[发明专利]一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法

说明书

本发明提出了一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法，用以解决现有自主水下航行器通过增加螺旋桨转速和扭矩的方式增加加速度会极大的消耗能量。本发明的步骤为：自主水下航行器的控制器控制喷气式推进装置启动提供推力，实现自主水下航行器瞬时加速；判断是否启动螺旋桨；根据水阻力公式计算航行时的阻力；控制器解算螺旋桨的推力，通过推力计算螺旋桨的转速；控制器根据所需舵力解算尾舵的舵角；螺旋桨推进稳定航行，根据舵角调整位姿。本发明混合喷气式推进装置和螺旋桨驱动AUV航行，喷气式推进装置提供AUV启动所需的动能，实现瞬时加速；加速后可以实现AUV稳速航行及位姿调整。本发明可以大幅缩短AUV加速时间，降低了能耗。

技术领域

本发明涉及水下航行器的技术领域，尤其涉及一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法。

背景技术

自主式水下航行器(AUV)是一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，具有活动范围广、机动性好、安全、智能化和隐蔽性好等优点，成为完成各种水下任务的重要工具，如，在民用领域，可用于铺设管线、海底考察、数据搜集水下设备维护和维修等。在军事领域可用于侦察、扫雷、援潜和救生等。

水下航行器发展到现在，其高机动能力使其适用于各种任务。AUV的驱动方式主要为螺旋桨驱动。在水下，水阻力和能源是限制AUV高速机动的重要因素。尤其是在AUV启动过程中，受水阻力的影响，AUV的加速度通常不超过0.1m/s²。而通过增加螺旋桨转速和扭矩的方式会极大的消耗为数不多的能量。

申请号为202010006806.7的发明专利公开了一种AUV螺旋通道推进器，使用减速线性对导流器外部线型进行设计，使用加速线性对整流器外部线型进行设计，使螺旋通道推进器工作中，通过前段经过线型设计的导流器对来流进行导流，使其低阻的以螺旋前进流动的方式进入螺旋通道；通过经过线型设计的整流器对尾流进行整合，从而减小尾流对推进器产生的不利影响，提高螺旋通道推进器推进性能。但是，该推进器结构复杂，体积较大，需要更高的能耗来支撑其运行。对于小型AUV来说，该推进器的效果并不理想。

发明内容

针对现有自主水下航行器通过增加螺旋桨转速和扭矩的方式增加加速度会极大的消耗能量的技术问题，本发明提出一种自主水下航行器瞬时加速系统及方法，增加了固体推进剂驱动的喷气式推进装置，通过喷气式推进装置和双螺旋桨共同驱动AUV航行，通过固体燃料的燃烧产生的化学能提供的大额推力完成加速过程，通过双螺旋桨提供后续的稳定推力。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种自主水下航行器瞬时加速方法，其步骤为：

步骤一：自主水下航行器的控制器控制喷气式推进装置启动，向自主水下航行器提供推力，实现自主水下航行器瞬时加速；

步骤二：判断是否启动螺旋桨：控制器比较速度传感器实时监测自主水下航行器的速度与预设的速度阈值，若自主水下航行器的速度大于等于速度阈值，控制器启动螺旋桨，由螺旋桨提供航行动力；否则，返回步骤一；

步骤三：根据水阻力公式计算自主水下航行器航行时的阻力；

步骤四：控制器根据阻力解算螺旋桨的推力，通过推力计算螺旋桨的转速；

步骤五：控制器根据所需舵力解算尾舵的舵角；

步骤六：螺旋桨在步骤四计算的螺旋桨的转速下推进自主水下航行器稳定航行，控制器根据步骤五计算的尾舵的舵角调整自主水下航行器的位姿。

优选地，所述步骤一中喷气式推进装置包括点火装置、燃料柱、燃烧室和喷管，点火装置设置在燃烧室的一侧且与燃料柱相匹配，燃料柱设置在燃烧室中，燃烧室的另一侧安装有喷管。

优选地，所述喷管为先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，即喷管包括收缩段和扩展段，收缩段与燃烧室相连通，收缩段通过喷喉与扩展段相连通，扩展段与喷口相连通；所述喷喉为喷管的截面积最小处。