基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制装置及其装置的制作方法
本发明涉及水下航行器姿态控制技术领域，尤其涉及一种基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制装置。
背景技术：
目前，针对水雷、鱼雷等水下航行器的姿态控制方法，常采用在航行器尾推进器前布置鳍舵的方法。
鳍舵一般采用流线翼型，在航行过程中产生控制力矩，操纵航行器改变姿态。鳍舵通过舵角产生控制力矩存在两个方面的不利影响，一方面在高超速航行状态下，鳍舵背流区将出现空化，引起控制力矩的非线性性，继而导致航行姿态的不可控性；另一方面布置的鳍舵突出于航行器表面，将破坏气膜整体结构，继而降低气膜减阻效率。
技术实现要素：
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制装置，用以解决现有技术鳍舵空化引起航行姿态不可控以及破坏气膜整体结构的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制装置，该装置包括综合控制器、在水下航行器的外表面均匀布设的多个出气控制区；在每个控制区内均设置有气体产生及控制装置；其中，
所述综合控制器，用于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，进而确定水下航行器在各控制区表面需输出的气体流量以及所述气体对水下航行器表面应造成的压力，将所述气体流量和所述压力发送至对应控制区的气体产生及控制装置；
所述对应控制区的气体产生及控制装置，用于控制生成的气体以所述气体流量和所述压力排放至水中，将水下航行器姿态调整到需求状态。
上述技术方案的有益效果如下：通过控制水下航行器表面上多个对称排布的控制区的摩擦阻力，产生需求的非对称力，继而产生控制力矩，实现水下航行器姿态的调整。通过上述改进方案可克服现有技术鳍舵空化引起不可控性及破坏气膜整体结构的缺点。
基于上述方法的进一步改进，每个控制区的气体产生及控制装置从外到内均包括表面出气结构、独立气室、气体控制系统和气源；
所述气体控制系统，用于控制所述气源贮存的气体以所述气体流量和所述压力流入所述独立气室，在所述独立气室混合均匀后，经所述表面出气结构流出，在水下航行器表面形成气膜，并产生摩擦阻力推动所述水下航行器调整到需求姿态。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过气体控制系统可精准调整通入独立气室的气体流量和压力，进而控制表面出气结构输出的气体流量和压力，最终输出需求的摩擦阻力，调整水下航行器方向。
进一步，所述表面出气结构由设置有多出气孔结构的不锈钢材料制成；并且，所有控制区的表面出气结构通过无孔材料连接，成为一整体后作为水下航行器外壳；
所有控制区均共用一个气源，所述气源设置于水下航行器的中心位置。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过同一气源提供所需气体，并减小气源空间占用率。表面出气结构设置简单，并且通过设置于表面出气结构与气源之间的独立气室可气室消除气体对水下航行器内部其他设备的影响。
进一步，所述独立气室、气体控制系统和气源之间通过管道连接；
所述独立气室为密闭的环形空间结构；并且，不同控制区的独立气室之间相互间为隔离状态。
上述进一步改进方案的有益效果是：独立气室对流入的气体能够起到稳压、减压的作用，是形成稳定气膜的前提条件，同时，通过环形空间结构设计，能够使得气体对独立气室造成的应力均匀，进而稳定输出气体至所述表面出气结构。
进一步，所述气体控制系统包括控制器、流量控制阀、止回阀、电磁开关阀；其中，所述气源经所述电磁开关阀、流量控制阀、止回阀与所述独立气室连接；所述控制器的正向输入端与综合控制器输出端连接，其反馈输入端与独立气室的气体流量传感器和压力传感器连接，其输出端与电磁开关阀、流量控制阀控制端连接；
控制器，用于接收到综合控制器输出的所述气体流量和所述压力后，开启所述电磁开关阀，并采集独立气室反馈的当前气体流量和压力，将所述气体流量和所述压力分别与当前气体流量和压力进行比较，根据比较结果调整通过流量控制阀的气体流量以及气压大小；
止回阀，用于防止气室内气体流回流量控制阀。
电磁开关阀，用于控制气源向气室提供气体。
上述进一步改进方案的有益效果是：经大量试验验证，通过上述方案，气体产生及控制装置能够根据综合控制器输出的所述气体流量和所述压力稳定输出需求的气体至每个控制区表面，进而实现水下航行器的精准控向。
进一步，所述控制区的数量大于等于3；并且，每个控制区的形状和控制区域面积均相同。
上述进一步改进方案的有益效果是：只要均匀布设的控制区的数量大于等于3，就可以在与水下航行器轴向垂直的平面内形成2个方向力，进而产生控制力矩，改变水下航行器航行方向。
进一步，所述综合控制器执行下述流程，获得各控制区需施加的摩擦阻力：
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，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
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。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过上述方案，可根据姿态调整需求精准地确定各控制区输出的控制力(摩擦阻力)大小。
进一步，所述综合控制器执行下述流程，确定水下航行器在各控制区表面需输出的气体流量以及所述气体对水下航行器表面应造成的压力：
基于各控制区需施加的摩擦阻力fi，通过如下公式确定水下航行器在第i个控制区表面需输出的气体流量qi和所述气体对水下航行器表面应造成的压力pi的关系
式中，fi0为不通气状态下第i个控制区受到的阻力值，
根据上述关系，结合结合各控制区当前输出的气体流量和当前气体对水下航行器表面应造成的压力，获得各控制区需施加的气体流量qi和所述气体对水下航行器表面应造成的压力。
上述进一步改进方案的有益效果是：根据各控制区应输出的控制力(摩擦阻力)反推气体流量和压力，进而根据所述气体流量和压力实现对控制区摩擦阻力的精确控制。
进一步，每个控制区的表面出气结构长度l为
式中，m为设计时输入的包络力矩；cf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。
上述进一步改进方案的有益效果是：根据包络力确定控制区出气结构长度。经大量试验证明，上述方法设计的控制区控制效果较现有技术明显提高。
进一步，每个控制区的表面出气结构面积s为
s＝ldα
上述进一步改进方案的有益效果是：根据控制区的表面出气结构长度确定该控制区的表面出气结构面积，即控制区域大小，进而实现精准控制。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制装置结构示意图；
图2为本发明实施例1气体产生及控制装置布设示意图；
图3为本发明实施例2四个控制区的布设示意图；
图4为本发明实施例2气体控制系统组成示意图。
附图标记：
1-控制区1；2-控制区2；3-控制区3；4-控制区4；m-综合控制器；fi-第i个控制区；a-表面出气结构；b-独立气室；c-气体控制系统；d-气源。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制装置，如图1所示，该装置包括综合控制器m、在水下航行器的外表面均匀布设的多个出气控制区fi。在每个控制区内均设置有气体产生及控制装置。
所述综合控制器m，用于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，进而确定水下航行器在各控制区表面需输出的气体流量以及所述气体对水下航行器表面应造成的压力，将所述气体流量和所述压力发送至对应控制区fi的气体产生及控制装置。
所述对应控制区的气体产生及控制装置，用于控制生成的气体以所述气体流量和所述压力排放至水中，将水下航行器姿态调整到需求状态。
与现有技术相比，本实施例提供的方法通过控制水下航行器表面上多个对称排布的控制区的摩擦阻力，产生需求的非对称力，继而产生控制力矩，实现水下航行器姿态的调整。通过上述改进方案可克服现有技术鳍舵空化引起不可控性及破坏气膜整体结构的缺点。
实施例2
在实施例1的基础上进行优化，所述控制区的数量大于等于3。只要能够在两个垂直的方向上产生需求的作用力即可。
优选地，每个控制区的形状和控制区域面积均相等。并且，控制区相对于轴线呈对称排布。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。
优选地，每个控制区的气体产生及控制装置从外到内均包括表面出气结构a、独立气室b、气体控制系统c和气源d，如图2所示。独立气室b、气体控制系统c和气源d之间通过管道连接。气体控制系统c与综合控制系统电连接。表面出气结构a与独立气室b之间通过螺钉连接，独立气室b中的气体通过表面出气结构a出气孔输出至水中。
优选地，表面出气结构a由设置有多出气孔结构的不锈钢材料制成，并且，所有控制区的表面出气结构a通过无孔材料连接，成为一整体后作为水下航行器外壳。
优选地，独立气室b为密闭的环形空间结构。并且，不同控制区的独立气室b之间相互间为隔离状态。环形空间应以空间占用率最小、可实现气体均匀输送为指标进行设计。
气体控制系统c，用于控制所述气源d贮存的气体以所述气体流量和所述压力流入所述独立气室b，在所述独立气室b混合均匀后，经所述表面出气结构a流出，在水下航行器表面形成气膜，并产生摩擦阻力推动所述水下航行器调整到需求姿态。
不同的控制区采用不同的气体控制系统c。优选地，每个所述气体控制系统c均包括控制器、流量控制阀、止回阀、电磁开关阀，如图4所示。气源经电磁开关阀、流量控制阀、止回阀与气室连接。控制器的正向输入端与综合控制器输出端连接，其反馈输入端与独立气室b的气体流量传感器和压力传感器连接，其输出端与电磁开关阀、流量控制阀控制端连接。
控制器，用于接收到综合控制器输出的所述气体流量和所述压力后，开启所述电磁开关阀，并采集独立气室反馈的当前气体流量和压力，将所述气体流量和压力与当前气体流量和压力分别进行比较，根据比较结果调整通过流量控制的气体流量以及气压大小。
止回阀，用于防止气室内气体流回流量控制阀，实现单向控流。
电磁开关阀，用于控制气源向气室提供气体。
优选地，气源d设置于水下航行器的中心位置，所有控制区均共用一个气源d，如图2所示。
需要说明的是，由于需要在多个对称区产生的摩擦阻力，进一步产生需求的非对称力，因此，仅需要得出各控制区摩擦阻力的大小关系，即可实现产生需求的非对称力。而在具体实施时，各区摩擦力的大小可根据选择实现，只要其满足相互关系即可。
优选地，所述综合控制器执行下述流程，获得各控制区需施加的摩擦阻力：
s21.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；
s22.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，建立平面参考坐标系oxy；
s23.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
s24.根据所述俯仰角度θ和偏航角度
式中，mθ为θ方向的控制力矩，
s25.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。并采用在控制区均匀施加的方法。
示例性地，当所述控制区的数量为3时，各控制区需施加的摩擦阻力f1、f2、f3存在如下关系
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,2,3，θ为俯仰角，
示例性地，当控制区的数量为4时，如图3所示，各控制区需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4存在如下关系
示例性地，当控制区的数量为6时，各控制区需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4、f5、f6存在如下关系
所述气体控制系统c通过上述关系，结合各控制区当前受到的摩擦阻力，获得各控制区需施加的摩擦阻力。
优选地，所述综合控制器执行下述流程，确定水下航行器在各控制区表面需输出的气体流量以及所述气体对水下航行器表面应造成的压力：
s31.基于各控制区需施加的摩擦阻力fi，通过如下公式确定水下航行器在第i个控制区表面需输出的气体流量qi和所述气体对水下航行器表面应造成的压力pi的关系
式中，fi0为不通气状态下第i个控制区受到的阻力值，
s32.根据上述关系，结合结合各控制区当前输出的气体流量和当前气体对水下航行器表面应造成的压力，获得各控制区需施加的气体流量qi和所述气体对水下航行器表面应造成的压力。
优选地，每个控制区的表面出气结构a长度l为
式中，m为设计时输入的包络力矩；cf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。
优选地，每个控制区的表面出气结构a面积s为
s＝ldα
然后，在水下航行器的外表面，均匀布设预设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。
优选地，采用在各控制区均匀施加摩擦阻力，即各控制区以获得的所述气体流量和所述压力均匀喷射气体。上述摩擦阻力与气体喷射方向相反。
与实施例1相比，本实施例提供的装置细化了控制过程，确定了输出摩擦阻力的计算方法，并且，进一步给出了针对所述摩擦阻力进行精准控制的具体方法。
实施例3
本发明还提供了一种使用实施例3所述装置进行水下航行器姿态控制的方法，包括如下步骤：
s1.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；
s2.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；
s3.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；
s4.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。
实施例4
在实施例3的基础上进行改进，本发明还提供了一种使用实施例2所述装置进行水下航行器姿态控制的方法，步骤s1可进一步细化为如下步骤：
s11.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。具体地，第i个控制区长度l通过如下公式确定
式中，m为设计时输入的包络力矩，cf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。
s12.根据所述控制区长度，确定各控制区的控制区域面积。具体地，可通过如下公式计算
s＝ldα
s13.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。
优选地，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。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。
优选地，步骤s2可进一步细化为如下步骤：
s21.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；
s22.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，建立平面参考坐标系oxy。
s23.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
s24.根据所述俯仰角度θ和偏航角度
式中，mθ为θ方向的控制力矩，
s25.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。
优选地，步骤s21选取当前水下航行器表面上最接近垂直向下方向的控制区压力方向为y轴正向，此时，
示例性地，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，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,2,3。
示例性地，当控制区的数量为4时，如图2所示，各控制区(控制区1、2、3、4)需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4通过如下公式计算
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,4。
示例性地，当控制区的数量为6时，各控制区需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4、f5、f6通过如下公式计算
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,6。
需要说明的是，由于需要在多个对称区产生的摩擦阻力，进一步产生需求的非对称力，因此，仅需要得出各控制区摩擦阻力的大小关系，即可实现产生需求的非对称力。而在具体实施时，各区摩擦力的大小可根据选择实现，只要其满足上述关系式即可。
优选地，步骤s3可进一步细化为如下步骤：
s31.基于各控制区需施加的摩擦阻力fi，确定水下航行器在第i个控制区表面需输出的气体流量qi和所述气体对水下航行器表面应造成的压力pi的关系。具体地，可通过如下公式计算
式中，fi0为不通气状态下第i个控制区受到的阻力值，
s32.根据上述关系，结合各控制区当前输出的气体流量和当前气体对水下航行器表面应造成的压力，获得各控制区需施加的气体流量qi和所述气体对水下航行器表面应造成的压力。
优选地，步骤s4可进一步细化为如下步骤：
s41.综合控制器m发出控制信号，通过所述控制信号控制每个控制区的气体产生装置分别产生气体；
s42.综合控制器m控制每个控制区产生的所述气体以所述气体流量以及对水下航行器表面应造成的压力输出至水下航行器表面，进而形成稳定气膜，隔离水下航行器和水，使得水下航行器的运行速度、稳定性均提高。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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