一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法技术

一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法涉及无人潜航器总体设计优化领域，具体涉及一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法。一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法，包括以下步骤：(1)将整个整个水下无人航行器分解为开放式的分模块；(2)设计分系统的数学模型；(3)设计优化目标；(4)列出对应的约束条件；(5)对每一个相对独立的分系统分别进行优化，分别得到每一个分系统的优化结果，并将其目标函数传递给顶层控制层；(6)顶层控制层通过反复迭代计算进行优化，解决各个分系统间状态变量不协调的问题，得到最终的优化结果。通过优化，使水下无人航行器置空率高，外形尺寸相对合理、总重量小。

【技术实现步骤摘要】
一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法
本专利技术涉及水下无人潜航器总体设计优化领域，具体涉及一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法。
技术介绍
水下无人潜航器的总体设计是其研制过程中非常关键的环节，传统的设计方法是结合经验和实际需求，设计水下无人潜航器各个系统结构本身的变量以及最终的目标函数，通过对目标函数值的优化，得到水下无人潜航器的结构设计的优化方案，这种传统的设计方法，不仅在设计目标函数时会非常复杂，而且在优化设计结构的过程中会发现有诸多难以解决的难题以及矛盾。这是因为水下无人航行器的设计是一个多学科交叉的问题，水下无人航行器的各个组成架构之间在设计过程中存在大量耦合变量，这些耦合变量在优化过程中会一直存在，使得优化最终的目标函数值变得困难，难以得到很好的优化效果。对于采用非耐压轻外壳结构湿搭载独立承压分系统或设备的开放模块化总体结构水下无人潜航器，其设备总体布置相对灵活，有利于任务载荷功效的发挥。但对于此类结构的潜航器总体设计，存在集成度优化不高、总体尺度及排水量控制困难等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法。一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法，包括以下步骤：(1)将整个整个水下无人航行器分解为开放式的分模块，模块间功能相对独立，并根据水下无人航行器的框架，将其分为两个主要层级，第一个层级为控制层，第二个层级为水下无人航行器所包含的分系统；(2)设计分系统的数学模型；(3)根据实际需求，设计优化目标；(4)根据实际的限制，列出对应的约束条件；(5)根据最终优化目标函数，对每一个相对独立的分系统分别进行优化，分别得到每一个分系统的优化结果，并将其目标函数传递给顶层控制层；(6)顶层控制层通过反复迭代计算进行优化，解决各个分系统间状态变量不协调的问题，得到最终的优化结果，最终的优化结果应为一组Pareto均衡解，由于实际需求对置空率要求高，选取其中置空率高的一组解。步骤(1)中，开放模块化结构指各任务功能分系统、设备独立承压并根据功能、接口关系模块化集成，布置在航行器非耐压结构内，各模块间相对独立，降低总体的耦合程度；模块间能够在保持各自正常工作的同时，与其它模块进行通信以及协作。步骤(2)中，数学模型选取需要的输入变量，选取输入变量应使得各个分系统间的耦合度最低，由此得到输入变量与状态变量之间的关系，以及对应的状态约束。步骤(3)中，优化目标分别为：置空率、外形尺寸、总重量，优化过程使得置空率尽量提高、外形尺寸相对合理、总重量最小。步骤(4)中，约束条件分别为下潜深度、巡航速度、下潜时间、有效载荷、总重量、外形尺寸、浮力调节能力、纵倾调节能力。数学模型中，分系统模型中的设计变量与优化目标函数的关系，采用可变复杂度建模的方法降低设计变量的耦合造成的复杂度增加的现象。本专利技术的有益效果在于：采用开放式的分模块，模块间功能相对独立，降低总体的耦合程度；模块间能够在保持各自正常工作的同时，与其它模块进行通信以及协作。通过优化，使水下无人航行器置空率高，外形尺寸相对合理、总重量小。附图说明图1为水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法流程图；图2为水下无人航行器设计分层结构图；图3为分层优化过程的原理图；图4A为水下无人航行器主要分系统示意图；图4B为水下无人航行器截面图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。步骤一：结合图4A，水下无人航行器的开放模块式设计如下，整个水下无人航行器的外壳由高强度碳纤维制作以保护内部设备，且使用开放化设计，壳体不完全封闭。内部开放化模块采用耐压设计，能够在水下的高压下正常运行。整个系统分为艏部(bow)、舯部(mid)、艉部(stern)，每一个部分包若干开放化模块，模块间相互通信协作构成无人航行器的各个分系统。结合图2，分层时将系统顶层设置为控制层，将分系统层细分为观测通信分系统、控制分系统、有效载荷分系统、动力分系统、推进分系统。步骤二：设计分系统的数学模型，选取需要的输入变量，选取输入变量应尽量使得各个分系统间的耦合度最低，由此得到输入变量与状态变量之间的关系，以及对应的状态约束。步骤三：根据实际需求，设计优化目标，所选取的优化目标分别为：置空率、外形尺寸、总重量，优化过程使得置空率尽量提高、外形尺寸相对合理、总重量最小。水下无人航行器的置空率为：其中Vused＝Vbow+Vmid+Vstern，(Ω为水下无人航行器的闭合包络面)。水下无人航行器的总重量为：Muuv＝Mbow+Mmid+Mstern步骤四：根据实际的限制，列出对应的约束条件，选取的约束条件分别为下潜深度、巡航速度、下潜时间、有效载荷、总重量、外形尺寸、浮力调节能力、纵倾调节能力等。将设计变量的约束条件、状态变量的约束条件、目标函数的约束条件共同组成最终的约束条件：S.t.:gi(Xi,xsi)≤0,i＝1,…,N步骤五：根据步骤二中分系统模型中的设计变量与优化目标函数的关系，采用可变复杂度建模的方法降低设计变量的耦合造成的复杂度增加的现象。设fd(x)表示精确模型的分析结果，fs(x)表示简单模型的分析结果，其中比例因子为：σ(x)＝fd(x)/fs(x)，为了提高模型的精度，可采用变比例因子：σ(x)＝σ(x0)+σ′(x0)·(x-x0)，x0为迭代初始点。步骤六：结合图3，根据最终优化目标函数，对每一个相对独立的分系统分别进行优化，分别得到每一个分系统的优化结果，并将其目标函数传递给顶层控制层。步骤七：顶层控制层通过反复迭代计算进行优化，解决各个分系统间状态变量不协调的问题，得到最终的优化结果。最终的优化结果应为一组Pareto均衡解，由于实际需求对置空率要求更高，选取其中置空率相对较高的一组解。图1为整个总体设计的流程图，按照流程图进行设计分析以及迭代过程，最终得到所需的Pareto均衡解。一种开放模块化结构水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法，在总体设计过程中使用开放模块化结构设计，并对整个系统进行低耦合度的逐级分层，分解为多个分系统以及所属的总体控制层，然后对数学模型进行可变复杂度建模，设定置空率为目标函数，按照优化流程对目标函数进行反复迭代与优化，最终得到所需要的最优解。各任务功能分系统、设备独立承压并根据功能、接口关系等需求模块化集成，布置在航行器非耐压结构内，各模块间相对独立，除少数几个耦合变量外，尽量避免耦合、降低总体的耦合程度；模块间能够在保持各自正常工作的同时，与其它模块进行通信以及协作，实现最终的设计功能以及性能指标。将整个总体优化过程进行分层，分解为多个分系统以及所属的总体控制层，首先对每一个分系统分别对目标函数进行优化，然后将耦合变量传递至总体控制层，由总体控制层对耦合变量进行在各分系统之间的传递以及协调，并反复迭代进行优化。置空率为：其中Vused＝Vbow+Vmid+Vstern，(Ω为水下无人航行器的外形型线闭合包络面)。通过设定置空率为目标函数，在优化过程中将置空率提升，使得整个UUV的集成度大幅提高，使得在使用开放式模块化设计降低分系统耦合度的同时，最大化利用内部空间，提高潜航器总体性能。设fd(x)表示精确模型的分析结果，fs(x)表示简单模型的分析结果，其中比例因子为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将整个整个水下无人航行器分解为开放式的分模块，模块间功能相对独立，并根据水下无人航行器的框架，将其分为两个主要层级，第一个层级为控制层，第二个层级为水下无人航行器所包含的分系统；(2)设计分系统的数学模型；(3)根据实际需求，设计优化目标；(4)根据实际的限制，列出对应的约束条件；(5)根据最终优化目标函数，对每一个相对独立的分系统分别进行优化，分别得到每一个分系统的优化结果，并将其目标函数传递给顶层控制层；(6)顶层控制层通过反复迭代计算进行优化，解决各个分系统间状态变量不协调的问题，得到最终的优化结果，最终的优化结果应为一组Pareto均衡解，由于实际需求对置空率要求高，选取其中置空率高的一组解。

【技术特征摘要】
1.一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将整个整个水下无人航行器分解为开放式的分模块，模块间功能相对独立，并根据水下无人航行器的框架，将其分为两个主要层级，第一个层级为控制层，第二个层级为水下无人航行器所包含的分系统；(2)设计分系统的数学模型；(3)根据实际需求，设计优化目标；(4)根据实际的限制，列出对应的约束条件；(5)根据最终优化目标函数，对每一个相对独立的分系统分别进行优化，分别得到每一个分系统的优化结果，并将其目标函数传递给顶层控制层；(6)顶层控制层通过反复迭代计算进行优化，解决各个分系统间状态变量不协调的问题，得到最终的优化结果，最终的优化结果应为一组Pareto均衡解，由于实际需求对置空率要求高，选取其中置空率高的一组解。2.根据权利要求1所述的一种水下无人潜航器低耦合分层架构逐级优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述的开放模块化结构指各任务功能分系统、设备独立承压并根据功能、接口关系模块化集成，布置在航行器非耐压结构内，各模块间相对独立，降低总体的耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏瀚，田凯欣，凡浩，张勋，徐健，周佳加，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23