[發明專利]基于多穩態分析的超空泡航行體運動軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 201611223713.X
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106644382B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 呂一品;熊天紅;吳錦濤;易文俊;楊豐;史繼剛;袁丹丹;孫蕾;管軍;穆青;張浩然;梁振東
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G06F17/50
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱寶慶

本發明公開了一種基于多穩態分析的超空泡航行體運動軌跡規劃方法，步驟1，建立超空泡航行體四維動力學模型；步驟2，通過二維分岔分析確定航行體的運動中存在多穩態現象的參數區域；步驟3，采用Lyapunov指數譜及相軌圖等多穩態分析方法確定多穩態現象的類型；步驟4，運用吸引域得到超空泡航行體的運動軌跡與航行體初始位置、初始垂直速度、初始俯仰角及俯仰角速度的關系；步驟5，仿真驗證航行體的運動軌跡。本發明采用多穩態分析的方法規劃了航行體的運動軌跡，明確了航行體的運動狀態與初始條件的關系，為分析超空泡航行體的運動特性提供了新的途徑。

技術領域

本發明涉及一種運動規劃方法，特別是一種基于多穩態分析的超空泡航行體運動軌跡規劃方法。

背景技術

超空泡是一種奇特的物理現象，隨著水下航行體運動速度的加快，其上所承受的水壓反而會減小，一旦水壓減小到一定程度時，與航行體接觸的水就會汽化，形成空泡，空泡繼而把整個航行體包裹起來，形成一種“氣體外衣”，就可使航行體始終航行在自己制造的超空泡內部，從而最大限度地避免水的黏性阻力，實現高速航行。

由于在超空泡狀態下的航行體幾乎完全被空泡包裹，其流體動力以及穩定性和以往全沾濕狀態完全不同，航行體與空泡之間存在強烈的非線性作用，當某些系統參數發生變化時，系統往往會產生非線性行為，例如：Hopf分岔、倍周期分岔、切分岔以及混沌吸引子等，這些都對水下超空泡航行體的穩定控制提出了很大的挑戰。Lin等提出超空泡航行體的動力學行為中存在混沌、分岔等非線性現象；白濤等運用分叉法分析了超空泡航行體的運動特性；熊天紅等通過非線性分析方法探討了超空泡系統運動過程中產生的復雜非線性動力學行為。

對于線性系統，相空間中的吸引子是唯一的，對于非線性系統，其相空間中可能有多個吸引子共存，這種吸引子共存現象對實際應用有著重要影響，使得系統的最終去向很不確定，往往具有很復雜的行為，很可能與設計者的最初預想完全不一致，將導致系統的運行狀態存在不可預料因素，對工程應用造成了巨大的威脅，是一種需要透徹了解的非正常現象。

目前，主要在蝴蝶效應系統、洛倫茲系統、開關變換系統等非線性系統中進行了多穩態現象的分析，探究系統容易受內在參數變化影響的原因。超空泡航行體也是一種強非線性系統，其中存在多種非線性現象，但是關于超空泡航行體系統的多穩態分析還未見報道，因此，為了設計穩定可靠的超空泡航行體控制系統，通過二維動力學分析確定航行體運動中可能存在多穩態現象的參數區域，借鑒多穩態分析方法在其他非線性系統中的研究成果，結合超空泡航行體的運動現象，對其運動狀態的不可預料因素進行詳細研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于多穩態分析的超空泡航行體運動軌跡規劃方法，旨在揭示一些非理想的破壞性結果，基于多穩態分析對運動軌跡與初始條件的關系做出合理的規劃，為分析超空泡航行體的運動特性提供了新的途徑。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種多穩態分析的超空泡航行體運動軌跡規劃方法，包括以下步驟：

步驟1，建立超空泡航行體四維動力學模型；

步驟2，通過二維分岔分析確定航行體的運動中存在多穩態現象的參數區域；

步驟3，采用Lyapunov指數譜及相軌圖等多穩態分析方法確定多穩態現象的類型；

步驟4，運用吸引域得到超空泡航行體的運動軌跡與航行體初始位置、初始垂直速度、初始俯仰角及俯仰角速度的關系；

步驟5，仿真驗證航行體的運動軌跡。

本發明與現有技術相比，其顯著優點是：針對水下超空泡四維動力學模型，可得到任意兩個系統參數與動力學行為分布情況的對應關系，進而判斷多穩態現象是否存在以及存在的參數區域，根據多穩態分析方法對超空泡航行體的運動軌跡進行規劃，可得到運動軌跡與初始條件的依賴關系，為發射穩定航行的超空泡航行體提供參數依據和初始條件依據。