[论文解读] Design of Whisker-Inspired Sensors for Multi-Directional Hydrodynamic Sensing

Tuo Wang, Teresa A. Kent+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2023

Underwater Vehicles and Communication Systems被引用 4

一句话总结

本文提出了一种防水、磁性耦合的、仿 whisker 的传感器，用于水下机器人的多方向水动力流速传感。该传感器采用一种将 whisker 阻尼元件与电子元件分离的机电器件-磁性转换机制，实现了鲁棒的、抗腐蚀的流速估计，通过调整几何参数和浸没深度可调节灵敏度，实现在遥控船上的真实世界测试中，流速估计的均方根误差（RMSE）为 0.06–0.08 m/s。

ABSTRACT

This research develops a novel sensor for aquatic robots inspired by the whiskers of harbor seals. This sensor can detect the movement of water, offering valuable data on speed, currents, barriers, and water disturbance. It employs a mechano-magnetic system, separating the whisker-like drag part from the electronic section, enhancing water resistance and durability. The flexible design allows customizing the drag component's shape for different uses. The study uses an analytical model to examine the sensor's capabilities, including aspects such as shape, cross-sectional area, ratio, and immersion depth of the whisker part. It also explores the effects of design on Vortex-Induced Vibrations (VIVs), a key focus in the study of biological and robotic aquatic whiskers. The sensor's practical use was tested on a remote-controlled boat, showing its proficiency in estimating water flow speed. This development has enormous potential to enhance navigation and perception for aquatic robots in various applications.

研究动机与目标

• 为解决小型水下机器人中缺乏可靠、防水且耐用的流速传感问题。
• 克服现有仿 whisker 传感器存在的防水失效问题以及难以区分流速与涡激振动（VIV）的挑战。
• 开发一种模块化、可调谐的传感器设计，实现多方向流速估计并同步捕获 VIV 信号。
• 通过商用遥控船在真实水下环境中验证传感器的有效性。
• 实现在户外及偏远水下环境中用于导航与状态估计的鲁棒、无线、机载流速传感。

提出的方法

• 传感器采用机电器件-磁性转换机制，当 whisker 在水流作用下发生偏转时，固定在 whisker 底部的永磁体相对于霍尔效应传感器发生相对运动。
• 将 whisker 阻尼元件与电子元件机械隔离，提升了防水性和抗腐蚀性。
• 通过调整 whisker 的几何参数（包括横截面积、长宽比和浸没深度）来调节传感器的灵敏度。
• 基于梁的挠曲和磁场响应的分析模型量化了传感器的行为，制造后通过校准提升精度。
• 通过正交磁场分量（例如，Bx 方向的流速对应 By 分量）提取涡激振动（VIV）信号，实现流速与 VIV 动力学的同步检测。
• 通过无线蓝牙传输实现实时数据采集，传感器在移动遥控船的野外测试中实现数据实时获取。

Figure 1: The sensing mechanism of the whisker-inspired sensor. As the holder rests on the water’s surface and moves towards the left in the image, the whisker drag element rotates to the right due to induced flow. This rotation to the right results in a counterclockwise rotation of the connected sy

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种仿 whisker 传感器，以实现多方向水动力流速传感，同时确保长期防水和抗腐蚀？
• RQ2 通过几何设计和浸没深度调节，传感器的灵敏度和动态范围在多大程度上可被调节？
• RQ3 在真实水下环境中，传感器能否同时捕获稳定流速和周期性涡激振动（VIV）信号？
• RQ4 与高精度测绘系统提供的真实值相比，传感器在流速估计方面的准确性如何？
• RQ5 传感器能否有效集成到移动水下机器人中，实现机载、实时的状态估计？

主要发现

• 对于峰值速度轮廓，传感器在流速估计中实现了 0.08 m/s 的均方根误差（RMSE）；对于复杂、多加速度轮廓，RMSE 为 0.06 m/s。
• 传感器成功捕获了所有动态速度变化，包括周期性加速度以及在 0.7 m/s 处的饱和现象，该饱和是人为通过机械限位防止塑性变形而设定的。
• 经制造后校准的分析模型能够基于磁场测量准确预测流速，证明了基于模型校准的可行性。
• 通过正交磁场通道（例如 By）成功提取了涡激振动（VIV）信号，表明传感器具备检测稳定流速和周期性流体力的能力。
• 采用无线、机载的蓝牙数据传输配置，实现在野外环境中的实时运行，支持在户外及偏远水下环境中的部署。
• 模块化设计允许通过几何参数和浸没深度调节灵敏度，实现针对不同应用场景的流速范围的定制化。

Figure 2: A schematic illustrating the torsional spring model for the whisker-inspired sensor. $F_{drag}$ is the dragging force induced by the relative water flow. $k_{\theta}$ is the torsional spring constant of the spring suspension. $\phi_{def}$ is the polar deflection angle of the center plate.