CN107328553B - 采集活动实验装置上的环境信息的试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采集活动实验装置上的环境信息的试验平台，包括：循环水道，用于建立活动实验装置所处的流体环境；活动实验装置移动控制平台；活动实验装置，其上设置有用于安装环境信息传感器的多个备选安装位置，且其通过固定装置固定于活动实验装置移动控制平台的z轴方向导轨的下方，由计算机控制活动实验装置移动控制平台将该活动实验装置置于水箱的不同位置和定向处；环境信息采集装置，其与安装在该活动实验装置上的环境信息传感器通信连接，用于在该活动实验装置被置于水箱的不同位置和定向处时采集环境信息传感器的环境信息。能够通过使用实体模型和数据采集平台直接建模和仿真来进一步验证软件建模和数值仿真的结果。

Description

采集活动实验装置上的环境信息的试验平台

技术领域

本发明涉及环境信息采集领域。更具体地，本发明涉及采集活动实验装置上的环境信息的试验平台。

背景技术

在工程领域中，通常需要利用传感器对周围的流体环境的信息进行监测。比如，在矿井作业时需要对通风情况进行监测，在航空或航海时需要对气流或水流情况进行监测。

在进行流体环境信息监测时通常都要使用传感器。因此，如何对传感器的布局进行优化，从而提高传感器的利用效率，就成为了人们的一个重要研究方向。

通常可以采用两种方法来对传感器的布局进行优化：第一种是通过使用实体模型和数据采集平台直接建模和仿真的方式来进行布局优化；第二种是通过软件建模和数值仿真的方式来进行布局优化。

本申请的申请人在名称为“确定活动装置上的流体环境信息传感器的安装位置的方法”的在先申请中公开了一种能够结合上述第二种方法来确定活动实验装置上的流体环境信息传感器的安装位置的方法，从而获得了在诸如机器鱼等的活动实验装置上安装传感器的最佳布局。

然而，在采用第二种方法时，如果在实际环境或装置中实施最终的布局优化方案之前，能够通过第一种方法进一步验证通过第二种方法获得的软件仿真结果，就会获得更可靠的布局优化方案。

因此，需要提出一种用于采集活动实验装置上的环境信息的试验平台，从而通过第一种方法进一步验证通过第二种方法获得的软件仿真结果，以获得更可靠的布局优化方案。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的采集活动实验装置上的环境信息的试验平台，包括：

循环水道，该循环水道包括水箱和带水泵的外部水道，在沿水箱长度方向上的第一侧面上固设有与外部水道的第一端连接的出水口，在沿水箱长度方向上的第二侧面上固设有与外部水道的第二端连接的入水口，入水口的高度高于出水口的高度，用于建立活动实验装置所处的流体环境；

活动实验装置移动控制平台，该活动实验装置移动控制平台通过连接器固设于水箱之上，且该活动实验装置移动控制平台包括：沿水箱长度方向设置的x轴方向平行导轨、设置在该x轴方向平行导轨之上且沿该x轴方向平行导轨可滑动的y轴方向导轨、设置在该y轴方向导轨之上且沿垂直于xy平面的z轴方向可滑动并能以自身为轴旋转的z轴方向导轨，z轴方向导轨上设置有用于固定活动实验装置的固定装置，且该活动实验装置移动控制平台还包括：控制y轴方向导轨在x轴方向上的位置的x轴方向步进电机、控制z轴方向导轨在y轴方向上的位置的y轴方向步进电机、控制z轴上的固定装置在z轴方向上的位置的z轴方向步进电机、控制z轴方向导轨以自身为轴旋转的角度的舵机，x轴方向步进电机、y轴方向步进电机、z轴方向步进电机和舵机由计算机控制；

活动实验装置，该活动实验装置上设置有用于安装环境信息传感器的多个备选安装位置，且该活动实验装置通过固定装置固定于活动实验装置移动控制平台的z轴方向导轨的下方，且由计算机控制活动实验装置移动控制平台将该活动实验装置置于水箱的不同位置和定向处；

环境信息采集装置，该环境信息采集装置与安装在该活动实验装置上的环境信息传感器通信连接，用于在该活动实验装置被置于水箱的不同位置和定向处时采集环境信息传感器的环境信息。

本发明的技术方案即能够直接通过实体建模和仿真来获取布局优化方案，也能够对软件仿真得到的布局优化结果进行进一步地验证，以获得更可靠的布局优化方案。

附图说明

通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明实施方式的采集活动实验装置上的环境信息的试验平台的示意图。

图2示出了根据本发明实施方式的采集活动实验装置上的环境信息的试验平台所使用的活动实验装置的示意图。

图3示出了根据本发明实施方式的采集活动实验装置上的环境信息的试验平台所需要测试的不同类型工况的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明实施方式的采集活动实验装置上的环境信息的试验平台100的示意图。

如图1所示，试验平台100包括：循环水道、活动实验装置移动控制平台102、活动实验装置103和环境信息采集装置104。

循环水道包括水箱101和带水泵的外部水道(在图1中未示出)，在沿水箱101长度方向上的第一侧面上固设有与外部水道的第一端连接的出水口，在沿水箱101长度方向上的第二侧面上固设有与外部水道的第二端连接的入水口，入水口的高度高于出水口的高度，用于建立活动实验装置103所处的流体环境。

可选地，水箱101可以采用公开号为CN105042264A的专利申请所公开的水箱的结构。

需要了解的是，在图1中仅仅示出了循环水道的水箱101，然而，循环水道还包括(例如，通过在图1中由圆孔表示的位于水箱101的左右两侧的出水口和入水口)与水箱101连接的外部水道。而且，为了使循环水道内的水循环，外部水道中还包含水泵。

活动实验装置移动控制平台102通过连接器(在图1中未示出)固设于水箱101之上，且活动实验装置移动控制平台102包括：沿水箱101长度方向设置的x轴方向平行导轨105、设置在x轴方向平行导轨105之上且沿x轴方向平行导轨105可滑动的y轴方向导轨106、设置在y轴方向导轨106之上且沿垂直于xy平面的z轴方向可滑动并能以自身为轴旋转的z轴方向导轨107，z轴方向导轨107上设置有用于固定活动实验装置103的固定装置(在图1中未示出)，且活动实验装置移动控制平台102还包括：控制y轴方向导轨106在x轴方向上的位置的x轴方向步进电机(在图1中未示出)、控制z轴方向导轨107在y轴方向上的位置的y轴方向步进电机(在图1中未示出)、控制z轴上的固定装置在z轴方向上的位置的z轴方向步进电机(在图1中未示出)、控制z轴方向导轨107以自身为轴旋转的角度的舵机(在图1中未示出)，x轴方向步进电机、y轴方向步进电机、z轴方向步进电机和舵机由计算机(例如，图1中的104)控制。

活动实验装置103上设置有用于安装环境信息传感器的多个备选安装位置(在图1中未示出)，且活动实验装置103通过固定装置(在图1中未示出)固定于活动实验装置移动控制平台102的z轴方向导轨107的下方，且由计算机控制活动实验装置移动控制平台102将活动实验装置103置于水箱101的不同位置和定向处。

活动实验装置103可以是任意形状的实体模型。例如，活动实验装置103可以是用于模拟生物鱼的机器鱼模型，考虑到生物鱼在游动过程中，能够利用侧线感知流场信息，进而调整运动状态，适应流场环境。可以压力传感器分组或配对安装在机器鱼模型的不同安装位置上，以监测流场中压力的变化。

考虑到生物鱼的侧线***中的侧线管神经丘主要分布在生物鱼沿水平面方向上的最大横剖面的轮廓线(即，侧线)对应的外表皮中，可以将机器鱼模型上能够用于安装传感器的备选安装位置初步限定在机器鱼模型的侧线上，以简化选择最终的安装位置的复杂度。

图2示出了根据本发明实施方式的采集活动实验装置上的环境信息的试验平台所使用的活动实验装置(即，机器鱼模型)103的示意图。

如图2所示，左侧视图为活动实验装置103的侧视图，右侧视图为活动实验装置103沿A-A方向的剖视图。

左侧视图中带圆孔203的可替换卡条位置表示传感器的安装位置201，不带圆孔的可替换卡条位置表示目前不作为传感器的安装位置的其他备选的传感器的安装位置202。当某个可替换卡条位置被选为传感器的安装位置后，在该位置处使用带圆孔203的可替换卡条，圆孔203中可以安装诸如压力传感器等的环境信息传感器，用于测量该位置处的诸如压力等的环境信息。否则，则在该位置处使用不带圆孔的可替换卡条作为占位卡条，以保证机器鱼模型的表面形成平滑的结构，从而不影响在模拟流体环境中对环境信息传感器安装位置处的环境信息的准确采集。连杆204用于将活动实验装置103(即，机器鱼模型)通过固定装置(在图2中未示出)固定于活动实验装置移动控制平台102的z轴方向导轨107的下方。

固定卡条205和卡座206沿A-A方向的横截面如图2的右侧剖视图所示。其中，固定卡条205用于将传感器的安装位置201处的带圆孔203的可替换卡条或者备选的传感器的安装位置202处的不带圆孔的占位卡条固定到位。卡座206的位置固定，用于将传感器的安装位置201处的带圆孔203的可替换卡条或者备选的传感器的安装位置202处的不带圆孔的占位卡条间隔设置。

在制作机器鱼模型时，先通过Solid Works进行设计，然后再通过3D技术进行打印。所使用的材料是耐水耐撞击的尼龙材料。

如图2所示，机器鱼模型可以采用三层结构，下层是防水台设计，做稳固作用，靠近边沿处有凹槽，用于卡扣中层的小板；中层设计成可以替换式小板(即，传感器的安装位置201处的带圆孔203的可替换卡条、或者备选的传感器的安装位置202处的不带圆孔的占位卡条)，为了方便置换传感器位置，替换式小板与机器鱼模型的主体结构之间留有空隙(例如，圆孔203)，用于放置传感器；上层是栅栏式，固定板(即，卡座206)与替换板(即，固定卡条205)交替排列，固定的同时保证可以方便替换中层夹板。除了上层盖板外，都采用嵌套式设计，以保证机器鱼模型的稳固。

压力传感器可以采用型号为MS5803-01BA的高精度高分辨率传感器，可以实现自主温度补偿。传感器模块可以刚刚好嵌入到中层夹板和主体之间，以保证传感器的固定。该机器鱼模型的特点是传感器位置可替换，中层内部之间打空，每个小板的位置(对应图2所示的安装位置201和202)都可以放置传感器，可以设置多个(例如，45个)安装位置。并且，可以错位放置，理论上来说，传感器可以布置在中层的任何一个位置。

通过上述设计方式，本发明的活动实验装置移动控制平台102能够控制机器鱼模型的前进后退、上下移动、左右移动和左右偏转。而且，活动控制部分全都架在机器鱼模型的上方，避免对机器鱼模型自身造成过多的影响。其中的x轴方向步进电机、y轴方向步进电机、z轴方向步进电机可以采用57步进电机(23HD76002Y)，而舵机可以采用DS3115MG。另外，为了精确控制电机运动的距离和角度，在搭建好活动实验装置移动控制平台102之后，还对移动的距离和角度进行建模，以精确控制电机和舵机的运转。

通过上述设计方式，本发明的活动实验装置103能够从多个备选安装位置中选择环境信息传感器的实际安装位置，从而形成不同的传感器布局，方便地采集不同传感器布局下的流体环境信息。

环境信息采集装置(例如，计算机)104与安装在活动实验装置103上的环境信息传感器(例如，通过通信链路108)通信连接，用于在该活动实验装置103被置于水箱101的不同位置和定向处时采集环境信息传感器的环境信息。

可选地，针对某种特定的传感器布局，可以模拟多种工况并且采集在各种工况下的流体环境信息。图3示出了根据本发明实施方式的采集活动实验装置上的环境信息的试验平台所需要测试的不同类型工况的示意图。

如图3所示，图3中一共包含8个子图，每个子图为一种工况类型。子图1-3和子图5-7分别表示均匀流场和涡街流场下流体正对机器鱼、机器鱼相对流场向左侧偏转15度、机器鱼相对流场向左侧偏转30度的不同的工况类型，子图4和子图8分别表示涡街流场下流体偏移涡街中线5cm和10cm的不同的工况类型。可以在上述各种不同的工况下分别将水箱101中的流场设置为不同的流速(例如，5cm/s，10cm/s，20cm/s)来进行测试。从而通过采集来自压力传感器的数据来得到诸如不同流场流速下的机器鱼表面的压力、机器鱼表面两侧的压力差等流体环境测试数据。

可选地，在测试时使用包含公开号为CN105042264A的专利申请所公开的水箱结构的循环水道来模拟均匀流场。而且，在测试时可以采用使均匀流场流过水箱101内设置的一个半径为5cm的圆柱体的方式来产生卡门涡街流场，以模拟非均匀流场。

以上所述，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种采集活动实验装置上的环境信息的试验平台，其特征在于，包括：

循环水道，该循环水道包括水箱和带水泵的外部水道，在沿水箱长度方向上的第一侧面上固设有与外部水道的第一端连接的出水口，在沿所述水箱长度方向上的第二侧面上固设有与外部水道的第二端连接的入水口，所述入水口的高度高于所述出水口的高度，用于建立活动实验装置所处的流体环境；

活动实验装置移动控制平台，该活动实验装置移动控制平台通过连接器固设于水箱之上，且该活动实验装置移动控制平台包括：沿水箱长度方向设置的x轴方向平行导轨、设置在该x轴方向平行导轨之上且沿该x轴方向平行导轨可滑动的y轴方向导轨、设置在该y轴方向导轨之上且沿垂直于xy平面的z轴方向可滑动并能以自身为轴旋转的z轴方向导轨，z轴方向导轨上设置有用于固定活动实验装置的固定装置，且该活动实验装置移动控制平台还包括：控制y轴方向导轨在x轴方向上的位置的x轴方向步进电机、控制z轴方向导轨在y轴方向上的位置的y轴方向步进电机、控制z轴上的固定装置在z轴方向上的位置的z轴方向步进电机、控制z轴方向导轨以自身为轴旋转的角度的舵机，x轴方向步进电机、y轴方向步进电机、z轴方向步进电机和舵机由计算机控制；

活动实验装置，该活动实验装置上设置有用于安装环境信息传感器的多个备选安装位置，且该活动实验装置通过所述固定装置固定于所述活动实验装置移动控制平台的z轴方向导轨的下方，且由计算机控制所述活动实验装置移动控制平台将该活动实验装置置于水箱的不同位置和定向处；

环境信息采集装置，该环境信息采集装置与安装在该活动实验装置上的环境信息传感器通信连接，用于在该活动实验装置被置于水箱的不同位置和定向处时采集环境信息传感器的环境信息。