[發明專利]一種微小型水下機器人多學科優化設計方法

有效

• 申請號: 202011064774.2
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112199792B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 張國成;祁彧;孫玉山;王占緣;柴璞鑫;羅孝坤
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06T17/00;G06F111/04;G06F111/06;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

1.一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，其特征在于，所述優化設計方法包括以下步驟：

步驟一、確定微小型水下機器人的設計指標和初步設計參數，完成主要設備的選型，將機器人系統分成不同學科，并分別建立各學科的數學模型和機器人整體的運動學模型；

步驟二、完成微小型水下機器人的多學科優化，引入帶有可分層的全局變量，對AAO框架進行改進，在改進的AAO框架下，構建各學科的基于試驗設計的近似模型，采用組合優化算法進行多學科優化，在isight軟件平臺下完成優化，并得到微小型水下機器人多學科優化的可行解；

步驟三、對多學科優化得到的可行解展開性能評估，改進傳統層次分析法中判斷矩陣的元素比較方式進而消除由一致性引起的系統誤差，之后選取合適的評價函數并合理設置函數的參數，最后在改進的層次分析法下完成機器人的性能評估并從中得到最終方案；

步驟四、依據所述最終方案，完成微小型水下機器人的三維建模，基于模型，通過仿真軟件進行關于機器人的阻力、結構、操縱性的仿真驗證，進而驗證多學科優化設計的可行性和優越性,

在步驟二中，構建各學科的基于試驗設計的近似模型，具體包括：

針對總布置學科，水下機器人穩心高的響應面近似模型如公式(2)所示：

其中，

X方向穩性校核的響應面近似模型如公式(3)所示：

針對結構學科，水下機器人耐壓艙質量的響應面近似模型如公式(4)所示：

水下機器人耐壓艙體積的響應面近似模型如公式(5)所示：

針對阻力學科，水下機器人整體阻力的響應面近似模型如公式(6)所示：

針對操縱性學科，水下機器人參數：水平面動穩定性系數、垂直面動穩定性系數、垂直面靜不穩定性系數、水平面靜不穩定性系數的響應面近似模型如公式(7)至公式(10)所示：

所述水平面動穩定性系數、垂直面動穩定性系數、垂直面靜不穩定性系數、水平面靜不穩定性系數均用于在軟件進行優化運算時保證水下機器人穩性的約束。

2.根據權利要求1所述的一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，其特征在于，在步驟一中，所述微小型水下機器人的設計指標包括最大工作深度、最大速度、巡航速度、巡航時間、重量、主尺度和阻力，所述微小型水下機器人的初步設計參數包括推進器參數、舵機參數、USBL參數、測高聲吶參數、溫鹽深傳感器參數和攝像機與探照燈參數。

3.根據權利要求1所述的一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，其特征在于，在步驟一中，在確定微小型水下機器人的設計指標和初步設計參數后，建立水下機器人運動模型，包括以下步驟：

步驟一一、建立空間運動坐標系；

步驟一二、根據空間運動坐標系建立空間運動數學模型。

4.根據權利要求1所述的一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，其特征在于，在步驟一中，分別進行阻力學科分析、結構學科分析、能源學科分析、操縱學科分析、推進學科分析和總布置學科分析，建立優化目標。

5.根據權利要求1所述的一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，其特征在于，在步驟二中，改進的AAO算法如公式(1)所示：

其中，F(X_1n、X_2n…X_c)為改進AAO算法系統級優化目標，X_c為系統問題的全局變量，X₁、X₂、X₃分別為學科1、學科2、學科3的變量，X_1n、X_2n、X_3n…為各學科獨立變量，X_c-m為系統問題中不同學科的耦合變量。