Исследовательская группа из Пекинского университета и Даляньского морского университета совместно разработала биомиметический подводный датчик на основе трибоэлектрического вискера (UTWS) с глубоким обучением для пассивного восприятия различных гидродинамических полей потока. Эта работа была опубликована в высокоэффективном журнале Nano Energy (импакт-фактор: 16,8) под названием «Deep-learning-assisted triboelectric whisker for near field perception and online state estimation of underwater vehicle.»
Авторы статьи использовали систему захвата движений NOKOV для поддержки биомиметического датчика «вискер» с глубоким обучением в достижении восприятия ближнего поля и онлайн-оценки состояния подводных транспортных средств. Используя данные о движении транспортного средства в реальном времени (скорость и ускорение), полученные с помощью системы захвата движения под водой, они создали набор данных, связывающий состояния движения транспортного средства с электрическими сигналами от датчика усов. Благодаря анализу многоканальных сигналов с помощью глубокого обучения был выявлен механизм отображения высокого порядка между датчиком усов и состоянием движения робота, что позволило оценивать скорость подводных транспортных средств в режиме реального времени. Разработанный подводный трибоэлектрический вискерный датчик (UTWS) может определять различные характеристики двумерного поля потока, включая скорость потока, угол атаки и волнения. Данное исследование не только знаменует собой значительный технологический прогресс, но и предлагает новый подход к навигации и позиционированию для подводных интеллектуальных устройств.
История вопроса:
Технология подводного зондирования играет важную роль в различных областях, включая системы обнаружения и сопровождения подводных целей и рой подводных аппаратов. Синхронное подводное зондирование в основном включает в себя оптические (на основе лазера) и ультразвуковые (на основе сонара) технологии. Однако и лазерные, и ультразвуковые методы подвержены влиянию многочисленных помех в подводной среде, что приводит к снижению дальности и точности зондирования. Кроме того, сонар, как активный метод зондирования, сталкивается с такими проблемами, как высокое энергопотребление, сложная структура и восприимчивость к обнаружению. Поэтому многие исследователи изучают альтернативные технологии зондирования, в том числе гидродинамическое зондирование, чтобы расширить перцептивные возможности подводных интеллектуальных устройств.
Тактильные органы морских организмов могут точно измерять и идентифицировать окружающую их среду. Вдохновленные сенсорным поведением морских обитателей, исследователи разработали различные подводные биомиметические тактильные датчики, продемонстрировав потенциал подводного биомиметического тактильного зондирования. Однако устройства тактильного зондирования по-прежнему сталкиваются с такими проблемами, как низкое соотношение сигнал/шум, низкая чувствительность и плохая адаптивность. Трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ) - это инновационный метод электромеханического преобразования, главным преимуществом которого является способность преобразовывать шумные механические возмущения, присутствующие в окружающей среде, в высокоамплитудные электрические сигналы. В данном исследовании разработан биомиметический подводный трибоэлектрический вискерный датчик, способный пассивно воспринимать различные гидродинамические поля потока, и используется модель глубокого обучения для дальнейшей онлайн-оценки скорости подводных транспортных средств.
Основные моменты исследования:
1.датчике используется технология двухкамерного экранирования для минимизации помех сигнала от ионов в воде.
2.UTWS демонстрирует впечатляющие преимущества: быстрое время отклика 21 мс, высокая чувствительность 3,16 В/м-с¹ и отношение сигнал/шум 61,66 дБ.
3.Подводный аппарат, оснащенный системой UTWS, может точно оценивать скорость в режиме онлайн, при этом среднеквадратичная ошибка в тестовых сценариях составляет около 0,093.
Тестовые эксперименты
Бионический подводный трибоэлектрический вискерный датчик (UTWS) состоит из эллиптического вала вискера с соотношением сторон 0,403, четырех гибких трибоэлектрических сенсорных блоков, имитирующих нейронную структуру фолликуло-синусных комплексов, и гибкого гофрированного соединения, имитирующего эпидермис щек морских животных.
Структура и механизм работы подводного трибоэлектрического усового датчика (UTWS). a. Применение UTWS для пассивного зондирования гидродинамических полей течения. b. Нейронная структура комплекса фолликул-синус. c. Основная структура UTWS. d. Вид сверху UTWS. e, f, g. Механизм работы UTWS, иллюстрирующий деформацию чувствительных элементов и потока электронов в ответ на внешние раздражители.
В процессе разработки была использована технология двухкамерного экранирования для минимизации помех от ионов в воде. UTWS продемонстрировал впечатляющие преимущества, включая быстрое время отклика (21 мс) и высокое соотношение сигнал/шум (61,66 дБ). Благодаря использованию методов глубокого обучения для обработки многоканальных сигналов, подводные аппараты, оснащенные системой UTWS, могут в режиме онлайн оценивать скорость, причем среднеквадратичная ошибка в ходе проверочных испытаний составила около 0,093. Эти результаты показывают, что предложенная технология зондирования с глубоким обучением на основе UTWS демонстрирует потенциал в качестве интегрированного инструмента для подводных аппаратов в задачах локальной навигации.
Валидация UTWS в онлайн-оценке состояния ДУА. a. Данные случайных поворотных движений, снятые NOKOV. b. Оценка скорости ДУА в реальном времени. c. Угловая скорость ДУА вдоль траектории поворотного движения. d. Полоса ошибок предсказанной траектории. e. Угловая скорость АДУ на траектории кругового движения. f. Ускорение на основе данных инерциального измерительного блока (IMU). g. Сравнение между фактической траекторией, прогнозируемой траекторией на основе UTWS и прогнозируемой траекторией на основе IMU.
В этом исследовании, вдохновленном чувствительными усами морских котиков, разработан биомиметический подводный трибоэлектрический датчик-усик (UTWS) на основе глубокого обучения для пассивного восприятия различных гидродинамических полей потока и оценки состояния подводных аппаратов в реальном времени. Система захвата движения NOKOV обеспечивает высокоточные данные позиционирования подводных аппаратов.
Применение систем захвата движения в изучении технологии интегрированной внутренней позиционирования
Гибкий робот для реабилитации верхних конечностей с использованием технологии виртуальной реальности
Пожалуйста, свяжитесь с нами
-
Мы прилагаем все усилия для того, чтобы помочь вам в ваших запросах и предоставить полную информацию.
Поделитесь с нами своими проблемами, и мы быстро направим вас к наиболее эффективному решению.
-
-
- Объем захвата * m m m
-
Объекты для отслеживания *
- Количество целей (необязательно)
-
Тип камеры (по желанию)
-
Количество камер (необязательно)
- Отправить