【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及跨介质航行器出水过程中垂直面速度系数的获取，属于跨介质航行器。
技术介绍
1、跨介质航行器作为一种能够同时完成水中、空中作业任务的新型航行器，已成为当前的研究热点。跨介质航行器既能进行水下信息收集，又能够实现快速转场，对于大范围海洋水文环境探测，海上污染快速响应等具有重要意义。在当前的研究中，出水过程中跨介质航行器受到强非线性的流体动力作用，但当前多是探索式的研究，相关的流体动力作用机理尚不明确。在相关的出水控制过程中，多采用无模型控制方案，或引入阶跃、幂函数等数学角度的方程来描述出水过程，但这从流体作用原理上来讲是不合理的，事实上也不利于仿真研究和控制参数调制。构建出水数学模型，求解模型系数是跨介质航行器控制研究亟需解决的问题，出水模型通过泰勒展开可以分为初始状态项、加速度项、速度一阶项(速度项)、速度二阶项(加速度项)，以及其他高阶项；忽略高阶项，初始状态项可以通过计算水下机器人在该状态下的受力分析得到加速度项的相关系数可以通过引入流体力学理论中的附加质量并引入时变函数进行计算得到。可见，与跨边界层强非线性作用耦合密切的速度项相关系数是构建数学模型的关键数据，本专利技术将提供一种垂直面速度系数(也就是速度一阶项系数)的方法。
技术实现思路
1、针对现有跨介质航行器出水控制采用无模型控制方案不利于仿真研究和控制参数调制问题，本专利技术提供一种跨介质航行器出水过程中垂直面速度系数获取方法，为构建跨介质航行器出水模型作贡献。
2、本专利技术所述一种跨介质航行
3、s1、模型构建：制作跨介质航行器实物模型，并绘制与跨介质航行器实物模型一致的三维数字模型，建立固定坐标系e-εηζ和运动坐标系g-xyz，获取不同出水角度下跨介质航行器的不同吃水深度及对应浮力数据；
4、s2、模型出水：将实物模型安装于测量平台上，约束实物模型分别做以下两类运动：在不同速度v、不同出水角度αi下匀速斜航出水；在不同速度v下匀速回转出水；
5、s3、数据采集：测量平台采集实物模型轴线艏端顶点每次出水时的受力数据；
6、s4、数据处理：构建受力平衡方程组，根据步骤s3测量的受力数据和步骤s1的浮力数据获取实物模型出水过程中作用点在浮心v的流体动力；
7、s5、系数拟合：拟合流体动力数据曲线获取四个与出水角度和吃水深度相关的垂直面速度系数，用于构建控制跨介质航行器垂直面运行的线性化出水数学模型。
8、优选地，固定坐标系的原点e与模型轴线艏端顶点重合，eε轴指向北方，eζ轴竖直指向地心，eη轴与eε轴和eζ轴构成右手系；运动坐标系的原点g与跨介质航行器重心重合，gx轴指向艏正前方，gz轴垂直gx轴指向底部，gy轴与gx轴和gz轴构成右手系；令η＝0，y＝0，固定坐标系的垂直面e-εζ和运动坐标系的垂直面g-xz重合。
9、优选地，步骤s1中获取不同出水角度下跨介质航行器的不同吃水深度及对应浮力数据的过程为：
10、设置不同出水角度αi，i＝1～9，i为整数，α1＝78°、α2＝81°、α3＝84°、α4＝87°、α5＝90°、α6＝93°、α7＝96°、α8＝99°、α9＝102°；
11、设置不同吃水深度hj，模型以某一出水角度αi出水时，位于水下的模型底部端点至水面距离为吃水深度，模型最大吃水深度hi＝l×sin(αi)，式中l为模型长度，将模型最大吃水深度hi均分100份，即满足关系hj+1-hj＝hi/100，j为吃水深度序号，j＝0～99；
12、按既定数据依次调整出水角度αi的大小，在每个出水角度下，计算机模拟获取不同吃水深度hj下的浮心v的坐标与浮力数据。
13、优选地，计算机模拟获取不同吃水深度hj下的浮心与浮力数据过程为：
14、吃水深度hj下，将静水面作为分割面将模型分割为两部分，在运动坐标系g-xyz下读取排水体积，进而获取浮心的坐标vij(xcij,0,zcij)和浮力fvij。
15、优选地，步骤s2中出水速度v取5-9个不同的值，v＝1～8m/s；
16、匀速斜航出水时，模型从水下竖直向上运动，从d点途经e点运动至f点，d点完全处于水下，e点位于水线面，f点完全出水，满足关系lde＞3l，lef＞3l，lde为d点和e点之间距离，lef为e点和f点之间距离；
17、匀速回转出水时，模型绕原点o以r为半径从开始运动点a途经b点运动到结束运动点c，a点完全处于水下，b点位于水面，c点完全出水，oa、oc与ob夹角β相等，且约束限定条件：单位m，β＜45°，且β越小越好。
18、优选地，步骤s3中数据采集限定条件：实物模型每次出水之前必须保证水面平静，每次数据采集必须先于出水运动开始前，在出水运动结束后才能结束，以保证受力的测量和采集能够完全包络整个出水过程；
19、步骤s3中测量平台在测量点e点采集的数据减去第一个收敛值后获取受力数据为fcε、fcζ和mcη，其中fcε为实物模型轴线艏端顶点处在固定坐标系下的水平分力，fcζ为实物模型轴线艏端顶点处在固定坐标系下的垂直分力，mcη为实物模型轴线艏端顶点处的俯仰力矩。
20、优选地，步骤s4的数据处理过程为：
21、s41、构建受力平衡方程组：
22、x方向力平衡：fcijsinαi+fgsinαi+fdx＝fcεcosαi+fcζsinαi
23、z方向力平衡：fvijcosαi+fgcosαi+fdz＝gcεsinαi+fcζcosαi
24、e点力矩平衡：fvijcosαilve+fgcosαilge+fdzlve＝mcη+mdy
25、方程组中，fvij为出水角度αi下、吃水深度hj下的浮力；
26、fg为实物模型的重量；
27、lge为g点和e点之间的距离；
28、lve为v点和e点之间的距离；
29、fdx为作用于浮心v处的流体动力x轴分力；
30、fdz为作用于浮心v处的流体动力z轴分力；
31、ndy为作用于浮心v处流体动力的力矩；
32、s42、根据实物模型轴线艏端顶点的受力数据fcε、fcζ、mcη，获取出水角度αi下、吃水深度hj下的流体动力fdx、fdz、mdy。
33、优选地，步骤s5垂直面速度系数包括与w相关的z轴水动力一阶项系数zw、与q相关的z轴水动力一阶项系数zq、与w相关的力矩一阶项系数mw和与q相关的力矩一阶项系数mq；其中，w是跨介质航行器绕z轴方向运动的角速度，q是跨介质航行器绕y轴方向运动的角速度；
34、垂直面速度系数的获取过程为：
35、对于斜航出水过程，绘制每个αi和hj下fdz随不同速度v变化的曲线，然后该曲线做原点对称，得到一整体条变化曲线，取该曲线零点处的斜率fzw本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种跨介质航行器出水过程中垂直面速度系数获取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种跨介质航行器出水过程中垂直面速度系数获取方法，其特征在于，固定坐标系的原点E与模型轴线艏端顶点重合，Eε轴指向北方，Eζ轴竖直指向地心，Eη轴与Eε轴和Eζ轴构成右手系；运动坐标系的原点G与跨介质航行器重心重合，GX轴指向艏正前方，GZ轴垂直GX轴指向底部，GY轴与GX轴和GZ轴构成右手系；令η＝0，Y＝0，固定坐标系的垂直面E-εζ和运动坐标系的垂直面G-XZ重合。
3.根据权利要求2所述一种跨介质航行器出水过程中垂直面速度系数获取方法，其特征在于，步骤S1中获取不同出水角度下跨介质航行器的不同吃水深度及对应浮力数据的过程为：
4.根据权利要求3所述一种跨介质航行器出水过程中垂直面速度系数获取方法，其特征在于，计算机模拟获取不同吃水深度hj下的浮心与浮力数据过程为：
5.根据权利要求3所述一种跨介质航行器出水过程中垂直面速度系数获取方法，其特征在于，步骤S2中出水速度v取5-9个不同的值，v＝1～8m/s；
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