四翼水翼船"黑珍珠"的冗余驱动设计与飞行控制：提升水翼船性能与鲁棒性的创新研究

本研究针对传统水翼船驱动效率低、易饱和的问题，提出了一种创新的四翼冗余驱动方案。研究人员设计了名为"黑珍珠"的电动水翼船，通过四个独立水翼控制三个自由度（横滚、俯仰和高度），显著提高了驱动效率并降低了饱和风险。实验验证了该方案在单翼卡死情况下的鲁棒性，并开发了新型导航算法优化飞行性能。这项研究为开发能在恶劣海况下航行的智能水翼船奠定了基础。

　　

水翼船技术自1861年Thomas Moy首次实验以来，经历了从静态结构到主动控制的演变过程。传统水翼船面临驱动效率低、易饱和等问题，特别是在恶劣海况下性能显著下降。虽然"T"型水翼结构被认为是最优选择，但其需要复杂的主动控制系统。近年来，随着电子控制技术的发展，双襟翼尾翼调节等方案被提出，但仍无法完全解决驱动饱和和鲁棒性问题。

为应对这些挑战，研究人员开展了名为"黑珍珠"的四翼电动水翼船研究。该研究最突出的创新点是采用了冗余驱动设计：四个独立水翼控制三个自由度（横滚、俯仰和高度）。这种设计不仅提高了驱动效率，还通过显式管理冗余性，确保了在单个水翼卡死时的系统鲁棒性。

研究采用了多学科交叉的技术方法：1）基于NED（北-东-下）坐标系的动力学建模；2）四翼冗余驱动分配算法；3）新型导航控制律设计；4）水翼浸没体积的几何近似计算；5）流体动力学的拖曳和升力分解建模。

研究结果部分，"系统描述"详细阐述了"黑珍珠"的14个组件构成，包括两个船体、四个带水翼的垂直支腿、方向舵、推进器等。"动态建模"部分建立了包含重力、浮力、流体阻尼和推力的完整动力学方程，特别强调了浸没体积和浮心位置的计算方法。

在"控制结构"部分，研究提出了针对四翼冗余系统的控制分配方案，通过优化算法实现了驱动力的高效分配。"导航法则"开发了新型路径跟踪算法，模拟结果显示该系统能有效处理转弯时的横滚角调节。"实验验证"证实了该系统在实际海况中的性能表现，特别是在单翼故障情况下的鲁棒性。

这项研究的结论表明，四翼冗余驱动设计显著提高了水翼船的驱动效率和系统鲁棒性。新型导航算法有效改善了飞行性能，特别是在转弯机动时。该研究为开发能在恶劣海况下航行的智能水翼船提供了重要技术支撑，其冗余驱动理念也可推广到其他海洋运载工具设计中。论文发表在《Applied Ocean Research》，为水翼船技术的发展开辟了新方向。