作者：郭明博，揚州大學

來源：《流體測量與控制》（2022年第1期）、溪流之海洋人生

前言

傳感器性能的優劣直接決定了移動機器人的性能，并起到至關重要的作用。近年來，水下機器人傳感技術在海洋工程和海洋資源勘探領域受到了廣泛關注。一方面，水下機器人需要感知環境，進行自主導航和避障；另一方面，水下機器人還依賴于傳感技術的保障來執行各種實際應用的任務，例如水下目標檢測、水下機器人抓取和水下高精度3D測量等。因此，水下機器人傳感技術發揮著越來越重要的作用。

在水下環境中，如果能夠感知到流速和壓力的波動變化的能力，就能夠實現實時狀態反饋、對其他航行器的跟蹤以及對水下有利的動力條件的識別等功能。大多數水下傳感技術依賴于聲信號（聲吶）、光信號、電磁信號和仿生傳感器。這些水下傳感器的原理及特點概述具體如下：

（1）聲吶。聲吶是通過測量聲波脈沖的傳播時間和相位差來對水下物體的位置進行估測。聲波脈沖可以在更長的范圍內工作，且不會受到水質濁度的影響。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際應用。

（2）光學傳感器。光學傳感器是通過捕獲周圍環境的光信號從而獲取周圍環境的信息，能夠提供更高的分辨率。然而，由于復雜的水下光照條件（吸收和散射），光學傳感器只能實現短程的傳感應用。

（3）電磁傳感器。基于電磁信號的傳感器可以應用于水下環境，并對距離進行精確測量。然而，水下環境電磁場可能會干擾電磁傳感器的測量精度。

（4）仿生傳感器。近年來，研究人員對仿生傳感技術開展大量研究并獲得廣泛關注。有研究小組將哺乳動物和昆蟲的觸須作為陸地機器人傳感器設計的靈感，后來將這種靈感擴展到水下傳感器的設計應用中。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，在液體環境中，移動和靜止的物體會產生流動或擾動，這些擾動信號能夠被遠處的觸須傳感器檢測到。水下生物利用觸須進行感知和跟蹤的物理機制，可能與其觸須的幾何特征結構所提供的結構動力學、排列在生物體表面上的觸須陣列配置以及每個觸須基部的機械感受器的動力學組合有關。

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）具有一定的優勢。觸須傳感器設計相對容易，成本低廉。觸須傳感器可以通過掃描模式提供距離隨時間變化的信息，同時，還可以提供目標物的形狀信息。在近距離內，多個觸須還可以提供周圍環境空間信息。觸覺信號對不同的環境條件是不會發生變化的。相比之下，紅外或聲吶傳感器會受到探測對象類型及環境的影響，其反射信號可能會發生變化。因此，觸須傳感器被廣泛用于水下傳感等應用。本文將對水下環境中觸須傳感器的應用研究進行詳細闡述。

水下機器人及仿生傳感器現狀

許多國家對水下機器人進行了長期研究。例如，美國軍方設計了“藍鰭”自主水下航行器，如圖1（a）所示，它可以執行自主水下導航和目標檢測，并在2014年搜索失蹤的馬來西亞航空公司MH370客機任務中發揮了重要作用。

俄羅斯設計了“和平1號”和“和平2號”水下機器人，這是世界上唯一一對能夠進行水下協同探測的載人潛水器。德國開發了名為“深海C”的水下機器人，它是一種4000m的水下航行器，可以在深海中連續工作60h。法國開發了“VICTOR6000”，如圖1（b）所示，這是一種通過電纜操縱的水下機器人，可以獲取高質量的水下光學圖像。英國開發了全自動“Autosub6000”潛艇，如圖1（c）所示，該潛艇安裝了電池和傳感器，能夠獨立導航。

日本開發了一種深海水下機器人，名為“Kaiko”ROV，如圖1（d）所示，安裝有各種水下傳感器，該潛水器已經潛水296次。中國也對水下機器人進行了廣泛的研究。例如，沈陽自動化研究所開發的“乾隆”和“海斗”水下機器人，如圖1（e）、圖1（f）所示，這些機器人均配備了聲吶、攝像機和燈光裝置，已經完成了從海面到海床的不同深度的各種各樣水下任務。中國船舶科學研究中心、沈陽自動化研究所開發了“蛟龍”號和“芬多哲”號載人水下潛艇用于深海勘探，如圖1（g）、圖1（h）所示。此外，哈爾濱工程大學還開發了“橙鯊”和“海嶺”等水下機器人，這些水下機器人通過安裝各種水下傳感器實現對水下環境的探測。中國科學院自動化研究所設計的“仿生海豚”水下機器人可實現在800m深的水下進行連續作業。

圖1 水下機器人

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作為傳感元件的觸須，當水流來自不同方向時，其觸須將具有不同的特征尺寸，從而導致了觸須上阻力的不同。由于觸須內不存在神經，阻力將這些應力信息傳遞到觸須底部的臉頰上，并為海豹產生感應信號。受此啟發，使用韌性樹脂通過立體光刻技術制造的高縱橫比橢圓柱，用于承受水下擾動產生的壓力梯度信息，模擬實現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的信息。該仿生傳感器的結構示意圖如圖2所示，由傳感膜片和叉指電極所構成，用于承受從支柱轉移的應力并產生信號，類似于海豹胡須底部臉頰的神經。

圖2 傳感器結構

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

圖3 主動觸須傳感器系統

假設在觸須上有一個與目標物體的單點接觸，由于觸須具有彎曲剛度，如果目標對象是圓形的，那么觸須上的接觸點在擾動過程中將發生移動，其與基座的接觸距離也將發生改變，從而獲得目標對象的形狀信息。如果目標對象有一個銳角，那么當觸須在目標對象的表面上發生滑動時，接觸距離將會保持不變。假設一個觸須可以對一個點接觸的距離進行估測，那么一組觸須就可以收集目標對象或周圍環境的更多信息。多個觸須有助于對目標物體的距離及形狀進行檢測和識別。

水下傳感器應用現狀

1、水聲傳感器

水聲測距/成像傳感器主要包括單波束聲吶、側掃聲吶和多波束聲吶。單波束聲吶通過接收傳感器所發出的短脈沖聲信號波束，并根據行程時間對淹沒物體的深度進行測量。側掃聲吶由控制單元、拖曳體、電纜和記錄器等子模塊組成，旨在詳細對地形、地質及礦物信息進行測量，并可以執行對目標的搜索和跟蹤。

多波束聲吶是多個單波束聲吶的組合，可通過行程時間獲得水下目標的高精度方向和深度值信息。水聲定位傳感器可以對被測物體（水下機器人）的位置進行測量。由于聲吶可以對中遠程水聲圖像的數據進行獲取，因此，聲吶被廣泛用于水下目標的檢測和跟蹤。基于聲吶的目標檢測和跟蹤是通過對采集數據的精確處理實現的，這種方法耗時且影響聲吶傳感器的性能。

2、水下電磁感應傳感器

水下電場傳感可使機器人在復雜的水下環境中進行通信，并有效避免聲學多徑效應。在南美洲電鰻和非洲管魚的啟發下，研究人員開發了一種基于仿生電場的通信系統，可以在復雜的水下環境中進行有效通信。水下磁感應具有隱蔽性高、探測性能強、定位精度高等優點，因此，基于磁感應的水下傳感器可以在復雜的水下環境條件下工作。例如，美國和加拿大海軍在白令海峽周圍的冰山上部署了電磁感應電極，并與衛星定位系統配合，成功探測到蘇聯的“特雷薩拉”核潛艇。

3、水下仿生傳感器

為了提高水下機器人的感知能力，基于仿生原理的觸須傳感器被研究人員開發并應用。側線是魚的一個感應器官，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境。受此啟發，人工側線傳感器被開發并應用于對實際環境的感知。觸須是水下生物的重要感知器官，被用于識別、定位和跟蹤獵物。受海豹觸須的啟發，研究人員開發了許多人造觸須傳感器，并在水下設備中獲得應用。

在海洋結構物中，圍繞圓柱形立管的支腿由于會引起結構的振動，給海洋工程帶來了工程難題。通過對海豹的觸須進行研究，將振動和仿生設計相結合，揭示圓柱形結構物周圍流體流動的基本物理原理（海豹的觸須如何使它們能夠感知環境），設計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航能力。

仿生流量傳感器及其應用

受海洋生物觸須的啟發，近年來研究人員設計并制造了多種具有觸須狀結構的流量傳感器。仿生流量傳感器通常由高縱橫比圓柱結構（受觸須啟發）和傳感基座（受神經觸須毛囊啟發）所組成。當觸須結構遇到穩定或動態的流動刺激時，它會偏轉并在傳感底座中產生高彎曲應力，該應力被轉換為與流動刺激成比例的可測量的電信號。將傳感基座處的機械形變轉換為電信號輸出的傳感原理可以是電阻式（例如使用應變計）、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生的噪聲，提高高雷諾系數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精度、距離、靈敏度等技術指標上還存在較大差距，而且在傳感器的功耗和體積上也有很多方面需要改善。如何將各種環境信息轉化為電信號，從而得到周圍環境的信息并進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、水下結構物監測中獲得廣泛應用的關鍵。通過增強現有仿生傳感器的信息轉換能力，開發新型觸須傳感器材料，多類型觸須傳感器融合，將會是觸須傳感器在水下獲得應用的必經之路和挑戰。

結語

基于仿生學的觸須傳感器在水下應用具有重要的研究意義。觸須傳感器通過感知環境擾動信號對水下環境實現了監測。本文通過對不同的水下傳感器原理及應用進行介紹，對比了不同類型水下傳感器的各自特點。對仿生學傳感器的設計理念進行了簡述，并給出觸須傳感器的設計原理和思路，總結出觸須狀傳感器對流體激發信號的機械傳遞機制以及觸須機械結構在傳感過程中的工作原理。最后，對基于觸須傳感器原理的水下流量傳感器及其在水下環境中的應用現狀和面對的挑戰進行重點概述，展望了觸須傳感器在水下環境中未來的發展策略。