[发明专利]基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法

权利要求书

1.一种基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在水下航行器的外表面，均匀布设多个沿轴向设置的出气控制区；

根据水下航行器的实时姿态调整需求进行动力学解耦，获得各控制区需施加的摩擦阻力；

基于上述各控制区需施加的摩擦阻力，确定水下航行器在每个控制区表面需输出的气体流量和所述气体对水下航行器表面应造成的压力；

在每个控制区表面根据上述需输出的气体流量和所述气体对水下航行器表面应造成的压力输出气体，将水下航行器姿态调整到需求状态；

上述根据水下航行器的实时姿态调整需求进行动力学解耦获得各控制区需施加的摩擦阻力的步骤，进一步包括：

以水下航行器的质心为坐标原点O，以水下航行器纵轴指向头部方向为X轴正向，以垂直向上方向为Y轴正向，垂直于OXY平面且按右手定则定义的方向为Z轴正向，建立水下航行器坐标系OXYZ；

以水下航行器的运动起点为坐标原点o、以所述运动起点到目标终点的位移矢量在水平面投影方向为x轴正向，以垂直向上方向为y轴正向，建立平面参考坐标系oxy；

根据建立的水下航行器坐标系OXYZ和平面参考坐标系oxy，确定OX轴与oxy平面的夹角作为姿态调整需求的俯仰角度θ，并确定OX轴在oxy平面的投影与ox轴之间的夹角作为姿态调整需求的偏航角度

根据所述俯仰角度θ和偏航角度结合θ、的力矩系数m_θ、确定各控制区需施加的摩擦阻力关系；

根据所述各控制区需施加的摩擦阻力关系，结合各控制区摩擦阻力的预设初值，确定各控制区当前需施加的摩擦阻力。

2.根据权利要求1所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所有控制区相对于轴线呈对称排布；

每个控制区内均具有独立的气体产生装置，其产生的气体以所述需输出的气体流量和所述气体对水下航行器表面应造成的压力从所述控制区表面输出至水中。

3.根据权利要求1或2所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述控制区的数量大于等于3；

每个所述控制区均起始于水下航天器的肩部位置，终止于水下航天器的尾部位置；并且，每个控制区的形状、控制区域面积均相同。

4.根据权利要求1或2所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述在水下航行器的外表面均匀布设多个沿轴向设置的出气控制区，包括如下步骤：

根据水下航行器静力及机动性要求的包络力矩，结合控制区数量、控制区设计弧度、水下航天器的半径，确定控制区长度；

根据所述控制区长度，确定各控制区的控制区域面积；

在水下航行器的外表面，均匀布设所述数量且沿轴向设置的具有所述控制区长度、所述控制区域面积的控制区。

5.根据权利要求4所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，每个控制区的长度L通过如下公式确定

式中，M为设计时输入的包络力矩；C_f为阻力系数，α为所述控制区的预设弧度，d为水下航行器的半径；

每个控制区的控制区域面积S通过如下公式计算

S＝Ldα。

6.根据权利要求5所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，当控制区的数量为3时，各控制区需施加的摩擦阻力f₁、f₂、f₃关系通过如下公式获得

式中，f_i为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,2,3，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。