CN110160412B - 基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法 - Google Patents

基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，属于水下航行器姿态控制技术领域，解决了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。该方法包括如下步骤：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；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；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；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。该方法姿态调整准确性高、可控性好。

Description

基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法
技术领域
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方法。
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。
发明内容
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方法，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方法，包括如下步骤：
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；
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；
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；
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。
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，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。
上述进一步改进方案的有益效果是：在每个控制区设置独立的气体产生装置，可实现对各个控制区域摩擦阻力的精准控制，继而精确控制水下航行器姿态。
进一步，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。
上述进一步改进方案的有益效果是：控制区水动力特性不受水下航天器头部扰流影响，因此，控制力稳定、可控。
进一步，所述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，包括如下步骤：
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；
根据所述控制区长度，确定各控制区的控制区域面积；
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。
上述进一步改进方案的有益效果是：对控制区的尺寸进行精准设计，进而可使得控制区施加的控制力(摩擦阻力)可设计。
进一步，每个控制区长度L通过如下公式确定
Figure BDA0002103069160000031
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；
每个控制区的控制区域面积S通过如下公式计算
S＝Ldα。
上述进一步改进方案的有益效果是：根据包络力矩实现对控制区参数的设计，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，所述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，包括如下步骤：
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
Figure BDA0002103069160000041
根据所述俯仰角度θ和偏航角度
Figure BDA0002103069160000042
结合θ、
Figure BDA0002103069160000043
的力矩系数mθ、
Figure BDA0002103069160000044
确定各控制区需施加的摩擦阻力关系；
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：通过上述步骤，可实现对控制区输出控制力(摩擦阻力)的精准控制。
进一步，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
Figure BDA0002103069160000045
Figure BDA0002103069160000046
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,2,3，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
上述进一步改进方案的有益效果是：只需要设置3个控制区，即可精准控制方向。
进一步，当控制区的数量为4时，各控制区需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4通过如下公式计算
Figure BDA0002103069160000047
Figure BDA0002103069160000048
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,4，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过4个控制区也可精准控制方向。
进一步，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
Figure BDA0002103069160000051
Figure BDA0002103069160000052
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,6，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过6个控制区也可精准控制方向。
进一步，所述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，进一步包括如下步骤：
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
Figure BDA0002103069160000053
式中，fi0为不通气状态下第i个控制区受到的阻力值，
Figure BDA0002103069160000054
为气体常数，T为环境温度，μg为气体粘性系数，S为第i个控制区面积，μl为水粘性系数，V为航行器速度，Mr为气体相对分子质量，β为气体流通系数，γ为相对系数；
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。
上述进一步改进方案的有益效果是：根据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，实现对控制区摩擦阻力的精确控制。
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方法步骤示意图；
图2为本发明实施例2控制区布设示意图；
图3为本发明实施例3气体产生及控制装置布设示意图。
附图标记：
1-控制区1；2-控制区2；3-控制区3；4-控制区4；
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方法，如图1所示，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。
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，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，每个控制区的长度L通过如下公式确定
Figure BDA0002103069160000081
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
Figure BDA0002103069160000091
S24.根据所述俯仰角度θ和偏航角度
Figure BDA0002103069160000092
结合θ、
Figure BDA0002103069160000093
的力矩系数mθ、
Figure BDA0002103069160000094
确定各控制区需施加的摩擦阻力关系。可选地，mθ、
Figure BDA0002103069160000095
可通过如下公式获得
Figure BDA0002103069160000096
Figure BDA0002103069160000097
式中，Mθ为θ方向的控制力矩，
Figure BDA0002103069160000098
为
Figure BDA0002103069160000099
方向的控制力矩，二者均通过试验获得。
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。
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
Figure BDA00021030691600000910
Figure BDA00021030691600000911
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,2,3，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
示例性地，当控制区的数量为4时，如图2所示，各控制区1、2、3、4需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4通过如下公式计算
Figure BDA0002103069160000101
Figure BDA0002103069160000102
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,4，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
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
Figure BDA0002103069160000103
Figure BDA0002103069160000104
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,6，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
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
Figure BDA0002103069160000105
式中，fi0为不通气状态下第i个控制区受到的阻力值，
Figure BDA0002103069160000106
为气体常数，T为环境温度，μg为气体粘性系数，S为第i个控制区面积，μl为水粘性系数，V为航行器速度，Mr为气体相对分子质量，β为气体流通系数，γ为相对系数；
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。
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，本实施例提供的方法细化了控制过程，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
本发明还公开了一种采用实施例1所述方法的水下航行器姿态控制装置，其包括综合控制器、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。
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。
实施例4
在实施例3的基础上进行进一步优化，提供了一种采用实施例2所述方法的水下航行器姿态控制装置，包括综合控制器和多个控制区。
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。综合控制器获得各控制区需施加的摩擦阻力的过程可参见实施例2的步骤S21-S25的具体内容，此处不再赘述。
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3所示。
所述气体控制系统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模，并产生摩擦阻力推动所述水下航行器调整到需求姿态。
优选地，所述独立气室B、气体控制系统C和气源D之间通过管道连接。
优选地，所述表面出气结构A采用多出气孔结构均匀排布的不锈钢材料制成；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，所述独立气室B为密闭的环形空间结构；并且，不同控制区的独立气室B之间为隔离状态。
优选地，所有控制区均共用一个气源D；所述气源D设置于水下航行器的中心位置。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。
优选地，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
Figure BDA0002103069160000131
Figure BDA0002103069160000132
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，
Figure BDA0002103069160000133
为俯仰角，mθ、
Figure BDA0002103069160000134
为θ、
Figure BDA0002103069160000135
的力矩系数，d为水下航行器的半径，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
当控制区的数量为4时，各控制区需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4存在如下关系
Figure BDA0002103069160000136
Figure BDA0002103069160000137
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
Figure BDA0002103069160000141
Figure BDA0002103069160000142
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，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存在关系
Figure BDA0002103069160000143
式中，fi0为不通气状态下第i个控制区受到的阻力值，
Figure BDA0002103069160000144
为气体常数，T为环境温度，μg为气体粘性系数，S为第i个控制区面积，μl为水粘性系数，V为航行器速度，Mr为气体相对分子质量，β为气体流通系数，γ为相对系数。所述气体控制系统C通过上述
Figure BDA0002103069160000145
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，每个控制区的表面出气结构A长度L为
Figure BDA0002103069160000146
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
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。

Claims (9)

1.一种基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
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；
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；
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；
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；
上述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的步骤，进一步包括：
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轴正向，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
Figure FDA0003008304800000011
根据所述俯仰角度θ和偏航角度
Figure FDA0003008304800000012
结合θ、
Figure FDA0003008304800000013
的力矩系数mθ、
Figure FDA0003008304800000014
确定各控制区需施加的摩擦阻力关系；
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。
2.根据权利要求1所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1或2所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1或2所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述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，包括如下步骤：
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；
根据所述控制区长度，确定各控制区的控制区域面积；
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。
5.根据权利要求4所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，每个控制区的长度L通过如下公式确定
Figure FDA0003008304800000021
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；
每个控制区的控制区域面积S通过如下公式计算
S＝Ldα。
6.根据权利要求5所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，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
Figure FDA0003008304800000031
Figure FDA0003008304800000032
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,2,3，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
7.根据权利要求5所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，当控制区的数量为4时，各控制区需施加的摩擦阻力f1、f2、f3、f4通过如下公式计算
Figure FDA0003008304800000033
Figure FDA0003008304800000034
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,4，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
8.根据权利要求5所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，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
Figure FDA0003008304800000035
Figure FDA0003008304800000036
式中，fi为第i个控制区需施加的摩擦阻力，i＝1,…,6，第2个控制区定义为水下航行器外表面沿OY轴排布的控制区，控制区序号在OYZ平面内逆时针递增。
9.根据权利要求6-8之一所述的基于气膜减阻技术的水下航行器姿态控制方法，其特征在于，所述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，进一步包括如下步骤：
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
Figure FDA0003008304800000041
式中，fi0为不通气状态下第i个控制区受到的阻力值，
Figure FDA0003008304800000042
为气体常数，T为环境温度，μg为气体粘性系数，S为第i个控制区面积，μl为水粘性系数，V为航行器速度，Mr为气体相对分子质量，β为气体流通系数，γ为相对系数；
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。
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