USV性能和協(xié)同等功能綜合最優(yōu)化及實驗驗證初步研究.pdf

1、近20年來，伴隨著無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的興起，各國開始重視并已研制出例如無人機平臺、無人地面平臺、無人水下航行器平臺和無人水面艇平臺等的多種無人系統(tǒng)。水面無人艇（USV）平臺的發(fā)展相對較晚，但是由于其是唯一一種可以在水上環(huán)境，水面環(huán)境以及水下環(huán)境使用的無人駕駛運載工具，它在無人系統(tǒng)中具有十分重要的作用。對于USV的研究，其艇型設(shè)計和艇體的流體動力學(xué)性能分析是前提，主要體現(xiàn)在快速性、操縱性、耐波性、抗傾覆性以及協(xié)同功能等多個方面。在USV的設(shè)計方

2、面，考慮到多個系統(tǒng)的相互耦合作用，采用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法，它能夠協(xié)調(diào)各系統(tǒng)之間的影響因素進(jìn)而得到較好的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，從而達(dá)到減少船舶設(shè)計周期，降低船舶設(shè)計費用等目的。
　　本文以一種新型水面無人艇為研究對象，在其艇艏安裝水翼及艇尾兩側(cè)安裝防飛濺條，并設(shè)計制作了該水面無人艇模型，然后進(jìn)行了相關(guān)模型試驗的初步研究。綜合USV性能和協(xié)同等功能的主要特性，建立了USV綜合最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合多種優(yōu)化算法及策略基于C＃程序語言設(shè)計編制了綜

3、合最優(yōu)化軟件，最后進(jìn)行了USV綜合最優(yōu)化研究。主要研究工作及分析如下：
　　（1）對遺傳、混沌和粒子群三種智能優(yōu)化算法及其并行和分層優(yōu)化策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。包括各種優(yōu)化算法的基本原理、操作步驟和優(yōu)缺點等；不同優(yōu)化策略的概念和實現(xiàn)流程等。
　　（2）完成了新型水面無人艇模型的設(shè)計和制作，首先對艇模的艇體、水翼和上層建筑等艇型部分進(jìn)行了設(shè)計制作，然后完成艇模推進(jìn)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等的設(shè)計與安裝。
　　

4、（3）開展了USV模型試驗的初步研究，包括：慣性沖程試驗、回轉(zhuǎn)試驗、橫搖和縱搖試驗。并基于系統(tǒng)辨識的思想，結(jié)合優(yōu)化算法，采用C＃程序語言分別編寫了USV回轉(zhuǎn)、橫搖和縱搖的辨識優(yōu)化軟件，從而對艇模的回轉(zhuǎn)、橫搖和縱搖試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識分析，為后面數(shù)學(xué)模型的建立提供基礎(chǔ)。
　?。?）根據(jù)影響USV性能和協(xié)同等功能的各項參數(shù)，分別建立了USV的性能優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和協(xié)同等功能優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。其中，USV的性能包含四大部分，分別為快速性能、操縱性能

5、、耐波性能和抗傾覆性能，并以兩個位置之間的路徑規(guī)劃來建立USV協(xié)同等功能優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。最后將各項性能和功能目標(biāo)函數(shù)采用冪指數(shù)乘積的形式構(gòu)造成綜合最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，再結(jié)合所有的設(shè)計變量和約束條件，最后構(gòu)建了USV的綜合最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。
　　（5）結(jié)合優(yōu)化算法及策略和USV綜合最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，在Microsoft Visual Studio2010平臺上利用C＃程序語言編制了USV綜合最優(yōu)化軟件，然后對USV進(jìn)行綜合最優(yōu)化計算及分析，包