USV性能和协同等功能综合最优化及实验验证初步研究

摘要

近20年来，伴随着无人作战系统的兴起，各国开始重视并已研制出例如无人机平台、无人地面平台、无人水下航行器平台和无人水面艇平台等的多种无人系统。水面无人艇（USV）平台的发展相对较晚，但是由于其是唯一一种可以在水上环境，水面环境以及水下环境使用的无人驾驶运载工具，它在无人系统中具有十分重要的作用。对于USV的研究，其艇型设计和艇体的流体动力学性能分析是前提，主要体现在快速性、操纵性、耐波性、抗倾覆性以及协同功能等多个方面。在USV的设计方面，考虑到多个系统的相互耦合作用，采用多学科设计优化方法，它能够协调各系统之间的影响因素进而得到较好的优化设计结果，从而达到减少船舶设计周期，降低船舶设计费用等目的。
　　本文以一种新型水面无人艇为研究对象，在其艇艏安装水翼及艇尾两侧安装防飞溅条，并设计制作了该水面无人艇模型，然后进行了相关模型试验的初步研究。综合USV性能和协同等功能的主要特性，建立了USV综合最优化数学模型，并结合多种优化算法及策略基于C＃程序语言设计编制了综合最优化软件，最后进行了USV综合最优化研究。主要研究工作及分析如下：
　　（1）对遗传、混沌和粒子群三种智能优化算法及其并行和分层优化策略进行了详细的介绍。包括各种优化算法的基本原理、操作步骤和优缺点等；不同优化策略的概念和实现流程等。
　　（2）完成了新型水面无人艇模型的设计和制作，首先对艇模的艇体、水翼和上层建筑等艇型部分进行了设计制作，然后完成艇模推进系统、操纵系统、智能控制系统和通信系统等的设计与安装。
　　（3）开展了USV模型试验的初步研究，包括：惯性冲程试验、回转试验、横摇和纵摇试验。并基于系统辨识的思想，结合优化算法，采用C＃程序语言分别编写了USV回转、横摇和纵摇的辨识优化软件，从而对艇模的回转、横摇和纵摇试验数据进行辨识分析，为后面数学模型的建立提供基础。
　　（4）根据影响USV性能和协同等功能的各项参数，分别建立了USV的性能优化数学模型和协同等功能优化数学模型。其中，USV的性能包含四大部分，分别为快速性能、操纵性能、耐波性能和抗倾覆性能，并以两个位置之间的路径规划来建立USV协同等功能优化数学模型。最后将各项性能和功能目标函数采用幂指数乘积的形式构造成综合最优化目标函数，再结合所有的设计变量和约束条件，最后构建了USV的综合最优化数学模型。
　　（5）结合优化算法及策略和USV综合最优化数学模型，在Microsoft Visual Studio2010平台上利用C＃程序语言编制了USV综合最优化软件，然后对USV进行综合最优化计算及分析，包括：不同优化算法的计算分析、外部分层策略和并行策略对优化算法影响情况的分析以及权重对优化系统影响的讨论。通过大量的优化计算，可以得到适合该优化模型的最优方法以及各优化系统的影响情况，这为今后水面无人艇的优化设计方法研究提供一定的依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 选题的理论意义和实用价值

1.3 国内外研究现状

1.4 本论文研究工作

1.5 本章小结

第2章 多学科设计优化算法

2.1 引言

2.2 优化算法

2.3 优化策略

2.4 本章小结

第3章 USV模型设计制作与安装

3.1 引言

3.2 艇型设计与制作

3.3 推进系统设计与安装

3.4 操纵系统设计

3.5 智能控制与通信系统设计

3.6 本章小结

第4章 USV模型试验初步研究

4.1 引言

4.2 系统辨识

4.3 惯性冲程试验

4.4 回转试验

4.5 横摇、纵摇试验

4.6 本章小结

第5章 USV综合最优化数学模型

5.1 引言

5.2 响应面法的简介

5.3 性能综合优化数学模型

5.4 协同等功能优化数学模型

5.5 综合最优化数学模型

5.6 本章小结

第6章 USV综合最优化分析

6.1 引言

6.2 综合最优化软件的构造

6.3 USV综合最优化计算及分析

6.4 本章小结

总结与展望

1.论文的主要工作总结

2.论文的研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文和取得的科研成果

致谢