14、空中水下机器人的飞行、潜水与逃逸研究

空中水下机器人的飞行、潜水与逃逸研究

1. 飞行潜水相关力学模型

在研究飞行潜水过程中，各部件产生的力会根据浸没面积进行缩放。例如，机翼力的计算公式为：
$F_{w,transition} = \frac{1}{2} V^2 C_{lw}(\rho_w S_w(t) + \rho_a S_a(t))$
在进行力矩计算时，假设各部件的力作用点保持不变。不过，上述表达式在出水情况中可能适用，但在撞击阶段，物体周围的流动可能高度混乱，还可能出现空化或空气夹带现象，这可能导致尾部甚至机翼部分在撞击期间及之后短时间内失效。所以，在撞击期间及之后短时间内，水动力可能主要由表面摩擦效应主导，此时阻力系数可表示为：
$C_d = \frac{0.0307}{Re^{1/7}}$
其中，雷诺数是根据物体的浸没长度计算得出的。但这些公式是高度简化的，实际应用中可能不够准确。

2. 模拟结果与系统分析

2.1 不同阶段的模拟

模拟涵盖了多个阶段，包括稳定和机动飞行、陡峭俯冲、水撞击与入水、稳定水下运行、返回水面和出水等。结果表明，所设计的模型能有效呈现纯空中和水下阶段，以及空气 - 水和水 - 空气的转换过程，系统行为在物理上合理，与之前类似车辆的实验结果相符。不过，要实现连续的完整任务周期，部分阶段需要主动稳定控制，如稳定出水和返回飞行、从水撞击过渡到可控水下运行等，控制部分将是未来研究的方向。
|模拟阶段|描述|
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|稳定和机动飞行|展现飞行器在空气中的常规飞行状态|
|陡峭俯冲|飞行器从空中向水面快速下降的过程|
|水撞击与入水|飞行器接触水面并进入