一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台制造技术

本发明专利技术涉及一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台，包括实验水箱、激振系统、传感器阵列、运动控制系统、信号采集系统；所述运动控制系统置于实验水箱上部，所述传感器阵列、激振系统、信号采集系统顺序相连；本方案通过激振系统实现水下偶极子源的振动，通过三轴联动运动控制系统及编程实现偶极子源自动移动，与信号采集系统配合，共同实现信号的自动化采集。

【技术实现步骤摘要】
一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台
本专利技术涉及一种水中振动源模拟实验平台，用于感知阵列感受水中流场压力、速度变化信号，采集后的数据可用于水中目标定位、跟踪、识别等方法和算法研究模拟实验验证。
技术介绍
侧线，是鱼类和两栖动物所特有的一类器官，一般情况下，大多数鱼都拥有侧线。在鱼鳞之下，鱼的头部和身体两侧覆盖着一条或多条“看不见的虚线”，被称为鱼侧线，在鱼的感觉器官中，鱼侧线是分化程度非常高的一类器官，大多数鱼躯干两侧都有一条体侧线，为鱼精确感知目标起了关键作用，说明书附图5为鱼侧线示意图。鱼类具有不可思议的超灵敏水下探测能力，而这项能力的来源就是鱼侧线。鱼类通过其侧线器官可以感知水下流场，获得压力和流速变化信息，基于这些变化信息，实现避障、导航、捕食、躲避天敌、集群活动等行为。鱼侧线由一系列被称作神经丘的基本传感单元阵列而成，适用于光学、化学、声学等探测手段失效的极端复杂水下环境，如沿海、浅海和岛礁密布的水域。鱼侧线是鱼类在进化过程中形成的独特水下感知器官，其结构、功能、布局等生理学特征都是为适应其生存环境而优化选择的结果，针对鱼侧线开展研究，这对于发展新型水下探测感知技术具有重要的借鉴与指导意义。受鱼侧线感知水中运动目标的原理启发，寻求一种实验平台，可模拟水中三维直线运动目标，运动目标还可以振动，运动速度和振动参数可调。实验平台通过感知阵列感受水中流场压力/速度变化信号，采集后的数据可用于水中目标定位、跟踪、识别等方法和算法研究。
技术实现思路
为了研究仿生鱼侧线流场感知技术对水下运动目标定位和识别的能力，首先需弄清楚目标流场的特性及规律。偶极子源由做正弦运动的刚性且不变体积的振动球体产生，常用来对水下运动的一般目标进行模拟，方便计算和推导，常作为一个标准源目标，广泛应用于生物侧线及人工侧线的研究中。为研究感知阵列对偶极子源目标的定位能力，实验平台需满足以下要求：1、一个相对稳定的水下环境；2、能模拟偶极子源的振动；3、能感知偶极子源引起的水流场变化；4、偶极子源和传感器阵列相对位置可根据需要自动变化；5、能实现信号的连续自动化采集。为了解决上述问题，本专利技术提供如下解决方案：一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台，包括实验水箱、激振系统、传感器阵列、运动控制系统、信号采集系统；所述运动控制系统置于实验水箱上部，所述传感器阵列、激振系统、信号采集系统顺序相连；所述运动控制系统主要由运动机械装置、驱动器及运动控制器组成；所述运动机械装置包括四个滚珠丝杠，四个滚珠丝杠组成三维形状，其中X方向为两个滚珠丝杠平行放置，Y方向一个滚珠丝杠置于X方向的两个滚珠丝杠上，Z方向一个滚珠丝杠与Y方向一个滚珠丝杠活动连接；所述激振系统由信号发生器、功率放大器和激振器组成；所述信号发生器将信号通过功率放大器后传递到激振器上；所述激振器的顶杆连接一个小球，并激励小球做正弦往复运动，同时激振器连接到Z方向的滚珠丝杠上；正弦运动的小球用于模拟偶极子源目标，并产生一个偶极子流场；所述信号采集系统由计算机主机、计算机软件、数据采集系统构成；通过传感器阵列来感知流场参数变化。优选地，所述小球用于模拟偶极子源的振动，振动参数可调。优选地，所述偶极子源和传感器阵列相对位置在运动控制系统控制下可根据需要自动变化，运动参数可调。上述方案中，可以实现如下功能：1、能模拟偶极子源的振动，振动参数可调；2、偶极子源和传感器阵列相对位置在运动控制系统控制下可根据需要自动变化，运动参数可调；3、偶极子源在不同位置引起的水流场特征变化信号连续自动化采集；4、采用滚珠丝杠确保运动精度。优选地，所述传感器阵列根据需要设置，可设置成十字形传感器阵列、仿鱼侧线形传感器阵列，但不限于此两种阵列。优选地，所述四个滚珠丝杠组成三维形状，X方向、Y方向、Z方向长度根据需要定制。优选地，所述4个滚珠丝杠由步进电机驱动和滚珠丝杠传动，重复定位精度根据需要定制。更优选地重复定位精度在0.02mm-0.03mm之间。优选地，所述信号采集系统具有多路模拟输入，可同步采集传感器阵列上多个传感器感知的流场参数变化信号，实现在特定时间间隔内采集特定时间长度信号的功能，配合运动控制系统，可实现信号自动化采集。优选地，激振系统中激振器振动参数由信号发生器和功率放大器调节，频率、振幅可调，产生35-45Hz的正弦波时具有更好的偶极子源特征。本技术方案优势在于：1、能模拟产生不同振动频率和幅值的偶极子源信号；2、水下压力/流速传感器及其组成的传感器阵列可以连续自动感知流场参数变化，传感器阵列可根据需要替换；3、设计了三轴联动运动控制系统，偶极子源振动的同时，可以沿直角坐标的x、y、z三个方向根据设定的运动参数自动移动，自动调整振动源与阵列之间的相对位置，同时可以模拟水中移动目标；4、可实现信号的连续自动化采集，感知不同相对位置、不同运动轨迹下的流场参数，特别适合于需要大量数据训练模型的场合。附图说明图1为本专利技术一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台组成框图；图2为本专利技术一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台主视图；图3为本专利技术一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台俯视图；图4为本专利技术一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台立体图；图5为鱼侧线示意图；图中：1信号采集系统、2运动控制系统、2-1运动机械装置、2-2驱动器、2-3运动控制器、2-4滚珠丝杠；3实验水箱、4激振系统、4-1信号发生器、4-2功率放大器、4-3激振器、4-4小球、5传感器阵列、6直流电源。具体实施方式下面将结合本实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：如图1－4所示，一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台，包括实验水箱3、激振系统4、传感器阵列5、运动控制系统2、信号采集系统1；所述运动控制系统2置于实验水箱3上部，所述传感器阵列5、激振系统4、信号采集系统1顺序相连；其特征在于：所述运动控制系统2包括运动机械装置2-1、驱动器2-2及运动控制器2-3组成；所述运动机械装置2-1包括四个滚珠丝杠2-4，四个滚珠丝杠组成三维形状，其中X方向为两个滚珠丝杠平行放置，Y方向一个滚珠丝杠置于X方向的两个滚珠丝杠上，Z方向一个滚珠丝杠与Y方向一个滚珠丝杠活动连接；所述激振系统4由信号发生器4-1、功率放大器4-2和激振器4-3组成；所述信号发生器4-1将信号通过功率放大器4-2后传递到激振器4-3上；所述激振器的顶杆连接一个小球4-4，并激励小球做正弦往复运动，同时激振器连接到Z方向的滚珠丝杠上；所述信号采集系统由计算机主机、计算机软件、数据采集系统构成；通过传感器阵列5来感知流场参数变化。为了更清楚地解释本专利技术的操作流程及其优点，模拟实验平台的工作流程如下：（1）搭建运动控制系统：考虑到实际工作空间，使用4个滚珠丝杠，其中1.5米长的2个，1米长和0.4米长各一个。滚珠丝杠材料为航空铝6061高端材质，型号为1610，直径为16mm，导程为10mm(转一圈走10mm)，重复定位精度在0.02mm-0.03本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台，包括实验水箱、激振系统、传感器阵列、运动控制系统、信号采集系统；所述运动控制系统置于实验水箱上部，所述传感器阵列、激振系统、信号采集系统顺序相连；其特征在于：所述运动控制系统包括由运动机械装置、驱动器及运动控制器组成；所述运动机械装置包括四个滚珠丝杠，四个滚珠丝杠组成三维形状，其中X方向为两个滚珠丝杠平行放置，Y方向一个滚珠丝杠置于X方向的两个滚珠丝杠上，Z方向一个滚珠丝杠与Y方向一个滚珠丝杠活动连接；所述激振系统由信号发生器、功率放大器和激振器组成；所述信号发生器将信号通过功率放大器后传递到激振器上；所述激振器的顶杆连接一个小球，并激励小球做正弦往复运动，同时激振器连接到Z方向的滚珠丝杠上；所述信号采集系统由计算机主机、计算机软件、数据采集系统构成；通过传感器阵列来感知流场参数变化。

【技术特征摘要】
1.一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台，包括实验水箱、激振系统、传感器阵列、运动控制系统、信号采集系统；所述运动控制系统置于实验水箱上部，所述传感器阵列、激振系统、信号采集系统顺序相连；其特征在于：所述运动控制系统包括由运动机械装置、驱动器及运动控制器组成；所述运动机械装置包括四个滚珠丝杠，四个滚珠丝杠组成三维形状，其中X方向为两个滚珠丝杠平行放置，Y方向一个滚珠丝杠置于X方向的两个滚珠丝杠上，Z方向一个滚珠丝杠与Y方向一个滚珠丝杠活动连接；所述激振系统由信号发生器、功率放大器和激振器组成；所述信号发生器将信号通过功率放大器后传递到激振器上；所述激振器的顶杆连接一个小球，并激励小球做正弦往复运动，同时激振器连接到Z方向的滚珠丝杠上；所述信号采集系统由计算机主机、计算机软件、数据采集系统构成；通过传感器阵列来感知流场参数变化。2.如权利要求1所述的一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台，其特征在于：所述小球用于模拟偶极子源的振动，振动参数可调。3.如权利要求2所述的一种可三维运动的水中振动源模拟实验平台，其特征在于：所述偶极子源和传感器阵列相对位置在运...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，刘冠军，邱静，郑贤德，季明江，吕克洪，杨鹏，刘瑛，林鑫，王钦，程先哲，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43