本技術(shù)涉及航行器，具體涉及一種水空兩棲航行器避障方法及水空兩棲航行器。

背景技術(shù)：

1、隨著多模態(tài)航行器研究的不斷發(fā)展，水-空跨介質(zhì)兩棲航行器正逐漸成為人類研發(fā)海洋裝備的新興方向。如圖1所示，水空兩棲跨介質(zhì)航行器兼具空中和海洋中的運(yùn)動(dòng)能力，并能靈活切換空中與水下的工作場景，從而規(guī)避水下與空中的障礙。在需要高速行進(jìn)抵達(dá)目的時(shí)，航行器可以進(jìn)入空中進(jìn)行低功耗長時(shí)航行；在需要水下作業(yè)時(shí)潛入水下。這些運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)使水空兩棲跨介質(zhì)航行器具備完全獨(dú)立執(zhí)行海難救援、海洋樣本采集、海洋考古等復(fù)雜任務(wù)的能力，而無需大型船艦或無人機(jī)運(yùn)載。這在未來的海洋探索中有廣闊的應(yīng)用前景。

2、水的介質(zhì)密度與空中相差700倍，因此動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對航行器穿越水體進(jìn)入空中的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。一類航行器采用無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的形式實(shí)現(xiàn)介質(zhì)跨越，但螺旋槳需要不斷加速至產(chǎn)生足夠推進(jìn)力拉動(dòng)航行器脫離水面，兩相跨越時(shí)間長。

3、螺旋槳形式延用了空中飛行器的設(shè)計(jì)理念，在控制方式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上降低了研發(fā)難度，但也面臨螺旋槳在水下存在空化與氣蝕的固有問題。自然界中的飛行烏賊可以通過肌肉壓縮射流快速從海洋逃逸到空中，受該生物啟發(fā)，一部分研究開始提出采用射流推進(jìn)的形式實(shí)現(xiàn)水空跨越。

4、射流推進(jìn)具有短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高動(dòng)量的特點(diǎn)，是一種高能量密度釋放的推進(jìn)形式。采用這類推進(jìn)形式的樣機(jī)能夠以更快的速度脫離水體。

5、然而，現(xiàn)有技術(shù)的水空兩棲航行器僅僅實(shí)現(xiàn)了單純在水中驅(qū)動(dòng)以及單純在空中飛行，而在水中如何通過水空兩棲的優(yōu)勢來進(jìn)行避障作業(yè)是現(xiàn)有技術(shù)所沒有考慮的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種水空兩棲航行器避障方法來至少解決上述的一個(gè)技術(shù)問題。

2、本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種水空兩棲航行器避障方法，所述水空兩棲航行器避障方法包括：

3、獲取水空兩棲航行器的推進(jìn)器所能提供的總沖量；

4、獲取障礙物基本信息以及水空兩棲航行器當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)基本信息、丁烷與氧氣充入混合腔時(shí)間信息；

5、根據(jù)所述障礙物基本信息、丁烷與氧氣充入混合腔時(shí)間信息以及水空兩棲航行器當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)基本信息獲取最優(yōu)出水角度以及最優(yōu)出水距離；

6、根據(jù)障礙物基本信息以及丁烷與氧氣充入混合腔時(shí)間信息獲取通氣時(shí)間點(diǎn)以及點(diǎn)火時(shí)間點(diǎn)；

7、根據(jù)通氣時(shí)間點(diǎn)控制丁烷氣體供應(yīng)系統(tǒng)以及氧氣供應(yīng)系統(tǒng)向反應(yīng)腔充氣；

8、根據(jù)點(diǎn)火時(shí)間點(diǎn)在反應(yīng)腔進(jìn)行點(diǎn)火，從而使水空兩棲航行器獲得所述總沖量。

9、可選地，所述水空兩棲航行器避障方法進(jìn)一步包括：

10、在所述水空兩棲航行器的預(yù)設(shè)部位飛出水面是啟動(dòng)螺旋槳。

11、可選地，所述障礙物基本信息包括障礙物與水空兩棲航行器的距離信息、障礙物相對于水空兩棲航行器的位置信息、障礙物高度信息；

12、所述水空兩棲航行器當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)基本信息包括當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)俯仰姿態(tài)角度、水空兩棲航行器當(dāng)前的位置坐標(biāo)、航行器質(zhì)量信息、航行器繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

13、可選地，所述水空兩棲航行器的推進(jìn)器所能提供的總沖量通過如下公式獲取：

14、其中，

15、j(c)為水空兩棲航行器的推進(jìn)器所能提供的總沖量、c為燃料濃度，當(dāng)c＝1時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生化學(xué)計(jì)量反應(yīng)，當(dāng)c<1時(shí)，為富氧狀態(tài)，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，氧氣過剩，抑制了副產(chǎn)物產(chǎn)生并降低回火風(fēng)險(xiǎn)，c的取值決定反應(yīng)活躍程度，從而影響爆炸反應(yīng)推進(jìn)力的產(chǎn)生、t為推進(jìn)力持續(xù)時(shí)間、tjet為射流推進(jìn)力。

16、可選地，所述根據(jù)所述障礙物基本信息、丁烷與氧氣充入混合腔時(shí)間信息以及水空兩棲航行器當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)基本信息獲取最優(yōu)出水角度以及最優(yōu)出水距離包括：

17、獲取出水角度與航行軌跡數(shù)據(jù)庫，所述出水角度與航行軌跡數(shù)據(jù)庫包括至少一個(gè)預(yù)設(shè)出水角度一個(gè)每個(gè)預(yù)設(shè)出水角度所對應(yīng)的航行軌跡信息；

18、根據(jù)所述障礙物基本信息中的障礙物與水空兩棲航行器的距離信息以及丁烷與氧氣充入混合腔時(shí)間信息獲取將丁烷與氧氣充入混合腔后的障礙物與水空兩棲航行器的距離信息，所述將丁烷與氧氣充入混合腔后的障礙物與水空兩棲航行器的距離信息稱為第一距離信息；

19、根據(jù)所述第一距離信息、障礙物的高度信息以及每個(gè)航行軌跡信息獲取最優(yōu)出水角度以及最優(yōu)出水距離。

20、可選地，所述根據(jù)所述第一距離信息、障礙物的高度信息以及每個(gè)航行軌跡信息獲取最優(yōu)出水角度以及最優(yōu)出水距離包括：

21、獲取時(shí)間約束條件、最高點(diǎn)軌跡高度約束條件、動(dòng)力過渡平滑性約束條件、水面脫離角約束條件；

22、獲取同時(shí)滿足所述時(shí)間約束條件、最高點(diǎn)軌跡高度約束條件、動(dòng)力過渡平滑性約束條件、水面脫離角約束條件的航行軌跡信息；

23、當(dāng)同時(shí)滿足所述時(shí)間約束條件、最高點(diǎn)軌跡高度約束條件、動(dòng)力過渡平滑性約束條件、水面脫離角約束條件的航行軌跡信息只有一個(gè)時(shí)，獲取該航行軌跡信息所對應(yīng)的出水角度作為最優(yōu)出水角度；

24、獲取該航行軌跡信息的初始點(diǎn)至該航行軌跡信息的最高點(diǎn)之間的行走距離作為最優(yōu)出水距離。

25、可選地，所述時(shí)間約束條件包括：

26、tpeak≥tprop

27、其中，

28、tprop為加速時(shí)間、tpeak為航行器從水面到障礙物最高點(diǎn)所需的時(shí)間、螺旋槳推進(jìn)力線性增長速率為kp。

29、可選地，所述最高點(diǎn)軌跡高度約束條件包括：

30、其中，

31、所述動(dòng)力過渡平滑性約束條件包括：

32、其中，

33、αmax是允許的最大俯仰角變化速率，該約束避免劇烈姿態(tài)調(diào)整導(dǎo)致的不穩(wěn)定性；

34、所述水面脫離角約束條件包括：

35、φmin≤φ0≥φmax；其中，

36、φmin和φmax基于具體的任務(wù)需求與推進(jìn)器的限制角度確定。

37、本技術(shù)還提供了一種水空兩棲航行器，所述水空兩棲航行器包括：

38、航行器殼體；

39、推進(jìn)器，所述推進(jìn)器一端伸入所述航行器殼體內(nèi)，所述推進(jìn)器內(nèi)設(shè)置有混合腔，所述混合腔包括丁烷進(jìn)氣口、氧氣進(jìn)氣口、壓力液體噴射口、液體灌入口，所述混合腔內(nèi)容納有液體，所述壓力液體噴射口位于所述推進(jìn)器的遠(yuǎn)離所述航行器殼體的一端，所述混合腔內(nèi)設(shè)置有點(diǎn)火裝置；

40、丁烷氣體供應(yīng)系統(tǒng)，所述丁烷氣體供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置在所述航行器殼體內(nèi)，所述丁烷氣體供應(yīng)系統(tǒng)與所述丁烷進(jìn)氣口聯(lián)通，用于向所述混合腔內(nèi)提供壓力丁烷氣體；

41、氧氣供應(yīng)系統(tǒng)，所述氧氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置在所述航行器殼體內(nèi)，所述氧氣供應(yīng)系統(tǒng)與所述氧氣進(jìn)氣口聯(lián)通，用于向所述混合腔內(nèi)提供壓力氧氣；其中，

42、當(dāng)所述壓力丁烷氣體以及壓力氧氣進(jìn)入至所述混合腔內(nèi)且所述混合腔內(nèi)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，通過點(diǎn)火裝置進(jìn)行點(diǎn)火，從而使混合腔內(nèi)的壓力丁烷氣體以及壓力氧氣爆炸產(chǎn)生用于將液體自壓力液體噴射口排除的推力。

43、可選地，所述水空兩棲航行器進(jìn)一步包括：

44、螺旋槳，所述螺旋槳設(shè)置在所述航行器殼體上；

45、螺旋槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述螺旋槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置在所述航行器殼體內(nèi)，所述螺旋槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與所述螺旋槳連接，用于驅(qū)動(dòng)所述螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

46、有益效果

47、本技術(shù)設(shè)計(jì)的水空兩棲航行器避障方法，提出了燃料爆炸式射流推進(jìn)系統(tǒng)和螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的聯(lián)合控制策略，突破了現(xiàn)有單一推進(jìn)技術(shù)在水-空介質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中快速性、持續(xù)性較差，無法有效實(shí)現(xiàn)避障的瓶頸。傳統(tǒng)的兩棲航行器往往在水下與空中環(huán)境中面臨不同的控制挑戰(zhàn)，本發(fā)明構(gòu)建了具備空中運(yùn)動(dòng)能力與水空穿梭能力的系統(tǒng)，通過獨(dú)特的控制策略，提出了一種能夠同時(shí)應(yīng)對水下與空中障礙物的避障方法。在水下階段，航行器僅需關(guān)注障礙物的高度，通過噴射水面后，燃料爆炸式射流推進(jìn)可迅速產(chǎn)生強(qiáng)大的推進(jìn)力，推動(dòng)航行器突破水面，并在算法計(jì)算的時(shí)間區(qū)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)螺旋槳系統(tǒng)，確保航行器能夠獲取持續(xù)足夠的推進(jìn)力，穩(wěn)定地進(jìn)入平飛姿態(tài)。空中階段，螺旋槳推進(jìn)繼續(xù)維持航行器的穩(wěn)定，并為其提供持續(xù)的動(dòng)力。該方法的創(chuàng)新性在于，通過聯(lián)合控制射流推進(jìn)與螺旋槳推進(jìn)，不僅解決了傳統(tǒng)技術(shù)中單一推進(jìn)系統(tǒng)水下與空中無法兼顧推進(jìn)需求的問題，還實(shí)現(xiàn)了在水空轉(zhuǎn)換過程中的高效避障。在水面噴射后，航行器能夠快速響應(yīng)環(huán)境變化，銜接螺旋槳系統(tǒng)推進(jìn)，以遠(yuǎn)離障礙物，確保航行安全。此方案在水空穿梭時(shí)能夠以高速突破水面，而在空中又能夠發(fā)揮螺旋槳的優(yōu)勢，從而有效提升了航行器的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力。