[发明专利]水下滑翔机无滑脱随流运动控制方法

说明书

技术领域

水下滑翔机无滑脱随流运动控制领域。

背景技术

水下滑翔机是一种新型水下自主航行器，它依靠浮力驱动，通过位姿调节，实现锯齿状轨迹航行。水下滑翔机具有精确控制浮力的能力，能够实现目标水层的中性体悬停，同时可以调节重心位置，实现对其位姿的有效控制，具有功耗低、航程长、工作时间长、隐蔽性高等优点。

水下滑翔机采用拉格朗日法观测海流、内波等海洋现象时，需要中性悬停在目标水层并且跟随海流运动以获得其速度特征。为了降低水下滑翔机随流运动滞后所造成的观测误差，实现对海洋现象的原位观测，获得推算海流运动时所需的运动以及水文数据，需要水下滑翔机无滑脱跟随海流运动。

到目前为止，国内水下滑翔机研究集中在水平海流对水下滑翔机航行的影响，而在其中性悬停无滑脱随流运动控制领域还是空白。本发明提出的控制方法填补了国内空白，提高水下滑翔机的跟随海流的无滑脱运动能力。

发明内容

本发明是水下滑翔机无滑脱随流运动控制方法。主要包括两个方面：

水下滑翔机随流运动无滑脱控制：控制水下滑翔机的重心，调整其姿态，使其始终垂直于海流，以获得最大的迎流面积。

水下滑翔机翼板调节控制：在跟随水平海流的前提条件下，水下滑翔机的浮心外壳处安装一块翼板，并与机翼垂直,依靠翼板产生的横滚力矩，使得水下滑翔机的水平机翼和海流保持一定的夹角，最大化机翼的迎流面积。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是垂直海流下水下滑翔机姿态。

图2是水平海流下水下滑翔机姿态。

图3是翼板安装位置示意图。

图4是翼板受力分析图。

图中 1，水下滑翔机浮心、2,水下滑翔机重心、3，翼板、4，翼板所受阻力、5，平行于翼板的分力、6，垂直于翼板的分力。

具体实施方式

物体在海流中随流运动，其所受阻力以压差阻力为主。根据物体在水中的绕流阻力公式可知：

式中C_D为作用力系数随物体的形状和倾角而定，即使对于同样形状的物体，C_D也是雷诺数Re的函数，随雷诺数而变化，ρ为流体的密度，S表示物体在垂直于流体运动方向的横截面积，V_r为物体相对于流体的运动速度。

水下滑翔机悬停在指定水层中，其作用力系数、海水密度以及速度差，受海洋环境影响较大，难以控制。因此保证水下滑翔机的迎流面积(在垂直于流体运动方向的横截面积)是其无滑脱随流运动的关键。本发明通过增大水下滑翔机迎流面积来提高其无滑脱随流运动能力。

如图1所示，在航行状态下，水下滑翔机的1和2并不重合，为了保证其在垂直海流的无滑脱随流运动能力，调节2，使得2和1的连线垂直于水下滑翔机轴向。这样在重力和浮力的作用下，保持水平悬停，即使遭遇海流发生横滚偏转，也会在重力矩的作用下恢复平衡。水下滑翔机水平稳定悬停，可以获得最大的迎流面积。

水下滑翔机悬停在水平海流中时，由于无法预知水平海流的方向，并且在悬停时无法控制其航向，因此水下滑翔机在水平状态下无法保证较好的无滑脱性能。因此控制水下滑翔机2调整至远离1，如图2所示，这样在重力的作用下，水下滑翔机发生偏转，竖直悬停在指定水层。无论水平海流的方向如何改变，水下滑翔机的轴向都可以垂直于水平海流，获得最大的机身迎流面积。同时，如图3所示，在水下滑翔机的1外壳处安装3，方向垂直于机翼，当海流和机翼的夹角较小时，即机翼的迎流面积较小，3与海流的夹角较大，会在海流的作用下产生绕流阻力4，其分力5和6会产生俯仰力矩和横滚力矩。为了避免俯仰力矩改变水下滑翔机的俯仰角，减少滑翔机的迎流面积。因此将3安装在1处，去除力臂，使得3不会产生俯仰力矩。同时，在横滚力矩的作用下，水下滑翔机做横滚运动，增大海流和机翼的夹角，增大迎流面积，进而提高其无滑脱随流运动能力。