CN114323552A - 一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其包括如下步骤：构建跨介质航行体的运动模型并进行解算获取其第一稳定性参数；对跨介质航行体进行出入水测试并记录图像；对图像进行处理获取其第二稳定性参数；将第一稳定性参数和第二稳定性参数进行对比计算出偏差量，并由偏差量计算稳定性因子；依据预设阀值对稳定性因子进行分析判断。通过比对计算测试数据与解算数据的偏差量计算稳定性因子，并根据预设的阀值进行比对分析从而对跨介质航行体出入水的稳定性进行检测，且过程中解算数据的偏差量通过图像处理步骤得出，其结果精准可靠同时处理时间较短有利于在实验过程中进行反复计算。

Description

一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法

技术领域

本发明应用于跨介质航行体领域，具体是一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法。

背景技术

跨介质航行体引起多样化的军事应用前景而备受关注，提升跨介质航行打击能力及精准度的关键问题在于增加航行体运动速度及跨介质稳定性。一方面，水下航行器所受流动阻力约是空中飞行器所受气动阻力的1000余倍，导致传统水下兵器普遍存在速度慢、航程短、精度低的缺陷，为了提高水下航行器的航速，改善水下兵器的作战性能，目前一般采用增大推进动力和降低航行阻力这两种技术途径。常规情况下，推力增加8倍才能使水下航行器的航速提高1倍，而航行器的尺寸又限制了推力装置的规模，因此采用常规方法来显著提高航行器航速十分困难。另一方面水空两栖跨介质作战装备受气/水两相界面空气动力及水动力复合作用，由于气/水两相耦合作用、介质变化造成的载荷突变以及入水冲击力等因素直接影响跨介质航行体的运动稳定性。而如何有效检测跨介质航行体出入水的稳定性成为技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其包括如下步骤：

构建跨介质航行体的运动模型并进行解算获取其第一稳定性参数；

对跨介质航行体进行出入水测试并记录图像；

对图像进行处理获取其第二稳定性参数；

将第一稳定性参数和第二稳定性参数进行对比计算出偏差量，并由偏差量计算稳定性因子；

依据预设阀值对稳定性因子进行分析判断。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述对图像进行处理获取其第二稳定性参数步骤具体包括：

获取原始图像；

截取自航行体离开发射管至航行体离开水面的视频帧；

获取视频帧中每个像素的灰度级颜色信息I_ij，I_ij＝0.3*Red+0.59* Green+0.11*Blue；

划分像素区域，将图像分为若干个3*3的像素区域A；

计算A₃区域的像素灰度平均值

将每个像素点的灰度级颜色信息I_ij减去A区域的像素灰度级平均值I₃得到灰度值阈值T＝I_ij-I₃；

将灰度值I_ij低于灰度值阈值T的像素点设置为黑色，否则设置为白色；

采用质心识别函数针对二值化的图像进行识别航行体区域的质心坐标 x_t，y_t，z_t；

将质心坐标x_t，y_t，z_t传输回原始图像，并进行标记，输出质心坐标，通过图像质心位置数据形成航行体跨介质出水测试轨迹并得出测试速度Vt 和偏转角θ_t。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述构建跨介质航行体的运动模型并进行解算获取其第一稳定性参数步骤具体包括：

建立大地坐标系及航行坐标系，计算出流体理想力；

利用流体理想力构建航行体运动模型；

解算航行体运动模型，获得速度V_n、偏转角θ_n、质心坐标x_n，y_n，z_n。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述流体理想力计算具体为：

计算理想力F_i：

其中I_f和H_f分别为航行体所受到流体的冲量和冲量矩，通过计算速度、角速度与附加值质量的乘积得出；

计算流体理想力：

其中q为动压力，S为航行体浸没面积，α为攻角，β为侧滑角，C_x,C_y, C_z,m_x,m_y,m_z为α,β,w_x,w_y和w_z的非线性函数。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述利用流体理想力构建航行体运动模型具体为：

其中a₁₂,a₂₂,a₃₂为大地坐标系与弹体坐标系转换矩阵，λ_ij为航行体附加质量，通过使用切片理论对航行体进行计算得出，J为航行体转动惯量， m为航行体质量。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述将第一稳定性参数和第二稳定性参数进行对比计算出偏差量，并由偏差量计算稳定性因子步骤具体包括：

第一稳定性参数和第二稳定性参数的计算数据进行对比计算，分别计算出第一稳定性参数和第二稳定性参数的偏差量：ΔV、Δθ、Δx、Δy、Δz；

计算跨介质航行体出入水稳定性因子δ，对其稳定性进行评估：

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述依据预设阀值对稳定性因子进行分析判断步骤具体包括：

预设95％作为稳定性因子δ阀值；

当δ不小于95％时，判定稳定性良好；

当δ小于95％时，判定稳定性较差，需对跨介质航行体进行进一步改进。

一种跨介质航行体出入水测试系统，其包括：

试验水槽，所述试验水槽内盛有水；

发射装置，设置于试验水槽内，其上设有航行体，所述发射装置用于调节航行体的发射角度；

伺服电机控制系统，设置于试验水槽外，输出端连接有电导线，利用电导线拉动所述航行体移动；

超高速摄像机拍摄系统，设置于试验水槽一侧，用于拍摄航行体出如水过程。

本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：

本发明通过比对计算测试数据与解算数据的偏差量计算稳定性因子，并根据预设的阀值进行比对分析从而对跨介质航行体出入水的稳定性进行检测，且过程中解算数据的偏差量通过图像处理步骤得出，其结果精准可靠同时处理时间较短有利于在实验过程中进行反复计算。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为本发明流程原理简图；

图2为本发明原始图像；

图3为本发明二值化灰度处理图；

图4为本发明灰度图像质心识别图；

图5为本发明原始图像质心标记图；

图6为本发明实施方式跨介质航行体受力分析图；

图7为本发明跨介质航行体出入水测试系统结构示意图；

图8为本发明实施方式带气膜表面跨介质航行体图；

图9为本发明跨介质航行体出入水测试系统发射装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明提供了一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其包括如下步骤：

构建跨介质航行体的运动模型并进行解算获取其第一稳定性参数；

对跨介质航行体进行出入水测试并记录图像；

对图像进行处理获取其第二稳定性参数；

将第一稳定性参数和第二稳定性参数进行对比计算出偏差量，并由偏差量计算稳定性因子；

依据预设阀值对稳定性因子进行分析判断。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述对图像进行处理获取其第二稳定性参数步骤具体包括：

获取原始图像，如图2所示；

截取自航行体离开发射管至航行体离开水面的视频帧；

获取视频帧中每个像素的灰度级颜色信息I_ij，I_ij＝0.3*Red+0.59* Green+0.11*Blue；

划分像素区域，将图像分为若干个3*3的像素区域A；对图像进行遍历划分区域，划分为若干个3*3的区域，具体操作步骤如下：自图像左上方开始划分3*3的区域，为A1，而后3*3的区域向右平移一个像素为A2…以此类推；

计算A₃区域的像素灰度平均值

将每个像素点的灰度级颜色信息I_ij减去A区域的像素灰度级平均值I₃得到灰度值阈值T＝I_ij-I₃；

将灰度值I_ij低于灰度值阈值T的像素点设置为黑色，否则设置为白色；如图3所示。

采用质心识别函数针对二值化的图像进行识别航行体区域的质心坐标x_t，y_t，z_t；如图4所示。

将质心坐标x_t，y_t，z_t传输回原始图像，如图5所示，并进行标记，输出质心坐标，通过图像质心位置数据形成航行体跨介质出水测试轨迹并得出测试速度Vt和偏转角θ_t。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述构建跨介质航行体的运动模型并进行解算获取其第一稳定性参数步骤具体包括：

建立大地坐标系及航行坐标系，计算出流体理想力；

利用流体理想力构建航行体运动模型；

解算航行体运动模型，获得速度V_n、偏转角θ_n、质心坐标x_n，y_n，z_n。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述流体理想力计算具体为：

对待评价跨介质航行体初始运动条件进行分析；

包括初始运动速度、偏转角度、重量、深度(高度)等

对待待评价跨介质航行体进行受力分析；

如图6所示，图中Oxyz为大地坐标系，Oxmymzm为航行体坐标系， FG为重力，FB为浮力，Fμ为流体粘性力，Fi为流体理想力，v为航行体速度，w为航行体角速度，xa为航行体出水距离，xB为质心与浮心间的距离，

计算理想力F_i：

其中I_f和H_f分别为航行体所受到流体的冲量和冲量矩，通过计算速度、角速度与附加值质量的乘积得出；

计算流体理想力：

其中q为动压力，S为航行体浸没面积，α为攻角，β为侧滑角，C_x,C_y, C_z,m_x,m_y,m_z为α,β,w_x,w_y和w_z的非线性函数。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述利用流体理想力构建航行体运动模型具体为：

其中a₁₂,a₂₂,a₃₂为大地坐标系与弹体坐标系转换矩阵，λ_ij为航行体附加质量，通过使用切片理论对航行体进行计算得出，J为航行体转动惯量， m为航行体质量。

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述将第一稳定性参数和第二稳定性参数进行对比计算出偏差量，并由偏差量计算稳定性因子步骤具体包括：

第一稳定性参数和第二稳定性参数的计算数据进行对比计算，分别计算出第一稳定性参数和第二稳定性参数的偏差量：ΔV、Δθ、Δx、Δy、Δz；

计算跨介质航行体出入水稳定性因子δ，对其稳定性进行评估：

作为一种可能的实施方式，进一步的，所述依据预设阀值对稳定性因子进行分析判断步骤具体包括：

预设95％作为稳定性因子δ阀值；

当δ不小于95％时，判定稳定性良好；

当δ小于95％时，判定稳定性较差，需对跨介质航行体进行进一步改进。

一种跨介质航行体出入水测试系统，其包括：

试验水槽，所述试验水槽内盛有水；

发射装置，设置于试验水槽内，其上设有航行体，所述发射装置用于调节航行体的发射角度；

伺服电机控制系统，设置于试验水槽外，输出端连接有电导线，利用电导线拉动所述航行体移动；

超高速摄像机拍摄系统，设置于试验水槽一侧，用于拍摄航行体出如水过程。

进一步的，如图7-9所示，跨介质航行体出入水测试系统包括，1超高速摄像机拍摄系统、2发射装置、3带气膜弹体、4电导线、5红外激光测速器、6定滑轮、7铝合金支架、8伺服电机控制系统、9试验水槽。其中带气膜弹体包括10微圆孔、11弹头、12弹体、13表面微柱孔、14表面绝缘材料；发射装置包括：15发射架、16转动座、17发射管、18金属配重底板、19调角圆孔。首先，带气膜弹体采用弹头、弹体可分离的设计方式，它们之间通过螺纹连接，在弹头中部设置有0.1mm左右的微型圆孔，在弹体表面采用微型钻头在表面加工制备微柱孔，具体制备工艺如下：a.经高精度数控机床加工成形金属弹体模型；b.在弹体模型金属表面进行抛光、清洗，喷涂一层绝缘材料并烘干，确保绝缘材料与金属表面之间的粘合度，亦可根据试验需求进一步进行疏水涂层处理；c.使用250μm直径微型钻头雕刻机对弹体表面进行阵列打孔，制孔深度125μm、制孔间距200μm；(该参数为固定参数，试验所得最佳参数)d.电极壁面微柱孔阵列弹体表面剖面, 下方为金属材料，上方铺设一层绝缘涂层，柱孔内壁为导电的金属材料，通过弹体表面通过绝缘材料与水隔离；定滑轮与红外激光测速器通过螺栓连接固定与铝合金支架上，红外激光测速器放置与两个定滑轮中间，电导线一端连接与弹体头部，另一端通过定滑轮、激光测速器、定滑轮、伺服电机绞盘上，最终连接至直流电源上为其供电。发射装置通过激光定位放置于试验水槽底面中部位置，发射装置发射架与转动座上均有调角圆孔，可对发射角度进行调节；超高速摄像机拍摄系统放置与试验水箱侧面，可从四个方位对跨介质航行体水下运动、出水、入水运动进行全方位拍摄，并通过数据处理系统对拍摄试验视频进行分析处理。

试验时，根据试验工况确定试验所需要的发射角度及发射速度，通过编写伺服电机控制程序可对发射速度及电机施加拉力距离进行高精度控制，同时，对发射装置上的调角圆孔对应调节到相对应角度，通过圆形插销固定，可实现发射角度的快速、准确调节。其次，在发射管底部放置圆形磁铁，为弹体发射提供前置预紧力；然后电导线一端连接弹体头部，另一端按照次序依次通过定滑轮、红外激光测速器、定滑轮、伺服电机绞盘最后连接于直流电压负极上，电源正极连接碳板置于水槽中；将弹体放置于发射管中，当直流电源通电时，首先在弹体表面微柱孔内形成稳定附着的气幕，通过伺服电机转动施加拉力为弹体提供初始动能，其次，通过设置伺服电机转过一定距离后停止转动，弹体即可做无推力自由运动。并可通过红外激光测速仪实时对其运动速度进行监测。通过高速摄像系统可对整个实验过程进行数据采集并处理，获取弹体运动偏转角度、运动轨迹、速度、加速度等运动数据。

以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其特征在于，其包括如下步骤：

构建跨介质航行体的运动模型并进行解算获取其第一稳定性参数；

对跨介质航行体进行出入水测试并记录图像；

对图像进行处理获取其第二稳定性参数；

将第一稳定性参数和第二稳定性参数进行对比计算出偏差量，并由偏差量计算稳定性因子；

依据预设阀值对稳定性因子进行分析判断。

2.根据权利要求1所述的一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其特征在于：所述对图像进行处理获取其第二稳定性参数步骤具体包括：

获取原始图像；

截取自航行体离开发射管至航行体离开水面的视频帧；

获取视频帧中每个像素的灰度级颜色信息I_ij，I_ij＝0.3*Red+0.59*Green+0.11*Blue；

划分像素区域，将图像分为若干个3*3的像素区域A；

计算A₃区域的像素灰度平均值

将每个像素点的灰度级颜色信息I_ij减去A区域的像素灰度级平均值I₃得到灰度值阈值T＝I_ij-I₃；

将灰度值I_ij低于灰度值阈值T的像素点设置为黑色，否则设置为白色；

采用质心识别函数针对二值化的图像进行识别航行体区域的质心坐标x_t，y_t，z_t；

将质心坐标x_t，y_t，z_t传输回原始图像，并进行标记，输出质心坐标，通过图像质心位置数据形成航行体跨介质出水测试轨迹并得出测试速度Vt和偏转角θ_t。

3.根据权利要求1所述的一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其特征在于：所述构建跨介质航行体的运动模型并进行解算获取其第一稳定性参数步骤具体包括：

建立大地坐标系及航行坐标系，计算出流体理想力；

利用流体理想力构建航行体运动模型；

解算航行体运动模型，获得速度V_n、偏转角θ_n、质心坐标x_n，y_n，z_n。

4.根据权利要求3所述的一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其特征在于：所述流体理想力计算具体为：

计算理想力F_i：

其中I_f和H_f分别为航行体所受到流体的冲量和冲量矩，通过计算速度、角速度与附加值质量的乘积得出；

计算流体理想力：

其中q为动压力，S为航行体浸没面积，α为攻角，β为侧滑角，C_x,C_y,C_z,m_x,m_y,m_z为α,β,w_x,w_y和w_z的非线性函数。

5.根据权利要求4所述的一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其特征在于：所述利用流体理想力构建航行体运动模型具体为：

其中a₁₂,a₂₂,a₃₂为大地坐标系与弹体坐标系转换矩阵，λ_ij为航行体附加质量，通过使用切片理论对航行体进行计算得出，J为航行体转动惯量，m为航行体质量。

6.根据权利要求1所述的一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其特征在于：所述将第一稳定性参数和第二稳定性参数进行对比计算出偏差量，并由偏差量计算稳定性因子步骤具体包括：

第一稳定性参数和第二稳定性参数的计算数据进行对比计算，分别计算出第一稳定性参数和第二稳定性参数的偏差量：ΔV、Δθ、Δx、Δy、Δz；

计算跨介质航行体出入水稳定性因子δ，对其稳定性进行评估：

7.根据权利要求1所述的一种跨介质航行体出入水稳定性判别方法，其特征在于：所述依据预设阀值对稳定性因子进行分析判断步骤具体包括：

预设95％作为稳定性因子δ阀值；

当δ不小于95％时，判定稳定性良好；

当δ小于95％时，判定稳定性较差，需对跨介质航行体进行进一步改进。

8.一种跨介质航行体出入水测试系统，其特征在于，其包括：

试验水槽，所述试验水槽内盛有水；

发射装置，设置于试验水槽内，其上设有航行体，所述发射装置用于调节航行体的发射角度；

伺服电机控制系统，设置于试验水槽外，输出端连接有电导线，利用电导线拉动所述航行体移动；

超高速摄像机拍摄系统，设置于试验水槽一侧，用于拍摄航行体出如水过程。

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