一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，属于船舶与水下航行器工程、水下航行体运动轨迹估计技术领域。本发明专利技术基于水下航行体试验，在航行体表面进行压力测点布置，通过试验获取航行体表面压力测点的压力数据，并基于该数据进一步研究计算，最终得出水下航行体的运动规律及轨迹。本发明专利技术可以为水下航行体的姿态控制和运动方式控制等技术提供科学依据，并为开展的水下航行体试验的压力测点布置方案提供技术支撑。

A Method for Predicting the Motion Trajectory of Underwater Vehicle Based on Pressure Distribution

The invention relates to a method for predicting underwater vehicle trajectory based on pressure distribution, belonging to the technical field of ship and underwater vehicle engineering and underwater vehicle trajectory estimation. Based on the underwater vehicle test, the pressure measuring points are arranged on the surface of the vehicle. The pressure data of the pressure measuring points on the surface of the vehicle are obtained through the test, and further research and calculation are carried out based on the data. Finally, the motion law and trajectory of the underwater vehicle are obtained. The invention can provide scientific basis for attitude control and motion mode control of underwater vehicle, and provide technical support for pressure measurement point layout scheme of underwater vehicle test.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法
本专利技术涉及一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，属于船舶与水下航行器工程、水下航行体运动轨迹估计

技术介绍
随着现代海洋工程及造船事业的发展，水下航行体的航行安全已越来越受到普遍的关注和重视，其中水下航行体运动轨迹的预测是关注重点之一。而航行体的运动轨迹又受到复杂水下环境的制约，致使其出水位置、运动区域等发生变化，使决策者难以进行控制。因此，建立一种预测水下航行体运动轨迹的方法是全新的技术问题，更具实际工程价值和科学意义。20世界80年代以来，随着计算机设备的发展和计算技术的进步，计算流体力学的发展进一步推动了水下航行体问题的研究。学者们从传统的实验研究，转向数值与实验相结合的研究模式，主要研究航行体的减阻特性、航行体的力学性能等方面。而对于水下航行体运动轨迹预测的研究，有学者提出根据海浪和海流的因素进行轨迹估计。但这种根据外界的变化规律来推测航行体运动轨迹的方法不够严谨，一方面，该方法着重地研究水体变化规律，而忽略航行体自身受到的影响；另一方面，该方法只考虑海浪和海流这两方面的影响因素，而忽略复杂海洋环境产生的其他制约条件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，该方法能够实现对水下航行体运动轨迹预测，进而解决水下航行体运动轨迹预测问题。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，具体步骤如下：步骤一、在航行体表面布置压力测点；所述压力测点如表1所示；步骤二、获取步骤一航行体迎水面和背水面压力测点在相对坐标系x’方向的压力数据Pai和Pbi；步骤三、根据步骤二的航行体迎水面和背水面的压力数据，利用公式(1)计算航行体迎水面和背水面压力测点数据的压差ΔPx’i；利用公式(2)对测点进行压差面积分，然后计算得出所述测点在相对坐标系x，方向的合力Fx’i，最终利用公式(3)将各测点在相对坐标系x’方向的合力进行求和，得出航行体相对坐标系x’方向的合力Fti；ΔPx,i＝Pai-Pbi(1)Fx,i＝0.6ΔPx,iΔSx,(2)其中，常数0.6为压力积分修正系数，ΔSx’为航行体横截面积。步骤四、基于绝对坐标系，根据步骤三的航行体表面合力Fti，结合公式(4)航行体转动惯量J和公式(5)航行体转矩M，利用公式(6)计算出航行体的角加速度αi；其中，m为航行体质量，l航行体长度，di为压力测点距离质心的距离。步骤五、通过步骤四得到的角加速度αi，利用公式(7)获得航行体相对偏转角度Δθi，结合相对偏转角度并利用公式(8)即可计算绝对偏转角度θi，所述绝对偏转角度是本时刻的相对偏转角度与上一时刻的绝对偏转角度之和；Δθi＝αiΔt2(7)θi＝Δθi+θi-1(8)其中，Δt为航行体计算时间步，θi-1为航行体上一时刻的绝对偏转角度。步骤六、通过航行体绝对坐标系沿y方向和x方向的初始速度，结合步骤五得到的航行体绝对偏转角度，利用公式(9)和公式(10)预测下一时刻的航行体速度；其中，vx(ti)和vy(ti)分别为航行体上一时刻速度。步骤七：利用公式(11)和公式(12)将步骤六预测的航行体速度在时间上积分，即得到此时间步内航行体的相对位移,并与上一时刻航行体的绝对位移相加，即可得到航行体预测时刻的绝对位移重复步骤五到步骤七，对航行体的偏转角度和速度进行时间迭代，即可得到下一时刻的位移；步骤八：根据步骤七航行体得出的位移，拟合出航行体运动轨迹，即实现航行体运动轨迹预测。表1航行体压力测点组合的分布方案有益效果1、本专利技术的一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，充分考虑了航行体自身受到的力学性能，提高了预测的准确率；2、本专利技术的一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，可为后续水下航行体试验中压力测点的布置提供布置方案，节约试验成本和时间；附图说明图1是本专利技术一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的计算方法的流程图；图2是航行体坐标系、迎水面和背水面压力测点分布及相关尺寸示意图；图3是方案2航行体迎水面压力变化曲线图；图4是方案2航行体背水面压力变化曲线图；图5是方案2航行体迎水面与背水面的压差变化曲线图；图6是方案2航行体表面测点合力变化曲线图；图7是方案2航行体角加速度变化曲线图；图8是方案2航行体绝对偏转角度变化曲线图；图9是方案2航行体运动速度变化曲线图；图10是方案2航行体运动轨迹预测与实验对比图；图11是方案10航行体运动轨迹预测与实验对比图；图12是13种方案的航行体运动轨迹预测与实验对比图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。实施例1航行体位于水深20m的5级浪水体环境中，x和y方向的初始速度分别为2m/s和20m/s，采用的压力测点布置方案为方案2。一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的计算方法的具体流程，如图1所示，主要由以下步骤实现：步骤一：布置航行体表面压力测点；基于水下航行体试验，在航行体表面布置压力测点，航行体单面压力测点数为52个，编号从头部至尾部逐渐增加，迎水面和背水面压力测点编号相同，测点总数为103个，如图2所示；航行体压力测点组合的分布方案如表1所示；步骤二：获取航行体表面压力测点数据；建立航行体的相对坐标系和绝对坐标系，如图2所示；获取步骤一航行体表面压力测点相对坐标系x’方向迎流面和背流面的压力数据，分别为Pai和Pbi，如图3和图4所示；步骤三：计算航行体表面测点合力；根据步骤二的航行体迎水面和背水面的压力数据，利用公式(1)获得航行体迎水面和背水面压力测点数据的压差ΔPx’i，如图5所示；利用公式(2)对测点进行压差面积分，然后计算得出所述测点在相对坐标系x’方向的合力Fx’i；最终利用公式(3)将各测点在相对坐标系x’方向的合力进行求和，得出航行体相对坐标系x’方向的合力Fti，如图6所示；ΔPx,i＝Pai-Pbi(1)Fx,i＝0.6ΔPx,iΔSx,(2)其中，常数0.6为压力积分修正系数，ΔSx’为航行体横截面积。步骤四：计算航行体角加速度；基于绝对坐标系，根据步骤三的航行体表面合力Fti，结合公式(4)航行体转动惯量J和公式(5)航行体转矩M，利用公式(6)计算出航行体的角加速度αi,如图7所示；其中，m为航行体质量，l航行体长度，di为压力测点距离质心的距离。步骤五：计算航行体绝对偏转角度；通过步骤四得到的角加速度αi，利用公式(7)获得航行体相对偏转角度Δθi，结合相对偏转角度并利用公式(8)即可计算绝对偏转角度θi，如图8所示，所述绝对偏转角度是本时刻的相对偏转角度与上一时刻的绝对偏转角度之和；Δθi＝αiΔt2(7)θi＝Δθi+θi-1(8)步骤六：计算航行体运动速度；已知航行体绝对坐标系沿y方向和x方向的初始速度分别为20m/s和2m/s，结合步骤五得到的航行体绝对偏转角度，利用公式(9)和公式(10)预测下一时刻的航行体速度，如图9所示；其中，vx(ti)和vy(ti)分别为航行体上一时刻速度。步骤七：计算航行体位移；利用公式(11)和公式(12)将步骤六得到的航行体速度在时间上积分，即得到此时间步内航行体的相对位移,并与上一时刻航行体的绝对位移相加，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、在航行体表面布置压力测点；步骤二、获取步骤一航行体迎水面和背水面压力测点在相对坐标系x’方向的压力数据Pai和Pbi；步骤三、根据步骤二的航行体迎水面和背水面的压力数据，利用公式(1)计算航行体迎水面和背水面压力测点数据的压差ΔPx’i；利用公式(2)对测点进行压差面积分，然后计算得出所述测点在相对坐标系x’方向的合力Fx’i，最终利用公式(3)将各测点在相对坐标系x’方向的合力进行求和，得出航行体相对坐标系x’方向的合力Fti；ΔPx,i＝Pai‑Pbi        (1)Fx,i＝0.6ΔPx,iΔSx,        (2)

【技术特征摘要】
1.一种基于压力分布预测水下航行体运动轨迹的方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、在航行体表面布置压力测点；步骤二、获取步骤一航行体迎水面和背水面压力测点在相对坐标系x’方向的压力数据Pai和Pbi；步骤三、根据步骤二的航行体迎水面和背水面的压力数据，利用公式(1)计算航行体迎水面和背水面压力测点数据的压差ΔPx’i；利用公式(2)对测点进行压差面积分，然后计算得出所述测点在相对坐标系x’方向的合力Fx’i，最终利用公式(3)将各测点在相对坐标系x’方向的合力进行求和，得出航行体相对坐标系x’方向的合力Fti；ΔPx,i＝Pai-Pbi(1)Fx,i＝0.6ΔPx,iΔSx,(2)其中，常数0.6为压力积分修正系数，ΔSx’为航行体横截面积；步骤四、基于绝对坐标系，根据步骤三的航行体表面合力Fti，结合公式(4)航行体转动惯量J和公式(5)航行体转矩M，利用公式(6)计算出航行体的角加速度αi；其中，m为航行体质量，l航行体长度，di为压力测点距离质心的距离；步骤五、通过步骤四得到的角加速度αi，利用公式(7)获得航行体相对偏转角...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国玉，陈倩，吴钦，王典，黄彪，张汉哲，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11