[發明專利]基于氣膜減阻技術的水下航行器姿態控制方法

有效

• 申請號: 201910542731.1
• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110160412B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 彭雪明;黃磊;何春濤;段磊;張孝石
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: F42B19/01
• 分類號: F42B19/01;F42B17/00;B63B1/38
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 李明里;楊光

1.一種基于氣膜減阻技術的水下航行器姿態控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

在水下航行器的外表面，均勻布設多個沿軸向設置的出氣控制區；

根據水下航行器的實時姿態調整需求進行動力學解耦，獲得各控制區需施加的摩擦阻力；

基于上述各控制區需施加的摩擦阻力，確定水下航行器在每個控制區表面需輸出的氣體流量和所述氣體對水下航行器表面應造成的壓力；

在每個控制區表面根據上述需輸出的氣體流量和所述氣體對水下航行器表面應造成的壓力輸出氣體，將水下航行器姿態調整到需求狀態；

上述根據水下航行器的實時姿態調整需求進行動力學解耦獲得各控制區需施加的摩擦阻力的步驟，進一步包括：

以水下航行器的質心為坐標原點O，以水下航行器縱軸指向頭部方向為X軸正向，以垂直向上方向為Y軸正向，垂直于OXY平面且按右手定則定義的方向為Z軸正向，建立水下航行器坐標系OXYZ；

以水下航行器的運動起點為坐標原點o、以所述運動起點到目標終點的位移矢量在水平面投影方向為x軸正向，以垂直向上方向為y軸正向，建立平面參考坐標系oxy；

根據建立的水下航行器坐標系OXYZ和平面參考坐標系oxy，確定OX軸與oxy平面的夾角作為姿態調整需求的俯仰角度θ，并確定OX軸在oxy平面的投影與ox軸之間的夾角作為姿態調整需求的偏航角度

根據所述俯仰角度θ和偏航角度結合θ、的力矩系數m_θ、確定各控制區需施加的摩擦阻力關系；

根據所述各控制區需施加的摩擦阻力關系，結合各控制區摩擦阻力的預設初值，確定各控制區當前需施加的摩擦阻力。

2.根據權利要求1所述的基于氣膜減阻技術的水下航行器姿態控制方法，其特征在于，所有控制區相對于軸線呈對稱排布；

每個控制區內均具有獨立的氣體產生裝置，其產生的氣體以所述需輸出的氣體流量和所述氣體對水下航行器表面應造成的壓力從所述控制區表面輸出至水中。

3.根據權利要求1或2所述的基于氣膜減阻技術的水下航行器姿態控制方法，其特征在于，所述控制區的數量大于等于3；

每個所述控制區均起始于水下航天器的肩部位置，終止于水下航天器的尾部位置；并且，每個控制區的形狀、控制區域面積均相同。

4.根據權利要求1或2所述的基于氣膜減阻技術的水下航行器姿態控制方法，其特征在于，所述在水下航行器的外表面均勻布設多個沿軸向設置的出氣控制區，包括如下步驟：

根據水下航行器靜力及機動性要求的包絡力矩，結合控制區數量、控制區設計弧度、水下航天器的半徑，確定控制區長度；

根據所述控制區長度，確定各控制區的控制區域面積；

在水下航行器的外表面，均勻布設所述數量且沿軸向設置的具有所述控制區長度、所述控制區域面積的控制區。

5.根據權利要求4所述的基于氣膜減阻技術的水下航行器姿態控制方法，其特征在于，每個控制區的長度L通過如下公式確定

式中，M為設計時輸入的包絡力矩；C_f為阻力系數，α為所述控制區的預設弧度，d為水下航行器的半徑；

每個控制區的控制區域面積S通過如下公式計算

S＝Ldα。

6.根據權利要求5所述的基于氣膜減阻技術的水下航行器姿態控制方法，其特征在于，當控制區的數量為3時，各控制區需施加的摩擦阻力f₁、f₂、f₃關系通過如下公式獲得

式中，f_i為第i個控制區需施加的摩擦阻力，i＝1,2,3，第2個控制區定義為水下航行器外表面沿OY軸排布的控制區，控制區序號在OYZ平面內逆時針遞增。