yōu)劣直接決定了移動(dòng)機(jī)器人的性能，并起到至關(guān)重要的作用。近年來，水下機(jī)器人傳感技術(shù)在海洋工程和海洋資源勘探領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。一方面，水下機(jī)器人需要感知環(huán)境，進(jìn)行自主導(dǎo)航和避障；另一方面，水下機(jī)器人還依賴于傳感技術(shù)的保障來執(zhí)行各種實(shí)際應(yīng)用的任務(wù)，例如水下目標(biāo)檢測(cè)、水下機(jī)器人抓取和水下高精度3D測(cè)量等。因此，水下機(jī)器人傳感技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。

在水下環(huán)境中，如果能夠感知到流速和壓力的波動(dòng)變化的能力，就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋、對(duì)其他航行器的跟蹤以及對(duì)水下有利的動(dòng)力條件的識(shí)別等功能。大多數(shù)水下傳感技術(shù)依賴于聲信號(hào)（聲吶）、光信號(hào)、電磁信號(hào)和仿生傳感器。這些水下傳感器的原理及特點(diǎn)概述具體如下：

（1）聲吶。聲吶是通過測(cè)量聲波脈沖的傳播時(shí)間和相位差來對(duì)水下物體的位置進(jìn)行估測(cè)。聲波脈沖可以在更長(zhǎng)的范圍內(nèi)工作，且不會(huì)受到水質(zhì)濁度的影響。雖然水聲傳感方法具有較大的傳感范圍，但分辨率較低，限制了水下聲吶的實(shí)際應(yīng)用。

（2）光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器是通過捕獲周圍環(huán)境的光信號(hào)從而獲取周圍環(huán)境的信息，能夠提供更高的分辨率。然而，由于復(fù)雜的水下光照條件（吸收和散射），光學(xué)傳感器只能實(shí)現(xiàn)短程的傳感應(yīng)用。

（3）電磁傳感器?；陔姶判盘?hào)的傳感器可以應(yīng)用于水下環(huán)境，并對(duì)距離進(jìn)行精確測(cè)量。然而，水下環(huán)境電磁場(chǎng)可能會(huì)干擾電磁傳感器的測(cè)量精度。

（4）仿生傳感器。近年來，研究人員對(duì)仿生傳感技術(shù)開展大量研究并獲得廣泛關(guān)注。有研究小組將哺乳動(dòng)物和昆蟲的觸須作為陸地機(jī)器人傳感器設(shè)計(jì)的靈感，后來將這種靈感擴(kuò)展到水下傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用中。與陸地上通過與物體直接接觸所收集信息的觸須傳感器不同，在液體環(huán)境中，移動(dòng)和靜止的物體會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)或擾動(dòng)，這些擾動(dòng)信號(hào)能夠被遠(yuǎn)處的觸須傳感器檢測(cè)到。水下生物利用觸須進(jìn)行感知和跟蹤的物理機(jī)制，可能與其觸須的幾何特征結(jié)構(gòu)所提供的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、排列在生物體表面上的觸須陣列配置以及每個(gè)觸須基部的機(jī)械感受器的動(dòng)力學(xué)組合有關(guān)。

觸須傳感器相比于其他傳感器（包括激光、聲吶和紅外傳感器）具有一定的優(yōu)勢(shì)。觸須傳感器設(shè)計(jì)相對(duì)容易，成本低廉。觸須傳感器可以通過掃描模式提供距離隨時(shí)間變化的信息，同時(shí)，還可以提供目標(biāo)物的形狀信息。在近距離內(nèi)，多個(gè)觸須還可以提供周圍環(huán)境空間信息。觸覺信號(hào)對(duì)不同的環(huán)境條件是不會(huì)發(fā)生變化的。相比之下，紅外或聲吶傳感器會(huì)受到探測(cè)對(duì)象類型及環(huán)境的影響，其反射信號(hào)可能會(huì)發(fā)生變化。因此，觸須傳感器被廣泛用于水下傳感等應(yīng)用。本文將對(duì)水下環(huán)境中觸須傳感器的應(yīng)用研究進(jìn)行詳細(xì)闡述。

水下機(jī)器人及仿生傳感器現(xiàn)狀

許多國(guó)家對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行了長(zhǎng)期研究。例如，美國(guó)軍方設(shè)計(jì)了“藍(lán)鰭”自主水下航行器，如圖1（a）所示，它可以執(zhí)行自主水下導(dǎo)航和目標(biāo)檢測(cè)，并在2014年搜索失蹤的馬來西亞航空公司MH370客機(jī)任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

俄羅斯設(shè)計(jì)了“和平1號(hào)”和“和平2號(hào)”水下機(jī)器人，這是世界上唯一一對(duì)能夠進(jìn)行水下協(xié)同探測(cè)的載人潛水器。德國(guó)開發(fā)了名為“深海C”的水下機(jī)器人，它是一種4000m的水下航行器，可以在深海中連續(xù)工作60h。法國(guó)開發(fā)了“VICTOR6000”，如圖1（b）所示，這是一種通過電纜操縱的水下機(jī)器人，可以獲取高質(zhì)量的水下光學(xué)圖像。英國(guó)開發(fā)了全自動(dòng)“Autosub6000”潛艇，如圖1（c）所示，該潛艇安裝了電池和傳感器，能夠獨(dú)立導(dǎo)航。

日本開發(fā)了一種深海水下機(jī)器人，名為“Kaiko”ROV，如圖1（d）所示，安裝有各種水下傳感器，該潛水器已經(jīng)潛水296次。中國(guó)也對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行了廣泛的研究。例如，沈陽自動(dòng)化研究所開發(fā)的“乾隆”和“海斗”水下機(jī)器人，如圖1（e）、圖1（f）所示，這些機(jī)器人均配備了聲吶、攝像機(jī)和燈光裝置，已經(jīng)完成了從海面到海床的不同深度的各種各樣水下任務(wù)。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心、沈陽自動(dòng)化研究所開發(fā)了“蛟龍”號(hào)和“芬多哲”號(hào)載人水下潛艇用于深海勘探，如圖1（g）、圖1（h）所示。此外，哈爾濱工程大學(xué)還開發(fā)了“橙鯊”和“海嶺”等水下機(jī)器人，這些水下機(jī)器人通過安裝各種水下傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水下環(huán)境的探測(cè)。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的“仿生海豚”水下機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在800m深的水下進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。

圖1 水下機(jī)器人

在海洋生物中，海豹可以利用其具有的橢圓形橫截面的觸須來辨別水流方向。具有橢圓形橫截面的胡須，以及位于海豹底部的面頰神經(jīng)作為傳感元件的觸須，當(dāng)水流來自不同方向時(shí)，其觸須將具有不同的特征尺寸，從而導(dǎo)致了觸須上阻力的不同。由于觸須內(nèi)不存在神經(jīng)，阻力將這些應(yīng)力信息傳遞到觸須底部的臉頰上，并為海豹產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。受此啟發(fā)，使用韌性樹脂通過立體光刻技術(shù)制造的高縱橫比橢圓柱，用于承受水下擾動(dòng)產(chǎn)生的壓力梯度信息，模擬實(shí)現(xiàn)了海豹觸須與水流相互作用的新型仿生傳感器，該仿生傳感器被用于港口來獲取水下擾動(dòng)的信息。該仿生傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由傳感膜片和叉指電極所構(gòu)成，用于承受從支柱轉(zhuǎn)移的應(yīng)力并產(chǎn)生信號(hào)，類似于海豹胡須底部臉頰的神經(jīng)。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)

觸須與物體接觸的示意圖如圖3所示。圖中，觸須傳感器樞軸點(diǎn)到接觸點(diǎn)之間的距離為徑向距離，θ0表示延伸角，λ是位置h處傳感器測(cè)量的偏轉(zhuǎn)角，傳感器θ1處的切向角為θ1＝θ0－λ。

圖3 主動(dòng)觸須傳感器系統(tǒng)

假設(shè)在觸須上有一個(gè)與目標(biāo)物體的單點(diǎn)接觸，由于觸須具有彎曲剛度，如果目標(biāo)對(duì)象是圓形的，那么觸須上的接觸點(diǎn)在擾動(dòng)過程中將發(fā)生移動(dòng)，其與基座的接觸距離也將發(fā)生改變，從而獲得目標(biāo)對(duì)象的形狀信息。如果目標(biāo)對(duì)象有一個(gè)銳角，那么當(dāng)觸須在目標(biāo)對(duì)象的表面上發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，接觸距離將會(huì)保持不變。假設(shè)一個(gè)觸須可以對(duì)一個(gè)點(diǎn)接觸的距離進(jìn)行估測(cè)，那么一組觸須就可以收集目標(biāo)對(duì)象或周圍環(huán)境的更多信息。多個(gè)觸須有助于對(duì)目標(biāo)物體的距離及形狀進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。

水下傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

1、水聲傳感器

水聲測(cè)距/成像傳感器主要包括單波束聲吶、側(cè)掃聲吶和多波束聲吶。單波束聲吶通過接收傳感器所發(fā)出的短脈沖聲信號(hào)波束，并根據(jù)行程時(shí)間對(duì)淹沒物體的深度進(jìn)行測(cè)量。側(cè)掃聲吶由控制單元、拖曳體、電纜和記錄器等子模塊組成，旨在詳細(xì)對(duì)地形、地質(zhì)及礦物信息進(jìn)行測(cè)量，并可以執(zhí)行對(duì)目標(biāo)的搜索和跟蹤。

多波束聲吶是多個(gè)單波束聲吶的組合，可通過行程時(shí)間獲得水下目標(biāo)的高精度方向和深度值信息。水聲定位傳感器可以對(duì)被測(cè)物體（水下機(jī)器人）的位置進(jìn)行測(cè)量。由于聲吶可以對(duì)中遠(yuǎn)程水聲圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，因此，聲吶被廣泛用于水下目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤?；诼晠鹊哪繕?biāo)檢測(cè)和跟蹤是通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的精確處理實(shí)現(xiàn)的，這種方法耗時(shí)且影響聲吶傳感器的性能。

2、水下電磁感應(yīng)傳感器

水下電場(chǎng)傳感可使機(jī)器人在復(fù)雜的水下環(huán)境中進(jìn)行通信，并有效避免聲學(xué)多徑效應(yīng)。在南美洲電鰻和非洲管魚的啟發(fā)下，研究人員開發(fā)了一種基于仿生電場(chǎng)的通信系統(tǒng)，可以在復(fù)雜的水下環(huán)境中進(jìn)行有效通信。水下磁感應(yīng)具有隱蔽性高、探測(cè)性能強(qiáng)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，基于磁感應(yīng)的水下傳感器可以在復(fù)雜的水下環(huán)境條件下工作。例如，美國(guó)和加拿大海軍在白令海峽周圍的冰山上部署了電磁感應(yīng)電極，并與衛(wèi)星定位系統(tǒng)配合，成功探測(cè)到蘇聯(lián)的“特雷薩拉”核潛艇。

3、水下仿生傳感器

為了提高水下機(jī)器人的感知能力，基于仿生原理的觸須傳感器被研究人員開發(fā)并應(yīng)用。側(cè)線是魚的一個(gè)感應(yīng)器官，可以感知周圍水流的變化，從而幫助魚在黑暗條件下感知周圍的環(huán)境。受此啟發(fā)，人工側(cè)線傳感器被開發(fā)并應(yīng)用于對(duì)實(shí)際環(huán)境的感知。觸須是水下生物的重要感知器官，被用于識(shí)別、定位和跟蹤獵物。受海豹觸須的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了許多人造觸須傳感器，并在水下設(shè)備中獲得應(yīng)用。

在海洋結(jié)構(gòu)物中，圍繞圓柱形立管的支腿由于會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，給海洋工程帶來了工程難題。通過對(duì)海豹的觸須進(jìn)行研究，將振動(dòng)和仿生設(shè)計(jì)相結(jié)合，揭示圓柱形結(jié)構(gòu)物周圍流體流動(dòng)的基本物理原理（海豹的觸須如何使它們能夠感知環(huán)境），設(shè)計(jì)出了水下流量傳感器。安裝在自主水下航行器（AUV）上的這種傳感器可以有效地提高航行器的導(dǎo)航能力。

仿生流量傳感器及其應(yīng)用

受海洋生物觸須的啟發(fā)，近年來研究人員設(shè)計(jì)并制造了多種具有觸須狀結(jié)構(gòu)的流量傳感器。仿生流量傳感器通常由高縱橫比圓柱結(jié)構(gòu)（受觸須啟發(fā)）和傳感基座（受神經(jīng)觸須毛囊啟發(fā)）所組成。當(dāng)觸須結(jié)構(gòu)遇到穩(wěn)定或動(dòng)態(tài)的流動(dòng)刺激時(shí)，它會(huì)偏轉(zhuǎn)并在傳感底座中產(chǎn)生高彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力被轉(zhuǎn)換為與流動(dòng)刺激成比例的可測(cè)量的電信號(hào)。將傳感基座處的機(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感原理可以是電阻式（例如使用應(yīng)變計(jì)）、壓阻式（例如使用石墨烯作為傳感材料）、電容式、壓電式或光電式。仿生觸須傳感器可降低產(chǎn)生的噪聲，提高高雷諾系數(shù)下流量傳感器的信噪比。

與水下生物相比，目前的人工水下傳感器在檢測(cè)精度、距離、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上還存在較大差距，而且在傳感器的功耗和體積上也有很多方面需要改善。如何將各種環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而得到周圍環(huán)境的信息并進(jìn)行自主處理是水下傳感器的核心，也是未來觸須傳感器在水下航行器、水下結(jié)構(gòu)物監(jiān)測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。通過增強(qiáng)現(xiàn)有仿生傳感器的信息轉(zhuǎn)換能力，開發(fā)新型觸須傳感器材料，多類型觸須傳感器融合，將會(huì)是觸須傳感器在水下獲得應(yīng)用的必經(jīng)之路和挑戰(zhàn)。

結(jié)語

基于仿生學(xué)的觸須傳感器在水下應(yīng)用具有重要的研究意義。觸須傳感器通過感知環(huán)境擾動(dòng)信號(hào)對(duì)水下環(huán)境實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)。本文通過對(duì)不同的水下傳感器原理及應(yīng)用進(jìn)行介紹，對(duì)比了不同類型水下傳感器的各自特點(diǎn)。對(duì)仿生學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了簡(jiǎn)述，并給出觸須傳感器的設(shè)計(jì)原理和思路，總結(jié)出觸須狀傳感器對(duì)流體激發(fā)信號(hào)的機(jī)械傳遞機(jī)制以及觸須機(jī)械結(jié)構(gòu)在傳感過程中的工作原理。最后，對(duì)基于觸須傳感器原理的水下流量傳感器及其在水下環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀和面對(duì)的挑戰(zhàn)進(jìn)行重點(diǎn)概述，展望了觸須傳感器在水下環(huán)境中未來的發(fā)展策略。