基于水黾类鼓结构仿生四足定位振动感知系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于水黾类鼓结构仿生四足定位振动感知系统，包括振动信号采集装置和振动信号处理装置；振动信号采集装置包括部署于平面上的第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器依次沿预设圆周均匀分布，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器均为仿水黾类鼓结构的传感器；第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器均与振动信号处理装置电连接。对振动信号的检测精度高、检测灵敏度高、感知范围广。此外，本发明专利技术提出了一种基于上述振动感知定位系统的振动感知定位方法。感知定位方法。感知定位方法。

【技术实现步骤摘要】
基于水黾类鼓结构仿生四足定位振动感知系统及方法


[0001]本专利技术涉及工程仿生学和传感器
，尤其涉及一种基于水黾类鼓结构仿生四足定位振动感知系统及方法。

技术介绍

[0002]随着科技的不断进步和各领域的检测需求增加，基于节肢动物体表振动感受器的仿生传感器已进入各领域，如柔性感知、信息定位技术、机器人技术、工程装备实时检测等。目前市场上的传感器能检测到振动信号的大小，但灵敏度不高，且测量范围窄。
[0003]振动定位系统可应用在室内振动检测、工程装备故障检测、机床的结构动态特性试验、列车运行振动检测、飞机运行环境监测、军工远程定位系统等国计民生
在工程应用
，高端装备的实时健康检测能够避免安全事故，及时采取预防措施以避免工程灾难的发生，保护高端装备及设施设备，提高装备的服役寿命和后期维护。然而，目前公知的定位系统多是采用声纳和雷达等定位，定位系统的结构复杂且成本高昂。
[0004]生物伴随生境逐渐进化，每种生物都根据生境和生存需要进化出独特的体型和感知结构，水黾为了适应水面生活环境，完成群体智能通讯、躲避天敌和定位猎物等行为，其身体进化成巧妙高效的结构，相比于其他动物进化出四对足和多对足来感知振动信号和移动身体，水黾仅仅通过两对长腿和一双钳便实现了猎物捕捉、振动信号的高灵敏检测和身体的快速移动，水黾通过分散排布的四肢不仅能感知到猎物和天敌而且能对猎物和天敌进行定位。
[0005]因此，亟需一种仿水黾的传感器、振动感知定位系统及振动感知定位方法。

技术实现思路
r/>[0006](一)要解决的技术问题
[0007]鉴于上述技术中存在的问题，本专利技术至少从一定程度上进行解决。为此，本专利技术的第一个目的在于提出了一种仿水黾的传感器，对振动信号的检测精度高、检测灵敏度高、感知范围广。
[0008]本专利技术的第二个目的在于提出了一种基于上述传感器的振动感知定位系统，在提高振动信号检测精度和灵敏度的同时，有效减少了传统传感器阵列中的非必要传感器，节约成本。
[0009]本专利技术的第三个目的在于提出了一种基于上述振动感知定位系统的振动感知定位方法，实现了对振动激励源的超敏感知、快速识别和精确定位。
[0010](二)技术方案
[0011]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0012]本专利技术的第一个目的在于提出一种仿水黾的传感器，包括密封腔体，振动元件、第一导线和第二导线；振动元件固定于密封腔体内，振动元件包括基板、柔性薄膜和振块，柔性薄膜的第一端固定连接在基板的上表面，柔性薄膜的第二端固定连接在基板的上表面，
振块位于柔性薄膜和基板之间，柔性薄膜处于张紧状态；在柔性薄膜的上表面上附着有金属离子堆砌形成的导电层，导电层的表面上具有多条裂隙；第一导线的第一端焊接在导电层的第一端，第一导线的第二端伸出密封腔体暴露于密封腔体外，第二导线的第一端焊接在导电层的第二端，第二导线的第二端伸出密封腔体暴露于密封腔体外。
[0013]可选地，在基板的上表面上设置有开口向上的导向槽，振块上下滑动连接于导向槽内，振块的底部与基板的上表面接触，振块的顶部与柔性薄膜的下表面接触，导向槽与柔性薄膜之间存在间隙。
[0014]可选地，振块为球状，导向槽为圆筒状。
[0015]可选地，振块位于柔性薄膜和基板的中心位置。
[0016]可选地，振块固定连接在基板上。
[0017]本专利技术的第二个目的在于提供一种振动感知定位系统，包括振动信号采集装置和振动信号处理装置；振动信号采集装置包括部署于平面上的第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器依次沿预设圆周均匀分布，第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器均为如上所述的传感器；第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器均与振动信号处理装置电连接。
[0018]可选地，振动信号处理装置包括控制单元和计算机；第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器均与控制单元电连接，控制单元与计算机通讯连接。
[0019]本专利技术的第三个目的在于提供一种如上所述的振动感知定位系统进行振动感知定位的方法，其特征在于，包括：
[0020]S1、以第一传感器和第三传感器为X轴，以第二传感器和第四传感器为Y轴建立坐标系，标定振动激励源位于坐标系的原点位置；根据振动感知定位系统中传感器的分布和预先标定的振动激励源，获得振动信号的传播速度；
[0021]S2、采集振动感知定位系统中每一个传感器感受到的待测振动激励源的振动信号；
[0022]S3、根据振动感知定位系统中每一个传感器开始采集到待测振动激励源的振动信号的时间，确定待测振动激励源的粗略位置；
[0023]粗略位置包括预设区域内的X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向、第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，以及预设区域外的X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向、第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；预设区域为第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器所在的圆形区域；
[0024]S4、若待测振动激励源位于坐标轴上，则根据振动信号的传播速度，与待测振动激励源到待测振动激励源所在坐标轴上的两个传感器的信号传播距离差值和信号传播时间差值建立等式关系，获得待测振动激励源在坐标轴上的精确位置；
[0025]若待测振动激励源位于象限内，则选取任意3个传感器作为目标传感器，以待测振动激励源到每一个目标传感器的信号传播距离作为斜边，以平行于X轴的线段、平行于Y轴的线段作为直角边，构建3个直角三角形；根据勾股定理描述每一个直角三角形，以及根据振动信号的传播速度，与待测振动激励源到两个目标传感器的信号传播距离差值和信号传播时间差值建立等式关系，获得待测振动激励源在坐标轴上的精确位置。
[0026]作为本专利技术方法的一种改进，根据振动感知定位系统中每一个传感器开始采集到
待测振动激励源的振动信号的时间，确定待测振动激励源的粗略位置，包括：
[0027]若T2<T1＝T3<T4，则待测振动激励源位于预设区域内的Y轴正方向上；
[0028]若T2<T1<T3<T4或者T2＝T1<T3＝T4或者T1<T2<T3＝T4，则待测振动激励源位于预设区域内的第一象限；
[0029]若T2<T1＝T3<T4，并且T4>2*T
04
，则待测振动激励源位于预设区域外的Y轴正方向上；
[0030]若T2<T1<T3<T4，或者T1<T2<T4<T3，或者T1<T2<T3＝T4且T4>2*T
04
，则待测振动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿水黾的传感器，其特征在于，包括密封腔体，振动元件、第一导线和第二导线；振动元件固定于密封腔体内，振动元件包括基板(21)、柔性薄膜(22)和振块(23)，柔性薄膜(22)的第一端固定连接在基板(21)的上表面，柔性薄膜(22)的第二端固定连接在基板(21)的上表面，振块(23)位于柔性薄膜(22)和基板(21)之间，柔性薄膜(22)处于张紧状态；在柔性薄膜(22)的上表面上附着有金属离子堆砌形成的导电层(24)，导电层(24)的表面上具有多条裂隙；第一导线的第一端焊接在导电层(24)的第一端，第一导线的第二端伸出密封腔体暴露于密封腔体外，第二导线的第一端焊接在导电层(24)的第二端，第二导线的第二端伸出密封腔体暴露于密封腔体外。2.根据权利要求1所述的仿水黾的传感器，其特征在于，在基板(21)的上表面上设置有开口向上的导向槽(211)，振块(23)上下滑动连接于导向槽(211)内，振块(23)的底部与基板(21)的上表面接触，振块(23)的顶部与柔性薄膜(22)的下表面接触，导向槽(211)与柔性薄膜(22)之间存在间隙。3.根据权利要求2所述的仿水黾的传感器，其特征在于，振块(23)为球状，导向槽(211)为圆筒状。4.根据权利要求1所述的仿水黾的传感器，其特征在于，振块(23)位于柔性薄膜(22)和基板(21)的中心位置。5.根据权利要求1所述的仿水黾的传感器，其特征在于，振块(23)固定连接在基板(21)上。6.一种振动感知定位系统，其特征在于，包括振动信号采集装置和振动信号处理装置；振动信号采集装置包括部署于平面上的第一传感器(11)、第二传感器(12)、第三传感器(13)和第四传感器(14)，第一传感器(11)、第二传感器(12)、第三传感器(13)和第四传感器(14)依次沿预设圆周均匀分布，第一传感器(11)、第二传感器(12)、第三传感器(13)和第四传感器(14)均为如权利要求1
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5任一项所述的传感器；第一传感器(11)、第二传感器(12)、第三传感器(13)和第四传感器(14)均与振动信号处理装置电连接。7.根据权利要求6所述的振动感知定位系统，其特征在于，振动信号处理装置包括控制单元(32)和计算机(34)；第一传感器(11)、第二传感器(12)、第三传感器(13)和第四传感器(14)均与控制单元(32)电连接，控制单元(32)与计算机(34)通讯连接。8.一种如权利要求6或7所述的振动感知定位系统进行振动感知定位的方法，其特征在于，包括：S1、以第一传感器和第三传感器为X轴，以第二传感器和第四传感器为Y轴建立坐标系，标定振动激励源位于坐标系的原点位置；根据振动感知定位系统中传感器的分布和预先标定的振动激励源，获得振动信号的传播速度；S2、采集振动感知定位系统中每一个传感器感受到的待测振动激励源的振动信号；S3、根据振动感知定位系统中每一个传感器开始采集到待测振动激励源的振动信号的
时间，确定待测振动激励源的粗略位置；粗略位置包括预设区域内的X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向、第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，以及预设区域外的X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向、第一象限...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊秋，辛青青，韩志武，侯涛，牛士超，李博，穆正知，赵厚琦，孙涛，陈豫，李浩然，高骥琪，
申请(专利权)人：吉林大学威海仿生研究院，
类型：发明
国别省市：