[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

本發明的一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，所述優化設計方法包括以下步驟：步驟一、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，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，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，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、完成微小型水下機器人的三維建模，進行關于機器人的仿真驗證。本發明解決了傳統的串行設計模式中整體性較差的問題，同時也解決了現有AAO算法存在的問題。

技術領域

本發明涉及基于一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，屬于水下機器人技術領域。

背景技術

在21世紀，海洋資源發揮著越來越重要的作用，加大對水下機器人的研究具有深遠意義。微小型水下機器人在便攜性、經濟性、隱身性等方面具備獨特的優勢，在軍民領域均具有廣泛的應用前景。

水下機器人按有無纜通常分為遙控水下機器人(ROV)、無人無纜水下機器人(UUV)、自主式水下機器人(AUV)，AUV作為自主式水下機器人，先由人輸入相應的程序，進而代替人完成一些人難以完成或無法完成的工作，目前已經得到了廣泛的應用。在自主式水下機器人領域，微小型水下機器人以其便攜式等特點，扮演著重要角色，根據行業通行標準及美國海軍標準：小型水下機器人主尺度通常為2-3米，微小型水下機器人的主尺度通常小于2米。目前，如日本、英國、美國等國均設立相應機構從事(微小型)水下機器人技術的研究，這其中包括：日本東京大學水下機器人應用實驗室、英國海洋技術中心、美國伍茲霍爾海洋研究所、美國海軍研究所院智能水下機器人研究中心、美國麻省理工學院智能水下機器人實驗室、美國佛羅里達大西洋大學高級海洋系統實驗室等等。微小型水下機器人可用于海底地形測繪、對敵偵察、管道檢測、水文信息檢測、海洋生物檢測等軍事和非軍事用途。在微小型水下機器人領域，機器人的姿態控制問題、航態控制問題、規劃問題、水動力問題、多機器人協同問題、圖像識別問題、導航問題、能源問題等方面均具備較強的研究價值。

水下機器人系統一般包含眾多學科，而傳統的串行設計模式中，各學科被孤立，整體性較差。因此，現急需一種微小型水下機器人多學科優化設計方法解決上述問題。

在多學科優化中，需采用基于AAO算法的優化框架?，F有的傳統AAO算法中存在J_s，即學科間一致性約束，這是因為工程問題中，通常會存在一個變量存在于多個學科中的情況。然而J_s的存在一方面導致系統級計算負擔的增加，另一方面也存在J_s優化誤差或未完全收斂而導致對整體結果的影響的問題。

發明內容

本發明的目的是提出一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，針對傳統設計模式的缺點，通過多學科優化設計方法完成微小型水下機器人的總體設計，以解決傳統的串行設計模式中，各學科被孤立，整體性較差的問題，同時也解決了現有AAO算法存在的問題。

一種微小型水下機器人多學科優化設計方法，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；