自动投饵机器船的轨迹优化方法研究

摘要

随着人们生活水平的不断提高，水产品的需求也越来越大，我国早已成为水产品养殖、生产和消费大国，2014年全国水产品消费量大幅上升，取得了前所未有的经济效益。池塘养殖是河蟹养殖的主要的养殖方式之一。池塘养殖虽然较为便利，养殖成本也较少，但是存在着养殖分散、多数养殖户不具备水产养殖的相关专业知识，缺乏规范化、标准化的指导，从而导致养殖过程机械化程度较低、产品规格差异比较大、水质污染严重、产品安全没有保障等诸多问题。
　　本文主要介绍一种应用于河蟹养殖的自动投饵机器船，在成熟理论的指导下，通过实验数据的拟合及仿真，选择合适的算法对机器船的运动路径进行研究和优化，并通过GPS实现自主导航。目的是提高机器船投饵的均匀性和实际的工作效率。全文结构如下:
　　第一部分，主要介绍了自动投饵机器船轨迹优化研究的现实意义，对自动导航船路径优化的发展现状进行了分析，并简单介绍了本文主要的研究内容及工作安排。
　　第二部分，先从自动投饵机的投饵原理和主要技术参数出发，运用几何学和物理学的方法，建立导航船轨迹数学模型，然后对机器船运动方程、抛料盘的运动特点、饵料颗粒的运动轨迹以及饵料区域分布的特点进行分析，为后文的自动投饵机器船路径优化计算打好了基础。
　　第三部分，从理论的角度详细分析了几种比较成熟的累积速率数学模型，其次介绍了饵料分布模型的两种影响因子，并提出了射流的连续性假设和影响因素不变假设。然后通过实验模拟投饵环境，并使用MATLAB对不同断面的曲线进行最小二乘法拟合及可视化显示，最后建立实际的饵料累积速率数学模型。
　　第四部分，首先详细介绍了多目标优化问题的原理与算法，简单叙述了带约束问题的优化求解方法。然后通过线性加权法将多目标优化问题变为单目标优化的函数，最后使用乘子罚函数算法将带约束条件的问题转化为无约束条件的问题进行求解。
　　第五部分，首先提出了机器船轨迹优化问题中的约束条件以及沿指定空间路径优化设计中的一些问题，然后分析了投饵均匀性的一些影响因素和机器船轨迹优化的方法，并通过上一章介绍的算法对目标函数进行优化计算，得出最优解。最后通过实验证明了此优化路径和优化方法是实际可行的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 机器船路径优化概述

1．2．1 路径优化技术简介

1．2．2 机器人路径优化技术的发展现状

1．3 本文主要研究内容及工作安排

第2章 系统建模与运动分析

2．1 系统建模原理

2．2 自动投饵机模型

2．2．1 自动投饵机的原理与结构

2．2．2 自动投饵机的主要功能

2．2．3 自动投饵机的性能参数

2．3 相关数学模型的建立

2．3．1 机器船轨迹数学模型

2．3．2 机器船运动方程分析

2．3．3 抛料盘的结构和运动分析

2．3．4 饵料颗粒的运动分析

2．3．5 抛料区域的分析

2．4 本章小结

第3章 饵料累积速率数学模型分析

3．1 颗粒累积速率数学模型理论分析

3．1．1 理想分布模型

3．1．2 影响分布模型的因素分析

3．2 实验相关算法分析

3．2．1 离散数据分析简介

3．2．2 最小二乘法曲线拟合

3．2．3 插值算法分析与应用

3．3 饵料累积数学模型实验分析

3．3．1 饵料分布区域与采样点分布

3．3．2 实验数据分析

3．3．3 饵料累积数学模型

3．4 本章小结

第4章 优化原理与算法

4．1 优化原理概述

4．2 多目标优化问题分析

4．2．1 多目标优化数学模型

4．2．2 多目标优化问题解决方法

4．3 无约束优化问题的近似求解

4．3．1 黄金分割法(0．618法)

4．3．2 梯度法

4．3．3 牛顿法

4．4 有约束优化问题的近似求解

4．4．1 罚函数法(外点法)

4．4．2 障碍函数法(内点法)

4．5 本章小结

第5章 自动投饵机器船路径优化设计

5．1 引言

5．2 水面上机器船轨迹优化

5．2．1 优化轨迹设计问题中的约束条件

5．2．2 沿指定空间路径的优化轨迹设计问题

5．3 投饵效果影响因素及机器船轨迹优化方法

5．3．1 两个投饵行程间的位移(间距)

5．3．2 机器船轨迹优化方法

5．4 机器船路径优化计算

5．4．1 饵料质量分布数学模型

5．4．2 优化计算

5．4．3 实验验证与结论

5．5 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 本文研究总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果