[发明专利]基于多稳态分析的超空泡航行体运动轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种基于多稳态分析的超空泡航行体运动轨迹规划方法，步骤1，建立超空泡航行体四维动力学模型；步骤2，通过二维分岔分析确定航行体的运动中存在多稳态现象的参数区域；步骤3，采用Lyapunov指数谱及相轨图等多稳态分析方法确定多稳态现象的类型；步骤4，运用吸引域得到超空泡航行体的运动轨迹与航行体初始位置、初始垂直速度、初始俯仰角及俯仰角速度的关系；步骤5，仿真验证航行体的运动轨迹。本发明采用多稳态分析的方法规划了航行体的运动轨迹，明确了航行体的运动状态与初始条件的关系，为分析超空泡航行体的运动特性提供了新的途径。

技术领域

本发明涉及一种运动规划方法，特别是一种基于多稳态分析的超空泡航行体运动轨迹规划方法。

背景技术

超空泡是一种奇特的物理现象，随着水下航行体运动速度的加快，其上所承受的水压反而会减小，一旦水压减小到一定程度时，与航行体接触的水就会汽化，形成空泡，空泡继而把整个航行体包裹起来，形成一种“气体外衣”，就可使航行体始终航行在自己制造的超空泡内部，从而最大限度地避免水的黏性阻力，实现高速航行。

由于在超空泡状态下的航行体几乎完全被空泡包裹，其流体动力以及稳定性和以往全沾湿状态完全不同，航行体与空泡之间存在强烈的非线性作用，当某些系统参数发生变化时，系统往往会产生非线性行为，例如：Hopf分岔、倍周期分岔、切分岔以及混沌吸引子等，这些都对水下超空泡航行体的稳定控制提出了很大的挑战。Lin等提出超空泡航行体的动力学行为中存在混沌、分岔等非线性现象；白涛等运用分叉法分析了超空泡航行体的运动特性；熊天红等通过非线性分析方法探讨了超空泡系统运动过程中产生的复杂非线性动力学行为。

对于线性系统，相空间中的吸引子是唯一的，对于非线性系统，其相空间中可能有多个吸引子共存，这种吸引子共存现象对实际应用有着重要影响，使得系统的最终去向很不确定，往往具有很复杂的行为，很可能与设计者的最初预想完全不一致，将导致系统的运行状态存在不可预料因素，对工程应用造成了巨大的威胁，是一种需要透彻了解的非正常现象。

目前，主要在蝴蝶效应系统、洛伦兹系统、开关变换系统等非线性系统中进行了多稳态现象的分析，探究系统容易受内在参数变化影响的原因。超空泡航行体也是一种强非线性系统，其中存在多种非线性现象，但是关于超空泡航行体系统的多稳态分析还未见报道，因此，为了设计稳定可靠的超空泡航行体控制系统，通过二维动力学分析确定航行体运动中可能存在多稳态现象的参数区域，借鉴多稳态分析方法在其他非线性系统中的研究成果，结合超空泡航行体的运动现象，对其运动状态的不可预料因素进行详细研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多稳态分析的超空泡航行体运动轨迹规划方法，旨在揭示一些非理想的破坏性结果，基于多稳态分析对运动轨迹与初始条件的关系做出合理的规划，为分析超空泡航行体的运动特性提供了新的途径。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多稳态分析的超空泡航行体运动轨迹规划方法，包括以下步骤：

步骤1，建立超空泡航行体四维动力学模型；

步骤2，通过二维分岔分析确定航行体的运动中存在多稳态现象的参数区域；

步骤3，采用Lyapunov指数谱及相轨图等多稳态分析方法确定多稳态现象的类型；

步骤4，运用吸引域得到超空泡航行体的运动轨迹与航行体初始位置、初始垂直速度、初始俯仰角及俯仰角速度的关系；

步骤5，仿真验证航行体的运动轨迹。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：针对水下超空泡四维动力学模型，可得到任意两个系统参数与动力学行为分布情况的对应关系，进而判断多稳态现象是否存在以及存在的参数区域，根据多稳态分析方法对超空泡航行体的运动轨迹进行规划，可得到运动轨迹与初始条件的依赖关系，为发射稳定航行的超空泡航行体提供参数依据和初始条件依据。