无人艇布局优化方法研究与探索

摘要

海上高速无人艇具有十分重要的军事价值，能够完成监视、情报收集、侦察、武、扫雷、装保护反潜和精确打击的任务。然而无人艇在执行任务时的可能会应对恶劣的海况、多变的运动状态，对自主控制的无人艇而言，其安全性能存在巨大挑战。提高稳性性能，避免海上无人艇高航速状态下的倾覆，是其他功能得以实施的重要保证。而当无人艇意外倾覆后，使其在有限的外界干扰或主动措施作用下恢复到正浮状态，直接关系到无人艇的生命力和战斗力。本文从总体布局优化的角度研究了无人艇外形特征和布局方案对于其抗倾覆性能和浮态自恢复性能的的影响，主要工作有：
　　 1对于粒子群算法的改进方法进行了研究，从参数改进和社会关系邻域改进两个方面对于基本粒子群算法进行改进，将改进之后的粒子群算法应用于四个典型的多目标优化问题，效果良好，验证该算法的可行性；
　　 2使用了最小功原理计算无人艇稳性和使用MAXSURF软件计算无人艇稳性两种方法，对于两种方法的计算效果、实施的简便程度及对于后继程序的计算影响进行了对比和分析，确定了使用MAXSURF软件计算无人艇稳性的方法；
　　 3使用外部特征参数化的方法提取出无人艇重要的外部特征，构造无人艇稳性预报的样本数据，使用HYDROMAX这一种简便的方法求解多种状态下无人艇的静水稳性，并使用BP神经网络和GRNN神经网络两种方法预报静水稳性，对于两种预报方法的预报效果和预报稳定性进行了比较，选取了非线性拟合效果较好的GRNN神经网络作为预报方法；
　　 4解决了基于抗倾覆性能与浮态恢复性能的无人艇布局优化问题，针对无人艇布局的特点，研究了纵向函数法的思想，并构造了无人艇的外形特征，为布局优化问题的几何条件约束提供了可靠的数学表达，使用改进的多目标粒子群算法求解无人艇布局优化问题，得到了优化之后的布局方案，证明了论文中方法的可行性；
　　 5设计并进行了无人艇高速横倾直航试验，通过对无人艇模型航行姿态、稳性的测量，调整、确定无人艇部分参数。对于无人艇的横倾直航试验进行数值验证，为总体布局优化的进一步探索提供依据。