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水下航行器设计和控制方法

阅读：874发布：2020-05-17

专利汇可以提供水下航行器设计和控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且描述了航行器及其使用方法，该航行器被设计成使用地面效应力来控制航行器相对于表面的定位。在一个实施方式中，航行器具有壳体，该壳体包括具有部分椭球体形状的第一部分以及平坦的且与第一部分相关联的第二部分。航行器还可以包括一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被配置成感测来自壳体的平坦的第二部分定向朝向的表面的信息。，下面是水下航行器设计和控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种控制浸没在流体中的航行器的方法，所述方法包括：
将浸没在流体中的航行器定位在相对于表面的第一预选距离处；以及
向所述航行器施加地面效应力以将所述航行器保持在所述第一预选距离处。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：使所述航行器相对于所述表面横向移动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：施加朝向所述表面定向的推力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：既使所述航行器相对于所述表面横向移动，又施加朝向所述表面定向的推力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述航行器相对于所述表面移位时，所述地面效应力使所述航行器朝向相对于所述表面的第一预选距离偏移。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述航行器处于所述第一预选距离时，所述航行器的净重和所述地面效应力导致在朝向所述表面定向的方向上施加到所述航行器的基本净零力。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：改变所述地面效应力以使所述航行器从相对于所述表面的第一预选距离移动到相对于所述表面的第二预选距离。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：随着所述航行器相对于所述表面横向移动，使用传感器扫描所述表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一预选距离处于所述传感器的期望感测范围内。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：向所述航行器施加使所述航行器朝向所述表面偏移的推力，其中，当所述航行器处于所述第一预选距离时，所述航行器的净重、朝向所述表面的推力和所述地面效应力导致在朝向所述表面定向的方向上施加到所述航行器的基本净零力。
11.一种控制浸没在流体中的航行器的方法，所述方法包括：
在地面效应力相对于表面的第一稳定平衡距离处向所述航行器施加所述地面效应力，使得当所述航行器相对于所述表面移位时，所述地面效应力使所述航行器朝向所述第一稳定平衡距离偏移。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：使所述航行器相对于所述表面横向移动。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：施加朝向所述表面定向的推力。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：既使所述航行器相对于所述表面横向移动，又施加朝向所述表面定向的推力。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：随着所述航行器相对于所述表面横向移动，使用传感器扫描所述表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一稳定平衡距离处于所述传感器的期望感测范围内。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：改变所述地面效应力以使所述航行器从相对于所述表面的第一稳定平衡距离移动到相对于所述表面的第二稳定平衡距离。
18.一种控制浸没在流体中的航行器的方法，所述方法包括：
将所述航行器的平坦部分朝向表面定向；
向所述航行器施加使所述航行器朝向所述表面偏移的推力；
向所述航行器施加相对于所述表面的地面效应力，其中，所述航行器的净重、使所述航行器朝向所述表面偏移的净推力以及与所述表面相关联的地面效应力导致在朝向所述表面定向的方向上施加到所述航行器的基本净零力。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，当所述航行器处于相对于所述表面的第一预选距离时，所述航行器的净重、使所述航行器朝向所述表面偏移的推力以及与所述表面相关联的地面效应力导致在朝向所述表面定向的方向上施加到所述航行器的基本净零力。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一预选距离是相对于所述表面的第一稳定平衡距离。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，使所述航行器的平坦部分朝向所述表面定向还包括：调节所述航行器的重心以使所述航行器的平坦部分朝向所述表面定向。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：使所述航行器相对于所述表面横向移动。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：施加朝向所述表面定向的推力。
24.根据权利要求18所述的方法，其中，向所述航行器施加所述地面效应力包括：既使所述航行器相对于所述表面横向移动，又施加朝向所述表面定向的推力。
25.根据权利要求18所述的方法，还包括：随着所述航行器相对于所述表面横向移动，使用传感器扫描所述表面。

说明书全文

水下航行器设计和控制方法

[0001] 政府资助

[0002] 本发明在由国家科学基金会授予的基金第CMMI1363391号的政府支持下进行。政府对本发明享有一定的权利。

[0003] 相关申请的交叉引用

[0004] 本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2015年3月3日提交的美国临时申请第62/127,510号和2015年3月3日提交的美国临时申请62/127,489号的优先权的权益，上述申请各自通过引用整体并且入本文。

技术领域

[0005] 所公开的实施方式涉及水下航行器设计和控制方法。

背景技术

[0006] 在潜水机器人方面进行了大量研究，以开发对结构进行检查和维护的复杂系统。例如，这种航行器的应用包括对水下基础设施、管道、水坝、石油钻井平台支架以及沸水核反应堆的内部系统的检查等等。此外，这些检查要求近距离视觉检查和接触检查二者以测试外部和内部结构缺陷。在诸如港口安全等其他应用中，小心接触超声波扫描和船体的视觉成像是防止走私禁运品的重要领域。目前，人类潜水员和美国海军部署海豚的数百万美元的海洋哺乳动物专案计划往往被要求执行这样的风险任务。然而，这些专案计划不易扩展。为了降低人类潜水员的风险，并且找到可扩展的解决方案，大量工作目前正在转向潜水机器人。然而，典型的潜体表面检查机器人是使用轮、磁体和/或真空吸力的各种组合在潜体表面上移动的大型复杂系统。控制这些系统所需的工作量很大，并且这些系统常常有时间限制。因此，所得到的检查处理缓慢，并且不具有各种检测所需要的可分离性。

发明内容

[0007] 在一个实施方式中，航行器具有壳体，该壳体包括具有部分椭球体形状的第一部分以及平坦的且与第一部分相关联的第二部分。航行器还包括一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被配置成感测来自壳体的平坦的第二部分朝向的表面的信息。

[0008] 在另一实施方式中，航行器具有包括平坦部分的壳体以及一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被配置成感测来自壳体的平坦部分定向朝向的表面的信息。传感器具有距壳体的平坦部分的期望感测范围。此外，壳体的平坦部分的弦长导致当航行器相对于表面横向移动时在期望感测范围内相对于表面的至少一个稳定平衡位置。

[0009] 在又一实施方式中，航行器具有包括平坦部分的壳体以及与壳体的平坦部分相关联的至少一个推进器。所述至少一个推进器具有直径和推进能力。航行器还包括一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被配置成感测来自壳体的平坦部分定向朝向的表面的信息。传感器具有距壳体的平坦部分的期望感测范围。此外，所述至少一个推进器的直径被适当地设定尺寸，并且该推进能力足以在航行器位于表面附近时在期望感测范围内提供至少一个稳定平衡位置。

[0010] 在另一实施方式中，控制浸没在流体中的航行器的方法包括：将浸没在流体中的航行器定位在相对于表面的第一预选距离处；以及向航行器施加地面效应力以将航行器保持在第一预选距离处。

[0011] 在又一实施方式中，控制浸没在流体中的航行器的方法包括：在地面效应力相对于表面的第一稳定平衡距离处向航行器施加地面效应力，使得当航行器相对于表面移位时地面效应力使航行器朝向第一稳定平衡距离偏移。

[0012] 在另一实施方式中，控制浸没在流体中的航行器的方法包括：将航行器的平坦部分朝向表面定向；向航行器施加推力，使航行器朝向表面偏移；以及向航行器施加相对于表面的地面效应力，其中，航行器的净重、使航行器朝向表面偏移的净推力以及与表面相关联的地面效应力导致在朝向表面的方向上施加到航行器的净零力。

[0013] 应当理解，前述概念和下面讨论的另外的概念可以以任何合适的组合来布置，因为本公开内容在这方面不进行限制。此外，当结合附图考虑时，从以下对各种非限制性实施方式的详细描述中，本公开内容的其他优点和新颖特征将变得明显。

[0014] 在本说明书和通过引用并入的文献包括矛盾和/或不一致的公开内容的情况下，以本说明书为主导。如果通过引用并入的两个或更多个文献相互矛盾和/或不一致的公开内容，则以具有较晚生效日期的文件为主导。

附图说明

[0015] 附图并不旨在按比例绘制。在附图中，各图中示出的每个相同或几乎相同的部件可以由相同的附图标记表示。为了清楚起见，并非在每个附图中都标出每个部件。在附图中：

[0016] 图1A是具有平坦底部的部分椭球体航行器的一个实施方式的示意性俯视图，该航行器包括推进器和传感器；

[0017] 图1B是图1A所示的航行器的实施方式的侧视图；

[0018] 图1C是图1A所示的航行器的实施方式的仰视图；

[0019] 图2A是具有平坦底部的部分椭球体航行器的一个实施方式的示意性俯视图，该航行器包括推进器和传感器；

[0020] 图2B是图2A所示的航行器的实施方式的侧视图；

[0021] 图2C是图2A所示的航行器的实施方式的仰视图；

[0022] 图3是具有的平坦底部的部分椭球体航行器的仰视图，图3包括标出的尺寸；

[0023] 图4是图3所示的航行器的包括标出的尺寸的侧视图；

[0024] 图5是具有平坦底部的部分椭球体航行器的侧视图，图5包括标出的尺寸；

[0025] 图6是横贯具有一个或更多个不规则部分的表面的椭球体航行器的示意性表示；

[0026] 图7是横贯弯曲表面的椭球体航行器的示意性表示；

[0027] 图8A是在存在向上的地面效应力的区域中相对于表面横向移动的航行器的示意性表示；

[0028] 图8B是作用在图8A中的航行器上的力的示意性表示；

[0029] 图9A是在存在向下吸引的地面效应力的区域中相对于表面横向移动的航行器的示意性表示；

[0030] 图9B是作用在图9A中的航行器上的力的示意性表示；

[0031] 图10A是包括处于自由流状态的中心推进器的航行器的示意性表示；

[0032] 图10B是作用在图10A中的航行器上的力的示意性表示；

[0033] 图11A是包括在距表面的存在地面效应力的距离内的中心推进器的航行器的示意性表示；

[0034] 图11B是作用在图11A中的航行器上的力的示意性表示；

[0035] 图12A是包括泵和沿不同方向定向的多个推进器的航行器的一个实施方式的俯视图；

[0036] 图12B是图12A的航行器的截面侧视图，示出了推进器沿航行器的不同部分的布置和定向；

[0037] 图13A是包括泵和沿不同方向定向的多个推进器的航行器的一个实施方式的俯视图；

[0038] 图13B是图13A的航行器的截面侧视图，示出了推进器沿航行器的不同部分的布置和定向；

[0039] 图14A是包括泵和沿不同方向定向的多个推进器的航行器的一个实施方式的俯视图；

[0040] 图14B是图14A的航行器的截面侧视图，示出了推进器沿航行器的不同部分的布置和定向；

[0041] 图15至图18是包括可变重心的航行器的示意性表示，可变重心用于将航行器的平坦部分以不同角度朝向表面定向；

[0042] 图19是控制方法的一个可能实施方式的流程图，该控制方法使用地面效应力来维持航行器相对于表面的期望距离；

[0043] 图20是相对于表面横向移动的包括不对称体的航行器的力相对于间隙尺寸的曲线图；

[0044] 图21是在较小间隙尺寸处相对于表面横向移动的包括不对称体的航行器的力与间隙尺寸的曲线图；

[0045] 图22是针对不同间隙尺寸计算出的升力相对于速度的曲线图；

[0046] 图23是针对不同间隙尺寸测量出的升力相对于速度的曲线图；

[0047] 图24是当航行器最初偏移1mm时航行器在相对于表面的稳定平衡位置周围的位移和速度的曲线图；

[0048] 图25是不同尺寸的航行器以不同ε值相对于表面以0.5m/s移动的升力系数的曲线图；

[0049] 图26是不同尺寸的航行器以不同ε值相对于表面以1.0m/s移动的升力系数的曲线图；

[0050] 图27是牵引力相对于速度的曲线图；

[0051] 图28是不同ε值的牵引力系数的曲线图；

[0052] 图29是升力系数相对于λ的曲线图；

[0053] 图30是泵的自由流力相对于所施加电压的曲线图；

[0054] 图31是在相对于表面的不同间隙值处由推进器施加到航行器的力的曲线图；

[0055] 图32是针对所施加的不同推进器电压计算出的在相对于表面的不同间隙值处由推进器施加到航行器的力的曲线图；

[0056] 图33是针对所施加的不同推进器电压实验得出的在相对于表面的不同间隙值处由推进器施加到航行器的力的曲线图；

[0057] 图34是稳定平衡距离相对于所施加的不同推进器电压的曲线图；

[0058] 图35是标准化反射力相对于所施加的推进器电力的曲线图；

[0059] 图36至图37是航行器的俯视图和侧视图，图36至图37示出来自推进器的力的方向；

[0060] 图38至图39是潜水航行器的外部和内部图片；

[0061] 图40至图41是受到下俯力矩的航行器的图片；

[0062] 图42和图43是包括成角度的控制射流的航行器的图片；以及

[0063] 图44是用于开环和闭环控制的航行器轨迹的曲线图。

具体实施方式

[0064] 鉴于接触检查航行器的局限性例如速度缓慢和控制困难，本发明人认识到与能够在非接触模式下在所关注的结构内和/或所关注的表面附近运行的航行器相关联的优点。这样的航行器可以为诸如各种类型的检查等应用提供更快和更可靠的操作，而不受被检查表面或区域的表面粗糙度、不规则部分或其他变化的特性的干扰，尽管还可以构想以接触模式来操作本文中公开的航行器的实例。例如，这样的航行器在高速准确的检查可能是有利的应用中特别有益，这样的应用诸如港口安全以及水下基础设施、管道、水坝，石油钻井平台支架的检查和维护以及沸水核反应堆的内部系统等等。虽然上面指出了具体的应用，但是所公开的航行器可以应用于任何数量的其他应用。

[0065] 为了实现航行器相对于表面的非接触式控制，发明人认识到，需要开发航行器几何形状和控制方法以保持航行器相对于表面的受控间隙。虽然可以实施紧密反馈控制来调节该间隙，但是在水下环境中，这种强力控制方法可能需要强大且极其快速的响应致动器。因此，除了所使用的任何适当的反馈控制回路之外，本发明人还认识到与下述相关联的优点：在航行器与检查表面之间使用流体动力学效应以自动地控制航行器相对于检查表面的移动。也就是说，本发明人开发了利用所谓的“地面效应”力的航行器几何形状和控制方法，这种力改变表面附近的流体行为，以如下进一步详述的各种方式来控制航行器。

[0066] 虽然术语地面效应用于描述当航行器紧邻表面时生成航行器受到的力的现象，但是应该理解，短语地面效应不仅限于由于航行器靠近地面而生成力的情况。相反，短语地面效应、地面效应力或者任何相关短语适用于航行器靠近任何表面的操作，这些表面包括但不限于地面、海底、河床、船体、管道的内部以及浸没结构(例如水坝和石油钻井平台支架)等等。

[0067] 在一些实施方式中，可以操纵以各种方式施加到航行器的地面效应力，以使航行器在相对于表面的期望距离处自稳定。例如，本文中描述的实施方式和示例示出了可以如何平衡与地面效应相关联的相互对抗的吸力和升力以及施加到航行器的其他力，以在相对于表面的一个或更多个距离的位置处产生稳定净零力或平衡。由于在这些稳定平衡位置处力随着相对于表面的距离而变化，因此当航行器从稳定净零力位置偏移离开时，净力被改变，使航行器偏移而朝向稳定位置返回。例如，在一个实施方式中，在稳定平衡位置下方，升力开始主导地使航行器向上偏移离开表面并且朝向稳定平衡位置。相应地，在稳定平衡位置上方，吸力开始主导地使航行器向下偏移并且朝向表面和稳定平衡位置返回。因此，可以利用地面效应力来实现自稳定控制方法，该方法可以用来代替用于控制航行器与所关注的表面之间的间隙的其他控制方法或者与用于控制航行器与所关注的表面之间的间隙的其他控制方法组合使用。鉴于这种效果，在一些实施方式中，随着与表面的距离的增加，施加到航行器的相对于表面的净力可以减小(即吸力更多)。当然，力相对于距离的这种变化的绝对值将取决于航行器的尺寸、速度、施加的推力、间隙距离以及期望的应用等等。因此，应当理解，可以使用用于所需应用的任何适当范围的值。

[0068] 虽然上面注意到了关于上述稳定平衡点净力相对于间隙距离的负变化，但是应当理解，可以在净力相对于间隙距离的变化为正的区域中动态地和/或静态地操作航行器。这样的操作只是不会像上述那样进行自稳定。

[0069] 可以将各种类型的地面效应力施加到航行器，以帮助控制航行器相对于表面的移动和定位。此外，取决于具体操作模式，这些类型的地面效应力中的任何一种可以被单独使用，或者可以与其他类型的地面效应力以及作用在航行器上的其他力结合使用，以控制航行器的定位和移动。下面进一步详细描述具体类型的地面效应力。

[0070] 在一个实施方式中，由于航行器相对于表面的横向移动，航行器可以生成地面效应力。在这样的实施方式中，并且在不希望受理论束缚的情况下，航行器相对于表面的横向(即，大致平行于表面)移动导致航行器下方的流体的流动与航行器通过流体的速度相比加快。由于阻塞，这可能导致在第一距离处的吸力以及在第二较近距离处与表面的斥力。在一些实施方式中，自稳定平衡点可以位于这些距离之间。

[0071] 在另一实施方式中，航行器可以包括一个或更多个推进器，这些推进器被配置成朝向所关注的表面定向。取决于推进器的直径、施加的推力以及与表面的距离，一个或更多个射流可能产生各种地面效应。例如，来自推进器的流体射流可能生成壁面效应，其产生流体在航行器与表面之间的横向流动，造成将航行器吸向表面的低压区域。射流还可能产生涡流，这也称为文氏(Venturi)效应，文氏效应也在航行器上产生吸力。由于观察到的与从表面向航行器反射的射流对应的喷泉效应，因此除了来自推进器的正常推力之外，还存在施加到航行器的向上的力。以下将进一步详细描述这些各种效应所占据的领域以及如何使用这些各种效应来一起控制航行器。

[0072] 虽然可以使用具有所描述的系统和方法的任何被适当设定形状和尺寸的航行器，但是本发明人认识到与使用特定航行器形状相关联的优点。例如，在一些实施方式中，当内部未被淹没时，可能希望在压缩状态下减小施加到航行器的应力。因此，可以使用具有平滑曲率变化的平滑表面。在一个示例中，可以使用球体。然而，球体可能导致控制和稳定性问题。因此，在另一实施方式中，可以使用更适合于使用五个自由度的移动的椭球体。此外，诸如球体和椭球体的形状有利地有助于使特定尺寸的航行器的体积与表面积的比率达到最大。所提到的椭球体可以具有任何期望的纵横比，包括但不限于长轴与短轴的比率处在1与2之间或者等于1或2、1.4与1.65之间或者等于1.4或1.65或者任何其他合适的比例。此外，可以使用非对称椭球体，该椭球体的一半具有第一纵横比，而该椭球的相对的另一半可以具有不同的纵横比，这可以有助于增强航行器所受到的地面作用。虽然上面提到了球体和椭球体的各种布置，但是应当理解，航行器可以具有任何期望的形状，因为本公开内容不以这种方式进行限制。

[0073] 取决于具体应用，航行器可以具有任何期望的最大外部尺寸。例如，在一个实施方式中，航行器可以具有包括5英寸与60英寸之间或者等于5英寸或60英寸、24英寸与48英寸之间或者等于24英寸或48英寸或者对于期望应用的任何其他适当尺寸范围的最大外部尺寸。因此，应该理解的是，还构想了具有小于上述尺寸和大于上述尺寸的外形尺寸的航行器，包括数量级为数十码或数十英尺的大型航行器。

[0074] 除了航行器的整体形状之外，本发明人认识到在航行器壳体上添加平坦部分，该平坦部分可以朝向所关注的表面定向。在一些实施方式中，可以设定壳体的这个平坦部分的尺寸和形状以增强所观察到的地面效应力，当航行器移动通过流体时增强航行器的稳定性，和/或帮助传感器相对于表面的定位以进行表面检查。取决于具体实施方式，壳体的平坦部分可以具有壳体的朝向壳体的平坦部分定向朝向的投影面积的包括10％与100％之间或者等于10％或100％、20％与100％之间或者等于20％或100％、30％与100％之间或者等于30％或100％、50％与100％之间或者等于50％或100％、20％与80％之间或者等于20％或80％或者任何其他适当的百分比范围的面积。例如，与具有等于与壳体的椭球体部分相关联的投影面积的面积的平坦壳体部分对应的半个椭球体形状可以为传感器提供相对大的面积，这在绘制应用中是有用的，在绘制应用中，使用地面效应力使航行器相对于海底表面移动，同时绘制与壳体的平坦部分相关联的具有较大数量的传感器的区域。

[0075] 应当理解，本文中描述的航行器壳体和各种其他部件可以由任何适当的材料制成。例如，壳体可以由各种金属、聚合物、陶瓷和/或这些材料的组合制成。此外，在一些实施方式中，壳体的意图朝向所关注的表面定向的平坦部分可以由弹性材料如弹性体(例如橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、聚异丁烯、聚氨酯等)制成。在不希望受理论束缚的情况下，这样的表面可以在航行器在接触模式下和/或间隔(standoff)模式下横贯包括不规则部分的表面时帮助航行器的响应平滑。

[0076] 虽然能够保持相对于表面的距离的航行器可以被应用于许多应用中，但是这样的航行器在用于执行各种类型的检查和/或维护时可能是特别有益的。例如，如上所述，在一些实施方式中，航行器可以包括一个或更多个传感器，所述传感器用于感测关于表面——例如船体、海床的底部或者任何所关注的其他物体或地方——的信息。可以使用的适当类型的传感器包括但不限于超声波传感器、涡流检测器、磁传感器、摄像机、光学传感器、温度传感器、压力传感器、PH传感器、浊度传感器、氧传感器、二氧化碳传感器、线性传感器阵列、相位传感器阵列以及任何其他适当类型和/或布置的传感器。

[0077] 在一些实施方式中，取决于所使用的传感器的类型，传感器可以具有期望感测范围，当感测来自表面的信息时，期望将传感器保持在该感测范围内。在一个这样的实施方式中，传感器如超声波传感器具有与超声波的波长相关的优选感测范围。具体地，当传感器被放置在距表面四分之一波长的奇数倍时，在换能器处相位相加的交叠的波产生信号最大值。相比之下，当传感器位于四分之一波长的偶数倍时，波消去并且信号处于其最小值。因此，在一些实施方式中，用于超声波传感器的感测范围可以是四分之一波长的奇数±0.5倍。在一个这样的示例中，300KHz的超声波换能器在水中具有4mm的波长(cw＝1500m/s)，这可以被转化成四分之一波长为1mm。所以，在距表面1xn mm处获得最大信号，其中n为奇数。

[0078] 基于上述概念，在一个实施方式中，通过将航行器定位在相对于表面如船体或海床的预选距离处，可以至少部分地控制浸没在流体中的航行器。在一些情况下，预选距离可以对应于航行器相对于表面的稳定平衡距离。一旦被适当定位，一个或更多个地面效应力就可以被施加到航行器，以通过在相对于所关注的表面的预选距离处产生施加到航行器的净零力来将航行器保持在第一预选距离处。例如，施加到航行器的各种地面效应力、航行器的净重(即实际重量减去浮力)以及从例如相关联的推进器等源施加到航行器的任何其他力在朝向表面定位的方向上可以总和为零。当航行器从相对于表面的预选距离偏离时，地面效应力可能改变，以自动地使航行器偏移回到相对于表面的期望预选距离处。如下面更详细描述的那样，可以通过使用航行器相对于表面的横向移动、撞击在表面上的射流和/或两者的组合来生成地面效应力。

[0079] 现在转到附图，更详细地描述了几个非限制性实施方式。然而，虽然描述了具体实施方式，但是应当理解，下面描述的各种特征和概念可以以任何适当的组合使用，因为本公开内容不仅限于本文中描述的那些实施方式。

[0080] 图1A至图2C描绘了可以在诸如水等流体中潜行的航行器2的实施方式的各种示意图。航行器包括壳体，壳体包括第一部分4和第二平坦部分6。如图所示，壳体的第一部分可以是轻微弯曲的结构，例如部分椭球体、球体或者具有形成航行器的平坦底部表面的平坦部分的其他适当形状。然而，还可以构想包括非轻微弯曲形状和特征的形状，因为本公开内容没有进行这样的限定。另外，取决于具体应用和或设计标准，航行器壳体的平坦部分可以具有壳体的对应部分的任何适当百分比的投影面积的面积。

[0081] 为了控制航行器的操纵，在一些实施方式中，多个推进器8围绕壳体的第一部分4分布。这些推进器可以以任何数量的期望方式定向以在各个方向上提供推力。例如，推进器可以被定位和定向为在相对于航行器的平坦底部部分6竖直向下和/或横向定向的方向上提供推力。当然，还可以构想以向航行器提供竖直和横向推力分量二者的角度定位的推进器。此外，在一些情况下，这些推进器可以沿着穿过航行器重心的轴线将其推力施加到航行器。在不希望受理论束缚的情况下，这可以有助于消除或者减少在操纵期间施加到航行器的不必要的力矩。

[0082] 除了位于上述壳体的椭球体部分上的推进器之外，在一些实施方式中，一个或更多个推进器还可以与航行器壳体的平坦部分6相关联，以提供相对于壳体的平坦底部部分的向上指向的推力。例如，中心推进器10可以大致位于平坦部分的中心，并且可以施加垂直于平坦表面定向的推力。此外，还可以将多个推进器12分布在航行器的平坦部分周围。在一些情况下，多个推进器被均匀分布在航行器的平坦部分周围和/或围绕平坦部分的周边周围。如在一个这样的实施方式中的图中所示，多个推进器包括位于中心推进器的相对侧上的两个或更多个推进器。在不希望受理论束缚的情况下，这可以有助于平衡在运行期间施加到航行器上的推力。然而，还可以构想推进器以不均匀方式或者在其他位置处布置的实施方式。此外，如下面更详细描述的，与壳体部分的平坦底部相关联的推进器可以取决于期望的航行器控制来相对于壳体的平坦部分垂直地或者成角度地定向。

[0083] 为了清楚起见，在上述描述中指出并且在图中示出的推进器对应于推进器出口。然而，应当理解，所描绘的结构可以对应于推进器出口或入口，此外，推进器出口或入口可以被设置在航行器的任何适当部分上，因为本公开内容不对此进行限制。例如，在一个实施方式中，航行器可以包括设置在航行器的相对于主要行进方向的顶部、底部、前部和后部的多个推进器出口。相应地，相关联的一个或更多个推进器入口可以被设置在航行器的侧面上。然而应注意的是，还可以构想推进器入口和出口二者的其他位置。此外，在在使用期间航行器内部被淹没的情况下，航行器可以包括也可以不包括形成在航行器外部的任何推进器入口。

[0084] 在本文中描述的实施方式中，推进器可以指能够向航行器施加推力以控制航行器的移动的任何适当的装置。适当类型的推进器包括但不限于加压喷射器、机动操纵喷射器、隧道推进器以及螺旋桨等等。在使用喷射器或者其他类似装置的情况下，可以使用任何适当的液压动力源为喷射器提供动力，包括旋转泵、离心泵、齿轮泵、往复泵、涡轮机以及任何数量的其他类型的装置。在可能需要提供相对恒定或者更受控制的推力的情况下，可以在液压源与来自喷射器的出口之间连接压力储罐如蓄压器。此外，单独的阀和/或动力源可以与每个推进器相关联，以提供推进器的单独的和/或分组的控制。然而，在一些实施方式中，可以使用一个或更多个压力分配系统将压力源与多个推进器进行流体联接，这可以有助于减小航行器的尺寸和复杂性。

[0085] 如前所述，航行器可以包括一个或更多个传感器。此外，平坦壳体部分可以是定位用于感测来自所关注的表面的信息的传感器的特别有利的位置。例如，平坦表面提供了用于定位各种传感器以检查允许使用较大传感器、传感器阵列和/或更多数量的传感器的表面的更多的区域。如图1C和图2C所示，各个传感器14a可以围绕壳体的平坦部分分布。替代多个单独的传感器或者除了多个单独的传感器之外，航行器还可以包括传感器14b的阵列。在所描绘的实施方式中，传感器阵列至少部分跨平坦壳体部分的宽度延伸。被设置的传感器的这增加的面积和/或长度可以增加在检查表面时传感器的可检测阈值、感测信号的保真度和/或在单遍扫描期间由传感器扫描的区域。在所描绘的实施方式中，传感器阵列沿着基本上垂直于航行器的主要行进方向的方向延伸，虽然还构想了其中阵列沿着与航行器的主要行进方向基本上平行的方向延伸的实施方式。除了用于容纳传感器的较大区域之外，在检查表面时，使用平坦壳体部分允许两个或更多个传感器和/或发射器和相关联的接收器位于同一平面中。这在各种应用中可能是有益的，包括但不限于使用位于与平坦壳体部分对应的同一平面中的三个距离传感器对表面上的特定特征的距离进行三角测量。

[0086] 图3至图5示出了包括第一部分4的航行器壳体的俯视图和侧视图，第一部分4具有部分椭球体形状并且与第二平坦部分6相关联。壳体的部分椭球体部分具有主半径a1、b1和c1。如图所示，平坦壳体部分对应于去掉了椭球体部分而形成具有主半径a2和b2的平坦椭圆形的部分。如图4和图5所示，壳体的平坦部分可以位于平行于平坦壳体部分的椭球体形状的中心平面的上方或下方。因此，取决于具体实施方式，从平坦壳体部分到椭球体形状的相对的顶点的距离c2可以小于、大于或等于部分椭球体形状的主半径c1。相应地，图4中的平坦部分的面积为πa2b2，其可以小于或等于壳体的第一部分朝向平坦壳体部分的投影面积，该投影面积又在图4中对应于πa1b1。然而，如图5所示，当壳体的平坦部分位于部分椭球体形状的中心平面处或者上方时，壳体的第一部分的投影面积等于平坦壳体部分的面积。因此，除了上述面积的关系之外，壳体的第一部分的相对侧与平坦壳体部分之间的距离(即c2)可以为与壳体第一部分对应的椭球体的对应宽度(即2c1)的包括10％与80％之间或者等于10％或80％、10％与70％之间或者等于10％或70％、10％与60％之间或者等于10％或60％、10％与50％之间或者等于10％或50％或者任何其他适当的百分比。尽管上面提及的面积和距离是关于椭球体形状的，但是这些概念可以应用于任何其他合适的形状，因为本公开内容不对此进行限制。

[0087] 图6和图7示出了在横向方向上横贯表面的航行器2，该横向方向大致平行于位于航行器下方的表面100的相对部分。航行器以某期望速度V横贯表面。如图所示，表面可以包括任何数量的不规则部分102，例如隆起、物体、焊缝以及与该特定表面相关联的其他可能特征。可替代地，航行器横向贯穿的表面可以是弯曲的，例如如图7所示的可以预期的船体。在这样的实施方式中，航行器可以被认为是横向于——即大致平行于——与航行器相对的壳体的弯曲部分移动，并且航行器可以以沿航行器正在横贯的表面的曲率的非线性路径继续移动。在任何一种情况下，表面位置的这些变化和/或位于表面上的不规则部分影响航行器的底部表面与航行器横向贯穿的所关注的表面之间的距离h。此外，在一些应用中，例如当传感器用于感测相对于表面的信息时，当遇到这些表面位置的变化和/或不规则部分时，可能需要控制航行器的底部表面与被检查表面之间的距离，以确保传感器能够适当地感测来自表面的信息。下面进一步详细描述用于控制该距离的各种策略和航行器配置。

[0088] 在图6和图7所示的实施方式中，航行器2不包括系绳，这可以有助于减少在例如检查期间经常遇到的混乱环境中阻塞航行器的机会。此外，与现有的与检查表面接触的有系绳的航行器相比，缺少系绳还可以使航行器操纵轻松并且使航行器相对于粗糙或者不规则表面的扫描速率更快。然而，还可以构想使用有系绳的航行器的实施方式。

[0089] 如前所述，航行器相对于表面的横向移动是用于生成地面力的一种可能的方法。此外，施加到航行器的地面力的平衡和航行器与地面之间的距离h有关。例如，并且在不希望受理论束缚的情况下，由于表面的存在，航行器上的流体力取决于特征间隙比ε＝h/c，其中，h是航行器底部表面与所关注的表面的距离。C是本体的弦长。通常，等于约0.1的ε值导致吸(文氏)力，吸力在赛车中经常用于增加所受到的向下的力。然而，对于小于0.08的ε值，人们发现边界层合并，并且替代地发生升力，升力提供地面效应中所谓的翼，翼在一些航行器中用于增加所受到的升力。然而，为了自稳定，替代恒定向下或向上(WIG)的力，在一些实施方式中，目的是创建具有使航行器相对于表面朝向期望位置偏移的梯度的净零力区域。

[0090] 图8A至图9B示出了具有壳体的平坦底部部分6的部分椭球体航行器2的简化二维模型，该航行器2相对于表面以速度U横向行进。如上所述，取决于航行器相对于表面100的高度，遇到不同的流动模式。例如，并且在不希望受理论束缚的情况下，对于非常接近表面的区域，航行器经受大的粘性效应，并且通过边界层的相互作用来最有效地理解该区域中的流动。对于靠近表面但是大于边界层厚度的区域，在本体与表面之间存在流动通道。该区域中的流动由伯努利(Bernoulli)效应和库爱特(Couette)流动的组合决定。因此，在该通道中增加的速度导致较低的压力(即吸力)，这被称为文氏效应。另外，对于其中地面的效应变得不那么明显的远离表面的区域，流动过渡到其中地面效应力可以忽略不计——如果还存在的话——的无界介质。下面进一步描述这些不同的区域和所得到的力。应当理解，虽然这些区域被描述为彼此分散，但是在各个区域中存在不同数量的各种吸力和升力，并且更加成问题的是，在该特定区域中哪种类型的力是主导，以及主导的力以何种程度主导所观察的航行器行为。

[0091] 当航行器本体非常接近地面时，可以通过许多理论来说明所受到的升力。例如，对于具有等于或小于0.01的ε的间隙尺寸，可以使用涉及作为两个表面的相对移动的边界层相互作用的公知的润滑理论。这里的流动是高度粘性的，雷诺数(Reynolds number)的减少由ε2Re给出。为了简单起见，紧邻航行器基部上方的小区域可以被建模为具有可变高度的倾斜滑块，该倾斜滑块相对于表面以恒定速度U移动，如图9A和图9B所示。流体具有相对于航行器的底部表面的z位置变化的速度vx。用于确定得到的流体速度和压力的控制方程是用于不可压缩流动的2D纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程以及用于润滑理论的雷诺方程(Reynolds's equation)。定性地，流体在具有高度hi的点A处以入口压力Pi进入。当流体从A到B流经楔形物时，最大压力Po发生在点B处的点ho处，其表示可以引起所观察的效应的理想化形状。然而，应当注意，由航行器观察到的斥力和/或升力也非常可能归因于观察到的间隙内的阻塞效应。然后，压力经历从B点到C点的压力的线性下降，这可以被建模为在这些点之间具有预期的线性下降的压力的平行板。然后，该示意性模型从C到D通过膨胀的楔形部分，即可以导致观察到的行为的另一理想化几何形状，从而压力返回到Pi。由于在本体的任何点处的压力都处于或高于环境(即入口压力)，所以存在如图8B所示的作用在航行器上的净的正升力FL。这种现象也可以被理解为由两个边界层之间的相互作用导致，这两个边界层可以合并，导致通道中的阻塞，从而导致观察到的升力。除了增加的升力之外，由于边界层彼此相对移动的粘性摩擦，航行器还可能受到增加的牵引力。

[0092] 在边界层的组合厚度上方的区域中，其中可以认为流动是无粘性的，但仍在距表面小的间隙处，在该区域中，可以将流动建模为进入具有变窄的颈部的管道的理想化几何形状的流体，以更好地理解所观察到的现象，如图9A和图9B所示。半径开始于hi并且减小到ho，然后扩大回到hi。根据伯努利方程，这将导致狭窄部分中的速度相应增加，从而导致减小的压力或者吸力Fv，其可以使用伯努利方程来建模。当移动的地面将流体拖入间隙(即库爱特流动)时，边界层增强了这种效果。

[0093] 上述升力和吸(即文氏)力彼此相对并且其强度随间隙变化而变化，随着间隙距离的增加，升力比文氏力消失得更快。在受到净升力的较小距离与受到净吸力的较大距离之间，存在在竖直的z方向上作用在航行器上的力为净零的平衡点。换言之，假设航行器是中性浮力的，则存在FL等于Fv的点。例如，如实施方式中更详细地描述的，可以使用ε＝h/c将ε的值分解为图20和图21所示的以下区域：对应于ε≤0.01的区域a，其中由航行器的横向移动产生正升力；对应于0.01≤ε≤0.3的区域b，其中由航行器的横向移动产生负升力(即吸力)；在区域a与区域b之间的ε＝0.01附近发生净零地面效应力；以及对应于ε≤0.3的区域c，其中地面效应力不再发生。地面效应力的总体大小也可能随着航行器速度的增加而增加。除了上述之外，对于各种ε值，可以存在升力相对于间隙距离的负斜率。此外，应当理解，由于航行器相对于表面的横向移动，由于大小、形状、速度和流动模式等等的变化的影响，任何数量的不同比率都能够提供负斜率。如前所述，可以利用力与间隙距离之间的这种响应来创建航行器相对于表面的一个或更多个稳定平衡位置。当然，还可以构想由于使用其他类型的地面效应力而在所提及的ε范围之外的稳定平衡点上运行的航行器，因为本公开内容不对此进行限制。

[0094] 鉴于上述情况，由于航行器在任何数量的不同的ε值的情况下相对于表面的横向移动，航行器可以相对于用于生成地面力的表面一定距离处运行。然而，在一个实施方式中，航行器可以以小于或等于约0.3、0.1、0.05、0.01或者任何其他合适值的ε值运行。相应地，航行器可以以大于或等于约0.001、0.005、0.01、0.05或者任何其他合适值的ε值运行。考虑到以上的组合，包括但不限于包括约0.001与0.3之间或者等于约0.001或0.3。当然，还构想了航行器在大于和小于上述值两种情况的不同范围内的运行，特别是当使用不同尺寸的航行器、以不同速度运行和/或使用不同形式的地面效应力时的航行器的运行。

[0095] 在不希望受理论束缚的情况下，使用航行器相对于表面的横向移动生成的地面效应力的大小随着航行器速度的增加而增加。因此，增加航行器的速度将增加施加到航行器上的所施加的升力和/或吸力。因此，可以控制航行器的速度以平衡作用在航行器上的一个或更多个其他力，或者可以控制速度以使航行器在朝向或者远离产生所述地面效应力的表面的期望方向上偏移。除了上述之外，如果航行器位于地面效应力相对于间隙距离的变化为负的区域中，则改变航行器的速度也可以改变航行器相对于表面从第一位置到第二位置的稳定平衡位置。

[0096] 在一个实施方式中，航行器的上述控制参数可以与包括表面如平坦壳体部分的航行器结合。此外，该表面可以包括具有如先前所述的期望感测范围的一个或更多个传感器。平坦壳体部分可以在期望的扫描方向或者移动方向上具有适当的弦长和足够的推进量，以在航行器相对于表面横向移动时在传感器的期望感测范围内产生至少一个稳定平衡地面效应高度。当然，还可以构想弦长和推进能力被选择为提供相对于表面的其他期望位置处的稳定平衡位置的实施方式。

[0097] 在另一实施方式中，使用地面效应力控制航行器的定位的方法包括：使用朝向航行器所在位置附近的所关注的表面定向的一个或更多个喷射器在航行器上产生地面效应力。如下面进一步详细描述的，并且在不希望受理论束缚的情况下，与一个或更多个冲击在表面上的射流(jet)相关联的地面效应力是传统润滑理论在小间隙处的组合。然而，随着到地面的距离的增加，地面造成的升力损失(即吸力)开始占主导地位，这将航行器向较小的间隙处拉回。因此，在小距离到中等距离处存在关于喷射器的稳定平衡点。随着间隙的进一步增加，来自上洗流的升力增加将航行器推开，直到施加到航行器的推力等于自由流中的推力为止，也可以利用这一点来创建航行器相对于地面的另一个稳定平衡点。下面参照附图进一步描述这些个体现象。

[0098] 图10A示出了航行器2的一个实施方式，航行器2包括与压力源16流体连通的入口18，压力源16例如离心式或者其他合适类型的泵或者涡轮机。压力源包括与在一些实施方式中位于航行器的壳体的平坦部分的中心的中心推进器10的通道。特别地，推进器相对于平坦壳体部分竖直向下定向。除了导致航行器的净重W(实际重量减去浮力)之外，还导致向航行器施加的向上的推力T。航行器被描绘为从任何相关联的表面被移除，因此不包括作用在其上的任何地面作用。

[0099] 图11A示出了位于表面的距离h内的航行器。取决于推进器10的特定距离和尺寸，不同类型的地面效应力可以以不同的间距起主导作用。如图所示，从推进器10朝向表面100流动的射流产生由三种不同种类的流体流动主导的三个不同的所关注区域。如上针对上述横向移动，有助于表征哪种特定类型的流体流动和所产生的地面效应力主导的两个参数包括特征间隙长度ε＝h/c，其中h为间隙高度，并且c为相关联的表面的特征体长度或弦长。另一个参数是距地面的距离h与推进器直径d的比率，其由η＝h/d给出。下面进一步描述附图中所示的不同的所关注区域。

[0100] 首先，在第一区域中，当航行器的底部表面——例如平坦的底部壳体部分6——与表面100接触并且推进器10被开启时。当接触时，由于表面阻塞了来自推进器的流，因此流想要流出但是无法流出。在针对给定开口尺寸的特定压力下，压力产生升力Lf，升力Lf大到足以使本体升高到足以释放压力的最小距离，参见图31中的区域1。然后在航行器的下方产生薄膜。这有点类似于气浮滑块(slider)或者通过平行盘的径向流动，其中主体保持处在厚度为0.5mm与4mm之间或者等于0.5mm或4mm、1mm与2mm之间或者等于1mm或2mm或者任何其他适当的流体膜厚度的低速流体薄膜上的相对于表面的稳定平衡距离处。此外，还构想了取决于推进器强度和尺寸以及航行器尺寸的具有大于或小于上述厚度的厚度的流体膜。这种现象通常称为由于流体膜形成的润滑理论，并且在不希望受理论束缚的情况下，只要流可以被近似为惯性力小于粘性应力的低雷诺数层流，该解释就是有效的。

[0101] 当间隙距离h增加到第二区域时，参见图31中的区域2，航行器的升力经受急剧的损失，即随着间隙距离的增加，升力的变化为负。在不希望受理论束缚的情况下，这是由于来自推进器10的射流与平行于表面并且辐射出的流动的壁射流一起撞击在表面100上，从而在航行器下方产生低压区域。该低压区域导致强吸力LS。这种抽吸效应取决于接近地面的程度与喷嘴直径η＝h/d的比率以及喷嘴压力比(NPR)即喷射器滞止压力与环境压力之比。因此，在靠近表面的同时，可以预期地面的存在将在大于流体膜距离的距离处提供额外的升力，可能会遇到强大的下吸力或者负压区域。例如，对于η≤0.3，可以看出，从航行器辐射出的流在前缘处保持附接到主体，导致间隙内的小的地面涡流，这生成随着高度增加而降低的负压。还可以从以下事实来理解η≥0.3时的吸力：主射流连同壁射流夹带航行器本体下方的流体，使航行器下方的水加速，从而在航行器的上侧与下侧之间产生负压差，这导致航行器下方的低压区域以及相应的升力急剧下降。然而，随着相对于地面的高度的增加，涡流消失，压差达到零。区域。

[0102] 除了上述η和NPR之外，认为影响造成的升力(正的或负的)的其他参数为喷射器结构以及向地面的射流冲击角度。

[0103] 对于与第三区域对应的较大的间隙距离h，下吸力减小，并且来自冲击在表面上的射流的喷泉上洗流开始主导地面力，参见图31中的区域3。具体地，冲击在表面上的射流向上反射离开地面而朝向航行器底部表面。这种效应通常被称为喷泉效应，其在航行器的底面上产生正压力，增加了作用在航行器的壳体的底部部分朝向表面定向的升力Lf。然而，由于较强的吸力使航行器更接近地面，所以喷泉效应被相对快速地抑制。此外，随着间隙的增加，喷泉效应最终衰减为零，导致以较大间隙距离将自由流推力施加到航行器。应该注意的是，对于撞击在表面上的单个射流和多个射流都观察到了喷泉效应。此外，应该注意的是，喷泉效应也许不能克服下面示例中所示的低速射流的下吸力。因此，在该第三区域中正升力的存在可能取决于具有足够推进能力的推进器，其产生足够大的喷泉效应以克服主导区域2中的地面效应力的相关联的下吸效应。

[0104] 鉴于上述，在一个实施方式中，与压力积聚和薄的流体膜对应的区域1可以表现出包括0.08与0.6之间或者等于0.08或0.6的η；与下吸对应的区域2可以表现出包括0.6与64之间或者等于0.6或64的η；以及与喷泉上洗流对应的区域3可以表现出包括64与200之间或者等于64或200的η。当然，预期区域3可能在某些情况下向下延伸至大于或等于32的η。在约1mm、100mm和500mm处观察到相应的稳定平衡点。此外，应该理解，上面确定的值用于特定的航行器，并且由于与这些区域相关联的η值针对不同航行器尺寸、推进器速度、设计和操作参数而变化，因此对于每个区域还可能发生大于和小于上述值的值。

[0105] 图11B示出了当射流朝向相邻表面定向时作用在航行器上的各种力。如图所示，航行器包括净重W(实际重量减去浮力)、朝向表面向下作用在航行器上的抽吸力Ls、相对于平坦底部壳体部分6向上定向的推力T以及来自所述喷泉效应的升力Lf。如图31a所示，在两个位置处的力相对于间隙距离方面，包括施加在航行器上的推力和地面效应力的合成力相对于间隙尺寸即与相应表面的距离的斜率具有负变化，这表明航行器相对于表面存在两个稳定平衡位置。首先，对于小的间隙(即小的η)，航行器的下吸和净重可以被航行器的推力和升力平衡，以将航行器保持在平衡位置。在相当于航行器的大小的数量级或更大的第二稳定平衡位置处，航行器的净重被推力加上喷泉上洗流再减去变弱的下吸力而平衡。与上述类似，在两个稳定平衡位置处，间隙距离的向上扰动减小了升力Lf的贡献，而间隙距离的向下扰动增加了升力Lf。因此，地面力随着距离变化而改变，使航行器朝向期望的平衡位置自动地偏移。然而，这种情况发生的具体距离取决于推进器速度或射流速度。因此，可以增加或减小推进器速度以相应地增加或减小每个第二稳定平衡位置的间隙距离。值得注意的是，位于较大间隙尺寸(即更大的η)的第二平衡位置具有较小的斜率，因此允许平衡位置的变化比位于更靠近表面的平衡位置的变化更大。另外，为了足够低的速度，由于通过吸力效应来克服喷泉效应，因此第二稳定状态可能消失。

[0106] 如前所述，除了推进器直径的相互作用之外，在一些实施方式中，比率ε＝h/c还可以影响航行器经受的平衡距离。例如，虽然稳定平衡距离可以基于速度、推力、航行器大小和形状等而改变，但是这些地面效应力可能导致ε值对应于距表面约0.5至1.5倍的本体长度的较低的稳定平衡位置以及ε值对应于距表面约4至10倍的本体长度的较高的稳定平衡位置。然而，同样，由于航行器的设计和/或操作的变化，还构想了这些范围的更大和更小的不同值。

[0107] 虽然以上描述了用于创建和控制各种类型的地面效应力的两种单独的方法，但是应当理解，这些方法可以单独使用或组合使用，因为本公开内容不对此进行限制。例如，航行器相对于表面的一个或更多个稳定平衡位置可以通过将浸没在流体中的航行器的净重与施加到航行器的远离表面的净推力以及由航行器相对于表面的横向移动产生的地面效应力和/或朝向表面定向的产生下吸和/或喷射上洗流的一个或更多个推进器进行平衡来产生(取决于推力方向和/或大小，可以是正的或负的)。此外，可以改变航行器相对于表面的速度、推力的大小和/或航行器的浮力，以改变所得到的航行器的稳定平衡位置。

[0108] 鉴于上述情况，航行器的各种实施方式可以包括在任何数量的位置处以及在各种方向上定向的推进器。例如，图12A和图12B示出了航行器的一个实施方式，该实施方式包括向上离开壳体的平坦底部部分6定向的推进器。航行器还包括一个或更多个横向定向的推进器8b和8c，其可以在平行于壳体的平坦底部的方向上向航行器施加推力，尽管还可以施加成角度的横向推力。中心推进器10以及位于中心推进器的相对侧上的两个推进器12相对于壳体的平坦底部部分垂直向下定向。使用流体连接到未示出的入口的适当的压力源16将压力施加到这些推进器。压力源与控制器20电连通，该控制器20控制压力源和各种相关联的推进器的操作。

[0109] 图13A和图13B示出了航行器2的替选实施方式，航行器2包括位于壳体的平坦底部部分6上的相对于中心推进器10径向向外定位的推进器。在该实施方式中，围绕中心推进器的推进器成角度地向下并且横向向外离开垂直穿过壳体的平坦底部部分的中心的轴线。这种配置可以有助于航行器相对于表面的横向稳定性。在又一替选实施方式中，参见图14A和图14B，位于壳体的平坦底部部分且从中心推进器10径向向外的推进器向下成角度并且向内朝向垂直穿过壳体的平坦底部部分的中心的轴线，以增强喷射器撞击在表面上导致的喷泉效应。在一些实施方式中，在壳体的平坦部分上向下和横向向内定向的推进器中的一个或更多个推进器以及在一些情况下所有的推进器指向点20。

[0110] 虽然在上图中示出了连接到各种推进器的简单的泵，但是应当理解，压力源16可以对应于泵、涡轮机、螺旋桨、蓄能器、阀、分配歧管和/或其他适当的液压部件的任何适当的组合，应为本公开内容不对此进行限制。

[0111] 如图15至图18所示，有时航行器2的位置附近的表面100以不同于竖直向上的取向布置，如在任何数量的检查处理中可能发生的。例如，除了如对于海床可以预期的那样竖直向上定向以外，表面可以如对于船体的底部可以预期的那样竖直向下和/或以任何角度定向。因此，在一些实施方式中，包括壳体的平坦底部部分的航行器可以能够以任何期望的取向定向，以将壳体6的平坦部分与对应的所关注的表面对准。对航行器进行定向的能力可以以任何适当的方式来实现。然而，在一个实施方式中，航行器通过调节航行器重心的位置来定向。这种可变重心可以以任何数量的方式提供，包括但不限于位于航行器内部的可移动重物或压舱物。可替代地，可以通过改变航行器内的浮心来控制航行器的取向。这可以以任何适当的方式来实现，包括但不限于使用位于被淹没的航行器内的各种位置处的一个或更多个可选择性充气的气囊或者可选择性浸入的隔室。

[0112] 在上述实施方式中，航行器可以首先朝着所关注的表面定向。然后，如果希望保持航行器相对于该取向的表面的位置，则航行器相对于表面横向移动和/或将推力指向表面同时将相应的推力施加到航行器以使航行器朝向所关注的表面偏移。相应地，可以在朝向表面定向的方向上将基本上净零力施加到航行器，以在期望的位置处产生稳定平衡位置。例如，可以在朝向表面定向的方向上使航行器净重、朝向和远离表面的两种推力以及相应的地面效应之和平衡。当然，施加到航行器的地面效应力包括来自使航行器相对于表面横向移动的分量和/或施加朝向表面定向的推力。此外，随着间隙尺寸的增加，得到的与表面对准的力的变化可以为负，以确保当距离被改变时使航行器朝向期望位置偏移。然而，还构想了力相对于间隙大小的变化为正的操作模式。

[0113] 已经描述了各种控制方法和航行器配置，在图19中描述了用于控制航行器相对于表面的方法的一个实施方式。在该图中，在200处，航行器被操纵、定向和/或以其他方式定位在相对于表面的第一预选距离处。在202处，航行器然后相对于表面横向移动和/或施加朝向表面的推力以生成一个或更多个地面效应力，所述一个或更多个地面效应力随后影响航行器的动力。在204处，航行器净重(即航行器重量减去浮力)被施加到航行器的推力平衡，该推力与所产生的地面效应力一起朝向和/或远离表面定向。如前所述，发生施加到航行器的朝向表面定向的净零力处的距离可以是稳定平衡点。此外，在一些实施方式中，相对于表面的预选距离对应于稳定平衡位置，如上所述，该稳定平衡位置可以由航行器的形状、航行器相对于表面的横向速度、推进器直径以及来自朝向表面定向的推进器的撞击在表面上的射流的大小来控制。

[0114] 一旦相对于表面适当地定位，就实现了控制回路。在206处，一个或更多个传感器感测航行器的底部表面与被检查表面之间的距离。在208和212处，如果航行器处于距相对于表面的第一预选距离的阈值距离内，则保持与地面效应力相关的各种参数，这就使用现有的流体动力来提供航行器关于稳定平衡位置的自动控制。然而，如果航行器处于距相对于表面的预选距离的期望阈值距离之外，则在210处可以改变向航行器施加相对于表面的推力和/或控制地面效应力的一个或更多个参数，例如横向速度和/或朝向表面定向的推力大小。然后，这些被改变的力使航行器朝向相对于表面的期望的第一预选距离偏移。适当的阈值距离将取决于具体应用。然而，在一些实施方式中，适当的阈值距离可以基于绝对距离阈值或者基于航行器的尺寸及其所应用的应用的阈值。例如，可以选择将传感器维持在期望感测范围内的阈值。

[0115] 在214处，在一些情况下，可能期望将航行器移位到相对于表面的不同的第二预选距离，如在使用具有不同期望感测范围的不同传感器时的情况。在216处，如果需要这样的调节，则可以控制施加到航行器的相对于表面的推力和/或相关的地面效应力以将航行器移动到第二预选距离，第二预选距离同样也可以对应于稳定平衡位置，尽管还构想了使用反馈回路来简单控制这样的第二位置的情况。例如，在一个实施方式中，可能需要改变所施加的朝向表面定向的推力，以使航行器从可能适合于近距离传感器的更接近表面的稳定平衡点朝向更适合于使用摄像机或其他较远距离传感器对表面进行视觉检查的更远的稳定平衡点移动。在218处，在任一情况下，一旦航行器处于期望感测范围内，一个或更多个传感器就可以感测与该表面相关的信息。在220处，如果对表面的检查未完成，则控制回路继续进行。可替代地，一旦检查完成，就可以操纵航行器离开表面并且以任何其他适当的方式来控制，参见202。

[0116] 除了改变与航行器相关联的各种推力和地面效应力以外，在一些实施方式中，还可以改变流体内的航行器的净重以帮助控制航行器的位置。例如，航行器可以具有由一个或更多个可膨胀气囊、可填充腔室和/或能够改变航行器在流体内的浮力的任何其他适当布置提供的可变浮力。

[0117] 包括用于实现这些方法的控制器的各种控制方法和系统的上述实施方式可以以任何数量的方式配置。例如，控制器可以对应于可以被配置成与存储器相关联的任何合适的处理器或者一组处理器的任何适当的计算装置，无论是设置在单个计算装置中还是分布在多个计算装置中。这样的处理器可以被实现为集成电路、集成电路部件中的一个或更多个处理器，包括本领域已知的市售的集成电路部件，例如CPU芯片、GPU芯片、微处理器、微控制器或者协处理器。可替代地，处理器可以实现为定制电路如ASIC或者对可编程逻辑器件进行配置而产生的半定制电路。作为另一替选方案，处理器可以是较大的电路或半导体器件的一部分，无论是市售的、半定制的还是定制的。作为具体示例，一些市售的微处理器具有多个核，使得这些核中的一个或者子集可以构成处理器。尽管如此，可以使用任何适当格式的电路来实现处理器。此外，应当理解，计算装置可以以多种形式中的任何一种来实现，例如通过系绳或者无线地连接到航行器的计算装置，包括但不限于机架安装的计算机、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能电话、单独的定制设计的控制装置或者任何其他适当的计算装置。另外，计算装置可以与航行器直接集成，在这种情况下，航行器可以是自主的和/或可以被配置成接收和执行以无线方式或者通过系绳接收的命令。

[0118] 此外，本文中概述的各种方法或处理可以被编码为软件，该软件可以在使用各种操作系统或平台中的任一种的一个或更多个处理器上执行。此外，这样的软件可以使用许多合适的编程语言和/或编程工具或脚本工具中的任何一种来编写，并且还可以被编译为在架构或者虚拟机上执行的可执行机器语言代码或者中间代码。

[0119] 在这方面，所公开的实施方式可以被实施为计算机可读存储介质(或者多个计算机可读介质)(例如，计算机存储器、一个或更多个软盘、致密盘(CD)、光盘、数字视频盘(DVD)、磁带、闪速存储器、现场可编程门阵列或者其他半导体器件中的电路配置或者其他有形计算机存储介质)，该计算机可读存储介质被编码有一个或更多个程序，在航行器上执行所述一个或更多个程序时实现如上所述的各种方法和处理。从前述示例中明显的是，计算机可读存储介质可以保留信息达足够的时间以提供非暂态形式的计算机可执行指令。这样的计算机可读存储介质或媒介可以是可传输的，使得存储在其上的一个或更多个程序可以被加载到一个或更多个不同的计算机或者其他处理器上以实现如上所述的本发明的各个方面。如本文中使用的术语“计算机可读存储介质”仅包含可以被认为是制造(即，制品)或者机器的非暂态计算机可读介质。可替代地或者附加地，本发明可以被实现为不是计算机可读存储介质的计算机可读介质如传播信号。

[0120] 术语“程序”或“软件”在本文中的使用在一般意义上指任何类型的计算机代码或者一组计算机可执行指令，其可以用于对计算装置或者其他处理器进行编程以实现如上所述的本发明的各个方面。另外，应当理解，根据本实施方式的一个方面，在执行所公开的方法时执行的一个或更多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化方式分布在许多不同的计算机或处理器中以实现本公开内容的各个方面。

[0121] 计算机可执行指令可以是许多形式，例如由一个或更多个计算机或者其他装置执行的程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或者实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，程序模块的功能可以根据需要在各种实施方式中进行组合或者分布。

[0122] 上述用于航行器的控制方法和结构可以在许多不同的应用和环境情况下实现。例如，虽然以下描述的实施方式在理想化条件和/或静止的水中进行，但是本文中描述的方法和载体可以在静止条件或者湍流条件下实现，如在海洋中可以预期的那样，尽管使用了适当的控制和/或反馈回路。

[0123] 示例：对引起地面效应力的横向移动的模拟

[0124] 为了探索流体流动对本文中描述的航行器的影响，使用标准CFX即ANSYS的标准静态CFD软件来模拟航行器周围的流动。对于以0.5m/sec移动的模拟航行器，雷诺数为约40,000，基于此选择了κε湍流模型。在航行器与相应表面之间的间隙区域中使用细(高密度)网格。使用标准的默认设置对剩余的容积进行了网格划分。网格质量通过增加网格密度进行测试，直到密度(节点数)增加一倍而导致升力和牵引力的变化小于10％为止。浮力不被包括在内。

[0125] 以5mm为单位进行的模拟确认了与横向横贯表面的航行器相关联的预期流动和压力模式。具体地说，航行器下方的高速度导致压力下降。然而，在y方向上的流动的泄漏导致了流速大小在到达出口之前迅速消失。这种不均匀的流动和压力分布导致后方的压力高于前方，导致下俯力矩。然而，可以通过底部的设计以及通过对压力射流的主动控制来实现零俯仰。

[0126] 除了确认流动模式和动力学外，还计算了预期的升力和吸力。参考图20和图21，模拟结果确定了使用ε＝h/c的三种流动模式：

[0127] 1)在具有正升力的区域(a)中ε≤0.01；

[0128] 2)在具有负升力的区域(b)中0.01≤ε≤0.3；以及

[0129] 3)在地面效应力不再发生的区域(c)中ε≥0.3。

[0130] 图20和图21示出了航行器以各种间隙长度以0.5m/sec的速度移动的模拟结果。在非常接近于表面的低于2mm(区域a)处，存在作用在航行器上的升力。航行器稳定在2mm处，所有的力平衡。在2mm以上(区域b)，文氏力将航行器拉向地面，但是在50mm左右存在第二平衡点。然而，这是不稳定的平衡点(即正斜率)。因此，如果航行器移位离开平衡点，则航行器将继续远离平衡点，因为地面效应力不会使航行器偏移回去。在50mm以上时，再次出现净升力，在本体平滑地过渡到自由流行为时该净升力延伸到很大的距离。

[0131] 从区域(a)Fz>0(升力)到区域(b)Fz<0(吸力)的过渡发生在Fz＝0的2mm附近。该点处的负斜率使其成为稳定平衡位置。具体地说，正的z位移导致Fz<0，而负的位移导致Fz>0。因此，航行器返回到Fz＝0点。相反，在50mm左右的Fz＝0点处，正的z位移导致正的Fz，推动航行器进一步远离，并且相应地，负的z位移导致负的Fz，其将航行器进一步向下吸。2mm处的力的消失与大的负梯度(即大的恢复力)相结合是特别有用的，因为这可以允许航行器使用单独的流体动力学稳定在小间隙处。

[0132] 图22示出了在从0.4m/sec至1m/sec的速度范围下以1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、5mm和6.5mm处运行的CFD模拟。观察到升力为v2，如对湍流的预期那样。牵引力(未示出)也随着v2而变化。因此，为了建模的目的，使用与速度无关的牵引力系数和升力系数来代替力相对于速度。

[0133] 示例：稳定性分析

[0134] 虽然航行器在其平衡点处是稳定的，但在某些情况下，理想的是知道航行器在自我校正的同时可以忍受的z上的最大扰动。图24呈现了质量m为2.2kg以0.5m/sec的相对于表面横向移动的航行器的计算速度和位移的曲线图。模型中使用的恢复力为：

[0135]

[0136] 该系统被建模为具有等于恢复力的弹簧常数k的弹簧质量系统。因此，共振频率被计算如下。

[0137]

[0138] 然后航行器经受距平衡1mm的位移。该图示出了在被缓慢地阻尼并且航行器自动返回到平衡位置时，在零附近震荡的位移和速度。

[0139] 如果航行器被扰动而具有速度vz，则所给予的动能1/2mvz2将导致航行器移动距离h'，其中动能等于所存储的势能1/2kh'2。如果在不超过间隙距离的情况下所给予的动能大于可以被存储的势能，

[0140]

[0141] 则可能导致航行器接触表面，除非向航行器施加主动推力。这可能是可以在从稳定平衡位置被扰动时用于确定何时主动控制航行器的概念。例如，上述关系可以重新排列以提供。

[0142] |vz|＞ωh

[0143] 因此，如果航行器在相对于表面的特定位置处的固有频率乘以间隙距离小于航行器速度相对于表面的大小，则可以将主动推力施加到航行器以使航行器偏移朝向期望的位置，以抵消速度并且避免触底。可替代地，可以使用该关系而不是高度来确定何时向航行器施加主动推力以将航行器保持在期望位置的阈值距离内。

[0144] 示例：尺寸效应分析

[0145] 接下来研究了尺寸对受地面效应力的航行器的动力学影响。对于该模拟，与正常的1x尺寸的航行器相比，所有尺寸都被缩放了常数1/2和2。图25和图26呈现了不同大小的航行器在0.5m/s和1.0m/s的无量纲的升力系数CL。从图中，CL呈现为ε的函数，但是几乎与尺寸和速度无关。在较高速度和尺寸下观察到的CL偏差可以对应于从层流到通过间隙的湍流的过渡。使用适当的缩放因数，这意味着航行器的力与质量的比率随着尺寸的增加而降低。然而，如果间隙也被缩放，则航行器可以经受的最大速度扰动与尺寸无关。此外，共振频率由于尺寸较大而下降，允许控制系统有更多的时间进行响应。此外，呈现为地面效应力和相关联的斜率也随着尺寸的增加而增加，这表明可能也希望增加航行器的相应的平衡间隙。

[0146] 示例：对横向移动引起的地面效应力的测试

[0147] 图23呈现了使用连接到充水拖桶(tow tank)内的ATI力和扭矩传感器的空心钢杆来悬挂的航行器的实验升力数据。在距离台面(table)1mm、1.5mm、2mm、5mm和6.5mm的间隙以及自由流中进行各种测试。试验速度从0.1m/sec变化到1m/sec，加上静止。牵引力和升力二者都被测量并且与图22所示的CFD结果进行比较。图23呈现了所测量的升力减去自由流力，以利于与相应的CFD数据进行比较。使用力相对于速度的二次拟合来来叠加所测量的来自不同速度和间隙的实验数据点。图23中最显著的特征是1mm间隙处的特别是在1m/sec速度下的升力。然而，对于所有速度，力都相当小。在1.5mm以上处，发生负升力(文氏效应)。在超过6mm处，这种负力开始消失。图27呈现了使用二次拟合来叠加的不同间隙和速度下的牵引力Fx的相应实验数据。

[0148] 图28和图29呈现了根据CFD计算的牵引系数和升力系数与上述实验数据的比较，这些数据是一致的。

[0149] 示例：用于测试引起地面效应力的射流的航行器

[0150] 航行器具有椭球形壳体，该壳体具有位于航行器的中心底部的单个5mm直径的圆柱形喷嘴。在内部安装有以0V至12V供电的简单离心泵，流经过短管(15mm长度)通向喷嘴。泵的电压相对于流的特性如图30所示。泵的有效工作区域为3V至12V，在12V处具有30kPa的最大机头(head)压力。对于这些实验，航行器在水下的净浮重为3gf(克力)或者0.03N。在自由流中，射流产生0.0007N(3V下)与0.036N(12V下)之间的力。因此，存在一个而且只有一个设置，其中射流推力单独准确地抵抗来自重物的向下的力。这是用于远离表面的任何深度的平衡条件。这里的行为与中性浮力的本体的行为相似。因此，推力的小的增加导致航行器升高，而推力的小幅度下降导致航行器下沉。因此航行器处于中性平衡状态。

[0151] 示例：对引起地面效应力的射流的测试

[0152] 图31呈现了对于在12V(即0.036N)下工作的泵的升力与距表面的间隙距离。如图所示，航行器从基于流体膜的行为过渡，其中压力在航行器下方积蓄到大于区域1至区域2中的自由流推力的水平，其中射流造成的升力损失开始主导以减小升力，直到达到最大下吸力为止。喷泉效应然后开始主导，导致升力增加到大于区域3中的自由流推力。然后升力在自由流条件下以更大的距离衰减到自由流推力。

[0153] 示例：对引起地面效应力的射流的模拟

[0154] 由于润滑理论相对好理解，所以模拟被限制为向下朝向水下环境中的表面定向射流的湍流模型，这有点类似于垂直和起飞和着陆模拟。该模型使用CFX、ANSYS的标准静态CFD软件来设置。湍流由κ-ε模型处理。网格使用用于高级尺寸功能的“相邻和曲率(Proximity and Curvature)”来生成，导致航行器底部周围的网格密集，特别是在接近于表面时。泵由管道顶部的入口表示，其中入口流量被设定为与上述泵的测量特性相匹配。模拟确认了分别在100mm和20mm的间隙尺寸下对应于全电力(12V)的流量的下吸现象。具体来说，观察到了本体下方的预期向下的流以及形成地面涡流的本体下方的用于小间隙的低压区域二者。模拟还确认，来自冲击在表面上的射流的上洗流改变方向并且从航行器的底面的边缘逸出，从喷泉效应引起观察到的附加升力的增大。

[0155] 图32呈现了对于施加到泵的不同电压计算的升力与相对于表面的间隙距离以及相应的不同的射流速度。如图所示，升力曲线表现出类似于图31所示的行为。然而，随着电压降低，即较低的喷射速度，峰值喷泉效应力稳定地降低，并且移动到更小的间隙尺寸，直到喷泉效应在足够低的电压/速度下被吸力主导。图32呈现了对于施加到泵的范围在5V与10V之间以1V递增的不同电压测量的净升力与相对于表面的间隙距离的类似的数据。

[0156] 注意，图32包括用于改变浸没在水中的电缆长度(用于泵的电力)的校正。然而，电缆的刚度不被包括在模型中。因此，虽然与测量定性一致，但是用模型计算的随着泵的电力而变化的距离处的稳定平衡与所测量的稳定距离和所预期的对应电压无法定量一致。

[0157] 示例：测量航行器稳定点

[0158] 将净重3gmf的航行器放置在2英尺的水的水槽的地板上。因为本体比水重，所以本体与水槽底部表面保持接触。当以3伏特为底部喷射器供电时，航行器仍然保持与表面接触。随着电压的升高，航行器倾向于摇动，这可以被解释为是由于两个表面的匹配不完美造成的。流体从喷嘴中渗出并且在航行器下方形成膜。当航行器被轻轻敲击时，这是明显的。随着喷射器被关闭，航行器几乎不会移动。相比之下，随着喷射器被供电，航行器顺利移动并且达相当长的距离，这示出了润滑理论的简单示范，在润滑理论中润滑流体和传播介质都是水。

[0159] 接下来，将航行器附接至力传感器并且悬挂在5英尺深的水槽的地板上方。超声波测距仪用于测量航行器与地面之间的距离。在地板上方4.5英尺处，泵被以10V供电，射流的推力平衡了机器人的重量，即力传感器读取到零。为了检查航行器行为是否被地面效应主导，将航行器降低到4英尺深，同时保持以10V为泵供电。航行器在该高度处保持中性平衡，表明地面不是主导因素。然而，在3.5英尺处，航行器受到向上的力而被推回到4英尺。此外，当再次将航行器放置在4.5英尺处并且将电压降低到8伏特时，航行器如预期的那样开始下沉，但是随后稳定在3.5英尺处。随着电压进一步下降，航行器相应地沉降到相对于表面的新的稳定平衡点。这被观察到下降至4V，在这种设定下，航行器稳定为距表面2英尺。这些测量被重复超过5遍。所测量的稳定平衡点相对于泵电压的关系如图34所示。此外，使用泵特性计算每个电压下的自由流推力，然后将其用于计算每个稳定点处的相应的上洗流力，然后将其标准化为推力，如图35所示。

[0160] 示例：控制推进器设计

[0161] 图36和图37描绘了具有平坦底部的尺寸为203mm×152mm的椭球体航行器的推进器布局。结果长宽比约为4:3，这可以提高航行器的可控性。当然，可以将尺寸调节得更小或更大，以容置各种类型的电子器件和传感器。如图所示，航行器具有6个推进器或喷射器。具体来说，有四个“推进喷射器”(J1、J2、J5、J6)和两个“压力喷射器”(J3、J4)。推进喷射器在xy平面内以γ向内成角度定向，推进喷射器决定了系统的偏航摇摆动力学。非零的γ可以有助于在不存在摩擦的情况下提高系统的可控性，尽管也可以使用零角度。为了水平表面上的稳定性，这也是最初的测试情况，航行器的重心(CG)位于浮心之下。这是通过将压舱物放置在机器人的底部来实现的。对于更复杂的情况(例如检查竖直壁或者绕管道行进)，可能需要调节如前所述的CG位置。注意，喷射器J1、J2、J5和J6可以以角度β定向，使得喷射器J1、J2、J5和J6穿过系统的CG。这可以有助于减少或者消除推力引起的航行器的俯仰。然而，摩擦或者表面曲率可能仍然需要航行器的主动俯仰控制。可以使用如图37所示的以角度α竖直向上定向的两个压力喷射器J3和J4来提供该俯仰控制。

[0162] 具有不同喷射器布置的两种航行器以与表面接触的模式进行测试，在该模式下，航行器在与表面接触的同时横贯越过表面。

[0163] 通过下述方法来测试具有两个无角度的压力喷射器和四个无角度的推进喷射器的航行器：使该航行器比中性浮力稍微重，并且将其放在水面下的水平面上。图38和图39是航行器的外部和内部的照片。在图片中，航行器具有椭球形壳体，该壳体具有平坦的底部，并且无角度的喷射器被分布在其表面周围。内部图片示出了泵、阀以及用于为四个推进喷射器供电的液压连接的布局。在测试期间，当喷射器J1和J2被开启以在水平方向上推动航行器时，航行器不是向前行进，而是遭受了下俯，并且开始转圈。在图40和图41中，当航行器偏航时，可以看到航行器以小角度θ处于下俯位置。在不希望受理论束缚的情况下，该第一航行器具有直着向外喷的喷射器，因此，力矩臂到重心的长度引起下俯力矩。来自地面接触的摩擦力也有助于下俯力矩。此外，由于航行器相对于表面的横向速度较小，所以牵引力不能补偿这种效应。因此，孟克(Munk)力矩与偶然的侧滑扰动相结合，导致了恒定的偏航率，航行器被观察到转圈。

[0164] 测试的第二个航行器也包括如上所述的推进喷射器和压力喷射器。另外，为了帮助抵消在第一航行器中观察到的由推力引起的俯仰，喷射器以角度β定向，以减小推进喷射器相对于CG的力矩臂。为了简单起见，β被选择为使得力矢量穿过航行器的估计重心，从而使得通过将喷射器放置在航行器的上半部分而引起的俯仰最小化，参见图42和图43。在测试期间，当喷射器1和2开启时，航行器不俯仰。然而，航行器由于孟克力矩而偏航。为了帮助补偿这种效应，实现了简单的PD控制器并且检查闭环响应。图44示出了在低摩擦(μk<0.3)的玻璃表面上的航行器的闭环和开环轨迹的比较。如图所示，对于给定的摩擦，简单的PD控制器能够成功地控制航向角。对于非常高的摩擦力，应该注意到，孟克力矩将面临明显的扭矩，这将大大降低偏航率。

[0165] 虽然已经结合各种实施方式和示例描述了本教导，但是本发明并不意图将本教导局限于这样的实施方式或者示例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包含各种替代、修改和等同物。因此，上述说明和附图仅为示例方式。

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