本發(fā)明涉及波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)研究，特別是涉及一種基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法及優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

1、波浪滑翔機(jī)是一種依靠波浪能推進(jìn)的水面無人自主航行器，由浮體、臍帶纜和水下牽引機(jī)組成。波浪滑翔機(jī)在復(fù)雜的海洋環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)受到波浪和洋流的影響。通過仿真建?？梢灶A(yù)測(cè)這些因素對(duì)波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的影響，從而優(yōu)化其設(shè)計(jì)和操作策略，以及確保波浪滑翔機(jī)在各種海況下的穩(wěn)定性和航行效率。

2、盡管目前已有部分針對(duì)波浪滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，但現(xiàn)有的預(yù)報(bào)方法仍然存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在無法精確模擬水下牽引機(jī)與臍帶纜在流體相互作用下的強(qiáng)非線性特性。目前開發(fā)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模型依賴于簡(jiǎn)化的假設(shè)或缺乏全面的試驗(yàn)驗(yàn)證，從而限制了其在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的準(zhǔn)確性和適用性。針對(duì)于現(xiàn)有的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)技術(shù)的局限性，本發(fā)明提出了一種基于試驗(yàn)的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明一方面提供一種基于試驗(yàn)的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，提高仿真模型的精度。本發(fā)明另一方面提供一種優(yōu)化波浪滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)的方法。

2、本發(fā)明的第一方面提供一種基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，包括如下步驟：

3、對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的浮體和水下牽引機(jī)的速度及位置坐標(biāo)進(jìn)行賦值，并通過臍帶纜動(dòng)力學(xué)公式獲取靜止?fàn)顟B(tài)下的臍帶纜張力和臍帶纜阻力；

4、將靜止?fàn)顟B(tài)下的臍帶纜張力帶入浮體動(dòng)力學(xué)方程中以獲取第1時(shí)刻下的浮體的速度；

5、利用翼板的力矩平衡方程獲得靜止?fàn)顟B(tài)下的翼板的實(shí)際擺動(dòng)角度；

6、通過水下牽引機(jī)升阻力特性試驗(yàn)獲取升阻力與水下牽引機(jī)的翼板擺角之間的非線性關(guān)系，制成水下牽引機(jī)的翼板擺角-升阻力的關(guān)系表，通過水下牽引機(jī)的翼板擺角-升阻力的關(guān)系表，獲取靜止?fàn)顟B(tài)下的所述翼板的實(shí)際擺動(dòng)角度下對(duì)應(yīng)的水下牽引機(jī)的升阻力；

7、將靜止?fàn)顟B(tài)下的臍帶纜張力和臍帶纜阻力、靜止?fàn)顟B(tài)下的水下牽引機(jī)的升阻力帶入水下牽引機(jī)動(dòng)力學(xué)方程中以獲取第1時(shí)刻下的水下牽引機(jī)的速度：

8、對(duì)獲得的第1時(shí)刻下的浮體的速度進(jìn)行積分以獲取第1時(shí)刻下的浮體的位移參數(shù)，對(duì)獲得的第1時(shí)刻下的水下牽引機(jī)的速度進(jìn)行積分以獲取第1時(shí)刻下的水下牽引機(jī)的位移參數(shù)，并結(jié)合靜止?fàn)顟B(tài)下的浮體和水下牽引機(jī)的位置坐標(biāo)獲取第1時(shí)刻下的浮體的坐標(biāo)參數(shù)和水下牽引機(jī)的坐標(biāo)參數(shù)，將第1時(shí)刻下的浮體的坐標(biāo)參數(shù)和水下牽引機(jī)的坐標(biāo)參數(shù)、第1時(shí)刻下的浮體速度帶入臍帶纜動(dòng)力學(xué)公式，求解第1時(shí)刻下的臍帶纜張力和阻力；

9、重復(fù)上一步驟，直至獲取所有時(shí)刻下的浮體的速度、水下牽引機(jī)的速度、浮體的坐標(biāo)參數(shù)、水下牽引機(jī)的坐標(biāo)參數(shù)以及臍帶纜張力和阻力；

10、利用所有時(shí)刻下的浮體的速度、水下牽引機(jī)的速度、浮體的坐標(biāo)參數(shù)、水下牽引機(jī)的坐標(biāo)參數(shù)、臍帶纜張力和阻力、翼板的實(shí)際擺動(dòng)角度、翼板的實(shí)際擺動(dòng)角度下對(duì)應(yīng)的水下牽引機(jī)的升阻力以對(duì)波浪滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

11、所述的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，優(yōu)選地，所述臍帶纜動(dòng)力學(xué)公式為：

12、（1）

13、（2）

14、其中，是臍帶纜張力；是臍帶纜阻力；是臍帶纜剛度；是浮體與水下牽引機(jī)之間的距離；是臍帶纜的長(zhǎng)度；是水下牽引機(jī)的重力；是水下牽引機(jī)的浮力；是第1時(shí)刻下的浮體的速度。

15、所述的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，優(yōu)選地，所述浮體動(dòng)力學(xué)方程為：

16、（3）

17、（4）

18、其中，是浮體的慣性矩陣；是浮體的附加質(zhì)量力；是浮體的向心力和科氏力矩陣；是浮體的附加質(zhì)量力的向心力和科氏力矩陣；是浮體的阻尼矩陣；是浮體的重力和浮力導(dǎo)致的力和力矩；是臍帶纜作用在浮體上的力；是浮體的波浪力。

19、所述的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，優(yōu)選地，所述水下牽引機(jī)動(dòng)力學(xué)方程為：

20、（5）

21、（6）

22、其中，是水下牽引機(jī)的慣性矩陣；是水下牽引機(jī)的附加質(zhì)量力；是水下牽引機(jī)的向心力和科氏力矩陣；是水下牽引機(jī)的附加質(zhì)量力的向心力和科氏力矩陣；是水下牽引機(jī)的阻尼矩陣；是水下牽引機(jī)的重力和浮力導(dǎo)致的力和力矩；是臍帶纜作用在水下牽引機(jī)上的力；是水下牽引機(jī)的速度；是水下牽引機(jī)的升阻力。

23、所述的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，優(yōu)選地，所述翼板的力矩平衡方程為：

24、（7）

25、（8）

26、（9）

27、（10）

28、（11）

29、（12）

30、（13）

31、（14）

32、其中，是翼板所受合力矩；是翼板的重力力矩和浮力力矩；是翼板的升力力矩；是翼板的阻力力矩；是翼板的彈簧力力矩；是翼板的限位力力矩；是翼板的阻尼力力矩；是翼板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；是重力力臂；是水動(dòng)力力臂；是彈簧力力臂；是限位力力臂；是翼板質(zhì)量；是重力加速度；是翼板浮力；是翼板升力；是翼板阻力；是翼板的彈簧力；是翼板掛點(diǎn)的傾斜角度；是翼板擺動(dòng)過程中的彈簧變形量；是翼板的彈簧剛度；是翼板的限位力；是翼板擺動(dòng)過程中的阻尼力。

33、本發(fā)明第二方面提供一種優(yōu)化波浪滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，基于所述的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，該優(yōu)化方法包括如下步驟：

34、首先選取目標(biāo)海況，在浮體動(dòng)力學(xué)方程中設(shè)置對(duì)應(yīng)的波浪參數(shù)；

35、依據(jù)波浪滑翔機(jī)現(xiàn)有設(shè)計(jì)參數(shù)，在浮體動(dòng)力學(xué)方程、水下牽引機(jī)動(dòng)力學(xué)方程、臍帶纜動(dòng)力學(xué)公式和翼板的力矩平衡方程中設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)項(xiàng)；

36、對(duì)于水下牽引機(jī)的翼板處的彈簧，選取不同的彈簧參數(shù)；

37、使用simulink通過浮體動(dòng)力學(xué)方程、水下牽引機(jī)動(dòng)力學(xué)方程、臍帶纜動(dòng)力學(xué)公式和翼板的力矩平衡方程開展仿真模擬，獲取對(duì)應(yīng)海況和對(duì)應(yīng)彈簧參數(shù)下波浪滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

38、依次更改目標(biāo)海況和彈簧參數(shù)，開展仿真模擬，獲取不同工況下的波浪滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

39、對(duì)比仿真結(jié)果，進(jìn)行優(yōu)化，獲取使得波浪滑翔機(jī)推進(jìn)性能最佳的彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)。

40、所述的優(yōu)化波浪滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，優(yōu)選地，所述波浪參數(shù)為波高和周期。

41、所述的優(yōu)化波浪滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，優(yōu)選地，所述參數(shù)項(xiàng)包括浮體的幾何參數(shù)、臍帶纜的幾何參數(shù)、水下牽引機(jī)的幾何參數(shù)、浮體的初始速度和初始坐標(biāo)、水下牽引機(jī)的初始速度和初始坐標(biāo)、臍帶纜的剛度以及彈簧的參數(shù)。

42、所述的優(yōu)化波浪滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)的方法，優(yōu)選地，所述彈簧的參數(shù)包括掛點(diǎn)位置、彈簧預(yù)張力和彈簧剛度。

43、有益效果是：

44、通過試驗(yàn)方法直接獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠直接反映真實(shí)的水下牽引機(jī)的水動(dòng)力特性，能夠避免簡(jiǎn)化假設(shè)帶來的誤差，確保模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。

45、由于臍帶纜的阻力性能直接影響到波浪滑翔機(jī)的航行效率，在建模過程中使用精準(zhǔn)的臍帶纜阻力參數(shù)能大幅度提高波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模型的精準(zhǔn)度。

46、通過matlab-simulink軟件建立了波浪滑翔機(jī)整體仿真模型。本發(fā)明提出了基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)建模方法保證了波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的精準(zhǔn)度。

47、可以通過開展驗(yàn)證試驗(yàn)，能直接驗(yàn)證建模方法的可靠性，增強(qiáng)本方法的可信度。使得本發(fā)明提出的建模方法不再像已有方法一樣停留在對(duì)波浪滑翔機(jī)航速的定性研究層面，而是將研究維度提升到定量層面。

48、在本發(fā)明提出的建模方法中加入了翼板彈性模塊，從而可以利用本模型直接研究翼板的彈性參數(shù)對(duì)波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的影響。

49、本發(fā)明建立了一個(gè)完整的基于試驗(yàn)的波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法，基于試驗(yàn)獲取的臍帶纜和水下牽引機(jī)的水動(dòng)力參數(shù)來建立的仿真模型能夠提高仿真模型的精度，同時(shí)開展波浪滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)可以對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，從而證明仿真模型的可靠性。