【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及潜航器直接力姿态控制，具体涉及一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器及控制方法。
技术介绍
1、潜航器的发展始于上世纪中期，其应用范围已从最初的军事侦察和水下作战扩展到海洋科学研究、资源勘探和环境监测等各个领域。在海底地形测绘、水下管道检测和深海探测等任务中，对潜航器姿态控制系统的要求日益提高，需要迅速响应姿态偏差以确保数据的准确性和可靠性。随着潜航器应用范围的扩大，其所面临的水下环境也变得更加复杂多变，这对姿态控制技术提出了更高的要求，不仅需要快速响应，还需要具备强适应能力。因此，有必要开发一种快速响应且高度自适应的潜航器姿态控制技术，以推动潜航器技术的发展，提升任务执行的可靠性，并拓展其工作区域。
2、传统上，潜航器的姿态控制系统根据其执行机构大致可以分为两类技术路线，及舵控及对尾推进器产生推力的矢量控制，其简要原理如下：
3、①潜航器舵控姿态控制系统依赖于通常安装在潜航器尾部或侧面的舵翼，其作动原理基于流体力学，通过调整舵翼的角度来在水流中产生力和力矩，从而实现潜航器的旋转和方向调整。然而，这种技术在应对未来潜航器姿态控制需求时存在几个缺陷。首先，由于流体力学的强非线性，调整舵偏角产生的控制力难以保证精度，且作用力的产生过程经历打舵、流动变化和舵面力分布改变，控制回路的响应及时性较差。其次，控制力的产生依赖于舵面与源于潜航器航行的流动的相互作用，使得控制力与潜航器的航行状态密切相关，比如在悬停阶段甚至无法产生控制力。最后，环绕舵面的流动影响着舵偏角产生的控制力，使得舵控系统在复杂
4、②潜航器尾推进器产生推力的矢量控制，通过执行机构控制推进器推力方向，使其围绕潜航器质心形成控制力矩，从而改变航向。尽管这种技术比舵控系统更适用，但姿态控制与航行状态强耦合。改变推力方向会降低推进器的有效推力，影响推进效率；在悬停阶段，利用尾推进器矢量控制将无法悬停。此外，螺旋桨或涡轮结构的推进器在控制推力大小和方向上精度不足。
5、针对传统潜航器姿态控制技术存在的缺陷，近期也在发展基于射流式姿态控制系统，但是其中基于稳态射流的技术路线面临控制力大小与方向难以调整，稳态射流的控制力仅取决于其射流速度，近似等于，其中是流体密度、是射流出口面积、是射流速度，可见上述三种均不易精确调控。针对该问题，基于脉冲射流的姿态控制系统被发展，其通过改变脉冲的频率、周期等，在时均量上改变射流带来的控制力，但这种手段又带来了对控制回路的响应及时性的削弱。当然，采用电控振动膜片激发射流时，不同的电信号将激发不同的控制力，但是电信号的调制以及电信号与控制力之间的映射关系难以明确，会提高姿态控制系统的数据处理复杂度。此外，上述两种基于射流控制的技术途径均存在射流方向单一，通过相互垂直的四道射流构成俯仰-偏航两个控制通道，控制系统在执行某个机动动作时需要将姿态控制力解算为俯仰-偏航控制力，而不能直接实现某个方向的控制力。
6、为此，本专利将基于环形阵列式组合独立的射流单元，提出一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器设计，实现实时输出多级可调、方向可控的控制力。
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
当中提出的缺陷，提供一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器的技术方案内容；包括潜航器，安装在潜航器的头锥后方柱段区域的环形姿态控制器，环形姿态控制器与潜航器的质心之间在沿着潜航器的对称轴方向存在位置差，形成姿态控制力臂；所述环形姿态控制器包含以4个为一组的相互垂直的射流发生器，通过周向均匀布置，实现1*4阵列、2*4阵列、3*4阵列等多级叠加组合，且环形姿态控制器通过周向均匀布置射流发生器以提供指定方向上指定大小的控制力。
2、优选地，所述射流发生器的顶部射流出口喷嘴，底部安装有电控振动膜片，电控振动膜片与射流发生器腔体通过柔性膜连接；在电信号的控制下，电控振动膜片向下振动，增加射流发生器内部腔体体积，从外环境吸收流体，基于流体力学的原理，该过程产生的反作用力可以被忽略，当向下行程达到极端之后，开始向上行程，减小射流发生器内部腔体体积，向外排出流体形成射流，近似等于ρau2，其中是ρ流体密度、a是射流出口面积、u是射流速度。
3、优选地，所述环形姿态控制器包括如下的控制逻辑：
4、潜航器在既定任务需求下需要达到一定的姿态角，需求姿态角与当前姿态角之间的误差将通过测量装置陀螺仪得到，即所需的横纵机动角；对中间装置输入横纵机动角以产生控制指令，控制环形姿态控制器，将在垂直于航行方向的平面内产生指定角度的指定大小的控制力，控制力通过姿态控制力臂产生控制力矩，与外环境的扰动力、扰动力矩共同作用改变潜航器的姿态角，构成控制回路。
5、一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制方法的技术方案，包括如下流程：
6、以环形姿态控制器中的射流发生器为1*4阵列布局为例，利用位于θ＝90°方位的射流1将在θ＝270°的方位产生大小为ρau2的控制力，同样，分别利用射流2、射流3、射流4，也将以对应的模式产生控制力，利用单个射流工作模态可以实现3个方向上大小均为ρau2的控制力；
7、此外，利用相邻两个射流同时工作，位于θ＝90°方位的射流1与位于θ＝360°方位的射流4同时工作，将产生大小为的控制力，同样，组合射流1与射流2、射流2与射流3、射流4与射流4也会对应产生3个方向上大小均为的控制力，进而利用最基础的1*4阵列可以产生8个方向的大小为ρau2与的2级控制力。
8、优选地，所述控制方法中周向相位差叠加两组1*4阵列形成2*4阵列；单一射流1，组合射流2与射流8，组合射流1、射流2与射流8三种工作模式都在θ＝270°的方位上产生控制力，但大小不一，分别为ρau2、与同比，将上述三种射流工作模式沿着顺时针方向以θ＝45°的步长旋转，分别可在θ＝315°、360°、45°、90°、135°、180°、225°共7个方位角产生大小为ρau2、与的控制力。
9、优选地，射流1与射流8，射流2与射流7，射流1、射流8、射流2与射流7三种工作模式都在θ＝247.5°的方位上产生控制力，但大小不一，分别为1.848ρau2、0.765ρau2与2.613ρau2；
10、同样，将上述三种射流工作模式沿着顺时针方向以θ＝45°的步长旋转，分别可在θ＝292.5°、337.5°、22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°共7个方位角产生大小为1.848ρau2、0.765ρau2与2.613ρau2的控制力；周向相位差叠加两组1*4阵列形成的2*4阵列可以产生16个方向的大小为0.765ρau2、ρau2、1.848ρau2、与2.613ρau2的6级控制能力。
11、优选地，从最基础的1*4阵列到2*4阵列，再到进一步周向相位差叠加三组1*4阵列形成的3*4阵列，其在周向方向上产生控制力的方向与对应的推力本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器，其特征在于，包括潜航器(1)，安装在潜航器(1)的头锥后方柱段区域的环形姿态控制器(4)，环形姿态控制器(4)与潜航器(1)的质心(2)之间在沿着潜航器(1)的对称轴方向存在位置差，形成姿态控制力臂(3)；所述环形姿态控制器(4)包含以4个为一组的相互垂直的射流发生器，通过周向均匀布置，实现1*4阵列、2*4阵列、3*4阵列等多级叠加组合，且环形姿态控制器(4)通过周向均匀布置射流发生器以提供指定方向上指定大小的控制力。
2.根据权利要求1所述的一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器，其特征在于，所述射流发生器的顶部射流出口喷嘴，底部安装有电控振动膜片，电控振动膜片与射流发生器腔体通过柔性膜连接；在电信号的控制下，电控振动膜片向下振动，增加射流发生器内部腔体体积，从外环境吸收流体，基于流体力学的原理，该过程产生的反作用力可以被忽略，当向下行程达到极端之后，开始向上行程，减小射流发生器内部腔体体积，向外排出流体形成射流，近似等于ρAU2，其中是ρ流体密度、A是射流出口面积、U是射流速度。
3.根据权利要
4.一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制方法，其特征在于，所述控制方法适用于权利要求1-权利要求3任意一项所述的一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器；且控制方法中包括如下流程：
5.根据权利要求4所述的一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制方法，其特征在于，所述控制方法中周向相位差叠加两组1*4阵列形成2*4阵列；单一射流1，组合射流2与射流8，组合射流1、射流2与射流8三种工作模式都在θ＝270°的方位上产生控制力，但大小不一，分别为ρAU2、与同比，将上述三种射流工作模式沿着顺时针方向以θ＝45°的步长旋转，分别可在θ＝315°、360°、45°、90°、135°、180°、225°共7个方位角产生大小为ρAU2、与的控制力。
6.根据权利要求5所述的一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制方法，其特征在于，射流1与射流8，射流2与射流7，射流1、射流8、射流2与射流7三种工作模式都在θ＝247.5°的方位上产生控制力，但大小不一，分别为1.848ρAU2、0.765ρAU2与2.613ρAU2；
7.根据权利要求5所述的一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制方法，其特征在于，从最基础的1*4阵列到2*4阵列，再到进一步周向相位差叠加三组1*4阵列形成的3*4阵列，其在周向方向上产生控制力的方向与对应的推力级数随所使用的1*4阵列的组数N增加而迅速增加，通过增加N快速实现高分辨率的控制性能，利用几何拓扑学可以计算得到可以产生控制力的方向数量为8*N，可以产生控制力的级数为2N+1-2，从而实现输出多级可调、方向可控的控制力。
...【技术特征摘要】
1.一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器，其特征在于，包括潜航器(1)，安装在潜航器(1)的头锥后方柱段区域的环形姿态控制器(4)，环形姿态控制器(4)与潜航器(1)的质心(2)之间在沿着潜航器(1)的对称轴方向存在位置差，形成姿态控制力臂(3)；所述环形姿态控制器(4)包含以4个为一组的相互垂直的射流发生器，通过周向均匀布置，实现1*4阵列、2*4阵列、3*4阵列等多级叠加组合，且环形姿态控制器(4)通过周向均匀布置射流发生器以提供指定方向上指定大小的控制力。
2.根据权利要求1所述的一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器，其特征在于，所述射流发生器的顶部射流出口喷嘴，底部安装有电控振动膜片，电控振动膜片与射流发生器腔体通过柔性膜连接；在电信号的控制下，电控振动膜片向下振动，增加射流发生器内部腔体体积，从外环境吸收流体，基于流体力学的原理，该过程产生的反作用力可以被忽略，当向下行程达到极端之后，开始向上行程，减小射流发生器内部腔体体积，向外排出流体形成射流，近似等于ρau2，其中是ρ流体密度、a是射流出口面积、u是射流速度。
3.根据权利要求1所述的一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制器，其特征在于，所述环形姿态控制器(4)包括如下的控制逻辑：
4.一种环形阵列式多级多向潜航器直接力姿态控制方法，其特征在于，所述控制方法适用于权利要求1-权利要求3任意一项所述的一种环形阵列式多级多向潜航器...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱建玮，张国庆，王楠楠，王童辉，张宸菲，孙沐昊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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