基于模糊-進(jìn)化理論的帆船運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃研究.pdf

1、帆船在海上行駛是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，要受到海浪、海風(fēng)及海流等環(huán)境條件變化的影響，是一個(gè)具有復(fù)雜環(huán)境、不完備信息的系統(tǒng)。帆船比賽是運(yùn)動(dòng)員駕駛帆船在規(guī)定的距離內(nèi)比賽航速的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。如何依據(jù)比賽時(shí)的海洋氣象信息制定最優(yōu)航行軌跡是比賽取勝的重要環(huán)節(jié)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)和智能控制方法規(guī)劃最優(yōu)航行路線，指導(dǎo)帆船運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的科學(xué)訓(xùn)練，提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)，促進(jìn)復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究，是一項(xiàng)具有實(shí)際應(yīng)用和科研價(jià)值的課題。 從優(yōu)化理論的角度來(lái)看，帆船運(yùn)動(dòng)路線的

2、規(guī)劃是一個(gè)時(shí)變、非線性、受約束、不確定性系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題，包括帆船力學(xué)特性、航行策略、航向控制、航向決策、路線規(guī)劃等一系列相互關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。 針對(duì)以上問(wèn)題，本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于模糊—進(jìn)化理論的奧運(yùn)帆船項(xiàng)目路線規(guī)劃方法的研究”的資助下，展開(kāi)基于模糊—進(jìn)化理論的帆船運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃的研究。具體的研究?jī)?nèi)容包括以下幾部分： 1.首先對(duì)帆船的船體、風(fēng)帆的受力、及帆船操縱運(yùn)動(dòng)及其干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了較詳細(xì)的綜述。 2

3、.利用流體力學(xué)原理分析風(fēng)帆、船體的受力情況及帆船運(yùn)動(dòng)情況，提出了依據(jù)風(fēng)向變化調(diào)整帆轉(zhuǎn)角，選擇帆船最佳航向的控制策略。進(jìn)行帆船行駛控制策略分析。與海浪和海流的干擾力相比，風(fēng)向和風(fēng)速的變化對(duì)帆船的航向和航速的影響最大。忽略海浪和海流對(duì)帆船行駛產(chǎn)生的擾動(dòng)影響，依據(jù)對(duì)帆船受力情況及運(yùn)動(dòng)情況的分析，建立一定區(qū)段內(nèi)航行時(shí)間最短的受約束非線性多元函數(shù)。利用約束最優(yōu)化方法，求解不同風(fēng)向時(shí)航行時(shí)間最短的轉(zhuǎn)帆角和航向角，從運(yùn)算結(jié)果中歸納出簡(jiǎn)單易行的航行策略

4、。所推導(dǎo)出的航速預(yù)測(cè)公式以及航行控制策略，是后續(xù)進(jìn)行帆船操縱運(yùn)動(dòng)智能控制以及帆船運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃研究的必備前提條件。 3.提出了一種帆船操縱運(yùn)動(dòng)的模糊自適應(yīng)控制方法。針對(duì)模糊邏輯系統(tǒng)有很強(qiáng)的知識(shí)表達(dá)能力和邏輯推理能力，但自學(xué)習(xí)能力比較差，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自學(xué)習(xí)和函數(shù)逼近方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性等特點(diǎn)，將兩者結(jié)合，提出了一種基于Sugeno模糊模型和Adaline線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的帆船自適應(yīng)控制新方法。采用Sugeno模糊模型，依據(jù)歸納出的簡(jiǎn)

5、單易行航行策略，將舵角的非線性控制局部線性化，設(shè)計(jì)相應(yīng)的局部線性控制器，通過(guò)模糊推理綜合各局部線性控制器的輸出，得到全局控制量。用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Adaline的自學(xué)習(xí)技術(shù)，獲取模糊推理規(guī)則，優(yōu)化模糊控制器的參數(shù)，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果表明：該方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)帆船航向的智能控制。該系統(tǒng)將嵌入帆船運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃的仿真中模仿一個(gè)舵手。 4.提出了帆船運(yùn)動(dòng)航向決策綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。帆船行駛過(guò)程中，帆船的當(dāng)前位置、航速和航向都是不斷變化的，

6、而且在各時(shí)刻的變化情況有很大的不確定性。引入模糊概念來(lái)表達(dá)這種不確定性。帆船行駛的方向決策需要綜合考慮行駛速度和接近目標(biāo)兩個(gè)因素，并以航道寬度為約束條件，建立航向決策綜合評(píng)價(jià)函數(shù)。這個(gè)航向決策數(shù)學(xué)模型作為帆船運(yùn)動(dòng)路線動(dòng)態(tài)規(guī)劃的理論依據(jù)。 5.針對(duì)帆船直線航行比賽的情況，提出了基于進(jìn)化規(guī)劃理論的帆船直航比賽訓(xùn)練最優(yōu)路線動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。首先基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想對(duì)最優(yōu)路線規(guī)劃方法進(jìn)行了研究，然后針對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的局部搜索效率低、收斂速度慢等

7、缺點(diǎn)提出了基于進(jìn)化規(guī)劃理論的最優(yōu)路線動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。該方法以帆船航向決策的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)為基礎(chǔ)，利用進(jìn)化規(guī)劃全局優(yōu)化搜索和函數(shù)優(yōu)化能力提高動(dòng)態(tài)規(guī)劃的局部搜索效率和準(zhǔn)確性。最后通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)兩種路線規(guī)劃方法進(jìn)行了對(duì)比，體現(xiàn)了基于進(jìn)化規(guī)劃理論的帆船行駛最優(yōu)路線動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的優(yōu)越性。 6.從工程實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，提出了一種帆船輔助訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)將利用GPS技術(shù)、GIS技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)帆船訓(xùn)練實(shí)際航