一种水下无人航行器的能耗优化方法技术

本发明专利技术属于水下无人航行器能耗优化技术领域，公开了一种水下无人航行器的能耗优化方法，包括构建用于优化分配燃料电池系统内部各燃料电堆的输出功率的第一模型，使得在预设的燃料电池系统的输出功率下，燃料电池系统的等效瞬时氢耗最小；构建用于优化分配UUV混合动力系统内燃料电池系统和蓄电池系统的输出功率的第二模型，使得在预设的UUV的航速下，UUV混合动力系统的等效瞬时氢耗最小；构建用于规划UUV航行路径的第三模型，使得在预设的UUV的航速下，UUV的等效氢耗最小；联合求解第一模型、第二模型、第三模型，得到UUV的航行路径和最小等效氢耗。本发明专利技术能够有效减少水下无人航行器的最小等效氢耗。

【技术实现步骤摘要】
一种水下无人航行器的能耗优化方法
本专利技术属于水下无人航行器能耗优化
，更具体地，涉及一种水下无人航行器的能耗优化方法。
技术介绍
随着世界各国对海洋资源开发与利用的日益重视，水下无人航行器(UnmannedUnderwaterVehicle,UUV)因具有自主航行能力，可以代替人类执行众多危险任务，已经成为海洋领域研究的一大热点。但UUV自身体积有限，能够携带的能源储量也有限，因此如何消耗最小的能耗代价来完成长航程任务是一个亟待解决的研究课题。在不改变UUV本身结构的前提下，可以通过制定能量管理策略和规划UUV的航行路径减少能源消耗。但现有对于UUV能耗优化的研究，要么集中于制定能量管理策略，要么集中于规划UUV的航行路径，然而UUV只能以一个速度、一个状态航行，必然需要将两者统一。目前，尚未有学者将两者结合，同时也尚未考虑利用海流的流场以减少UUV能源消耗的可能性。
技术实现思路
针对现有研究的不足及优化需求，本专利技术提供一种水下无人航行器的能耗优化方法。本专利技术提供一种水下无人航行器的能耗优化方法，包括以下步骤：步骤1：构建用于优化分配燃料电池系统内部各燃料电堆的输出功率的第一模型，使得在预设的燃料电池系统的输出功率下，所述燃料电池系统的等效瞬时氢耗最小；步骤2：构建用于优化分配UUV混合动力系统内燃料电池系统和蓄电池系统的输出功率的第二模型，使得在预设的UUV的航速下，所述UUV混合动力系统的等效瞬时氢耗最小；步骤3：构建用于规划UUV航行路径的第三模型，使得在预设的UUV的航速下，UUV的等效氢耗最小；步骤4：联合求解所述第一模型、所述第二模型、所述第三模型，得到UUV的航行路径和最小等效氢耗。优选的，所述步骤1中，所述第一模型采用如下公式表示：式中，n为燃料电堆的个数，PFC为燃料电池系统的输出功率，PFCi为第i台燃料电堆的输出功率，UFCi表示第i台燃料电堆的运行状态，i＝1,2……n；UFCi取1时，表示燃料电堆运行；UFCi取0时，表示燃料电堆停机；其中，所述第一模型的目标函数如下：式中，CFC(PFC)表示燃料电池系统的输出功率为PFC时，燃料电池系统的瞬时氢耗；fFC(PFCi)表示第i台燃料电堆的输出功率为PFCi时，第i台燃料电堆的瞬时氢耗；其中，所述第一模型的约束条件如下：PFCimin≤PFCi≤PFCimaxorPFCi＝0式中，PFCimax、PFCimin分别为第i台燃料电堆的输出功率的最大值、最小值。优选的，所述第二模型的目标函数如下：minCHPS(v)＝CFC(PFC)+CB(PB)此时，PB+PFC＝fPm(v)+PAm式中，v为UUV的航速；CHPS(v)表示UUV的航速为v时，UUV混合动力系统的等效瞬时氢耗；CB(PB)表示蓄电池系统的输出功率为PB时，蓄电池系统的等效瞬时氢耗；fPm(v)表示UUV的航速为v时，推进电机的所需功率；PAm表示UUV各种辅机设备所需总功率；所述蓄电池系统的瞬时氢耗等效为：式中，为蓄电池系统的平均充电效率，为蓄电池系统的平均放电效率，CFC-avg为燃料电堆的平均氢耗速率，PFC-avg为燃料电堆的平均输出功率；其中，所述第二模型的约束条件如下：PFCmin≤PFC≤PFCmaxorPFC＝0PBmin≤PB≤PBmaxorPB＝0vmax≤v≤vminPFC+PB＝PPm+PAm式中，PFCmax、PFCmin分别为燃料电池系统的输出功率的最大值、最小值；PBmax、PBmin分别为蓄电池系统的输出功率的最大值、最小值；vmax、vmin分别为UUV航行时航速的最大值、最小值；PPm为推进电机的需求功率。优选的，根据推进电机的历史数据拟合得到UUV的航速与推进电机的需求功率之间的对应关系。优选的，所述步骤3中，所述第三模型的目标函数如下：式中，C为UUV的等效氢耗，(i0,j0)为UUV当前时刻所在的经纬度，(i,j)为UUV下一个时刻所在的经纬度，SF为UUV的可行点集合，为UUV从(i0,j0)到(i,j)所需要消耗的液氢质量；其中，式中，为UUV从(i0,j0)到(i,j)的期间过程中，UUV的瞬时氢耗率；为UUV从(i0,j0)到(i,j)所需要的时间；其中，式中，为UUV从(i0,j0)到(i,j)的期间过程中，UUV的航速；其中，v＝vg+vc式中，v为UUV相对于陆地的航速，vg为UUV相对于水流的航速，vc为水流速度；式中，为UUV从(i0,j0)到(i,j)之间的距离。优选的，所述步骤3中，在所述UUV航行路径中，获取黑潮信息，规划选择UUV搭乘黑潮的切入点和切出点。优选的，所述步骤4中包括：利用模拟退火混合遗传算法求解所述第一模型，得到燃料电池系统内部各燃料电堆的输出功率分配策略；利用模拟退火混合遗传算法求解所述第二模型，得到UUV混合动力系统内燃料电池系统和蓄电池系统的输出功率分配策略；利用A*算法求解所述第三模型，得到基于内部能量管理和外部路径规划协同的UUV能耗优化策略。优选的，所述求解所述第一模型包括以下子步骤：获取所述第一模型中对应参数的实际数据信息，包括燃料电堆功率-瞬时氢耗曲线、燃料电堆输出功率范围；设置燃料电池系统的输出功率、初始温度、退火速度、终止温度、进化代数、种族规模、交叉概率、变异概率、字符串长度，并将所述第一模型的约束条件作为模拟退火混合遗传算法的约束条件；将燃料电池系统作为种群，将各燃料电堆的输出功率作为种群中的个体；初始化种群，随机产生电堆功率分配方案，所述电堆功率分配方案包括燃料电池系统内部各燃料电堆的输出功率的分配信息，计算所述电堆功率分配分配方案下燃料电池系统的瞬时氢耗；寻找并记录最小的燃料电池系统的瞬时氢耗及对应的各燃料电堆的输出功率；对每一代种群中的个体进行选择、交叉和变异得到新种群；计算新种群的瞬时氢耗；替换旧个体；若新种群中最佳个体的瞬时氢耗小于旧种群中最佳个体的瞬时氢耗，则用新种群替换旧种群，否则按照Metropolis规则接受新种群；降温；若满足终止条件则迭代终止，则输出燃料电池系统的功率-瞬时氢耗曲线；否则，继续进行迭代。优选的，所述求解所述第二模型包括以下子步骤：获取所述第二模型中对应参数的实际数据信息，包括燃料电池系统的功率-瞬时氢耗曲线、燃料电池系统的输出功率范围、蓄电池系统的输出功率范围、UUV航速范围；设置UUV的航速、初始温度、退火速度、终止温度、进化代数、种族规模、交叉概率、变异概率、字符串长度，并将所述第二模型的约束条件作为模拟退火混合遗传算法的约束条件；将UUV混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下无人航行器的能耗优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：构建用于优化分配燃料电池系统内部各燃料电堆的输出功率的第一模型，使得在预设的燃料电池系统的输出功率下，所述燃料电池系统的等效瞬时氢耗最小；/n步骤2：构建用于优化分配UUV混合动力系统内燃料电池系统和蓄电池系统的输出功率的第二模型，使得在预设的UUV的航速下，所述UUV混合动力系统的等效瞬时氢耗最小；/n步骤3：构建用于规划UUV航行路径的第三模型，使得在预设的UUV的航速下，UUV的等效氢耗最小；/n步骤4：联合求解所述第一模型、所述第二模型、所述第三模型，得到UUV的航行路径和最小等效氢耗。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下无人航行器的能耗优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建用于优化分配燃料电池系统内部各燃料电堆的输出功率的第一模型，使得在预设的燃料电池系统的输出功率下，所述燃料电池系统的等效瞬时氢耗最小；
步骤2：构建用于优化分配UUV混合动力系统内燃料电池系统和蓄电池系统的输出功率的第二模型，使得在预设的UUV的航速下，所述UUV混合动力系统的等效瞬时氢耗最小；
步骤3：构建用于规划UUV航行路径的第三模型，使得在预设的UUV的航速下，UUV的等效氢耗最小；
步骤4：联合求解所述第一模型、所述第二模型、所述第三模型，得到UUV的航行路径和最小等效氢耗。


2.根据权利要求1所述的水下无人航行器的能耗优化方法，其特征在于，所述步骤1中，所述第一模型采用如下公式表示：



式中，n为燃料电堆的个数，PFC为燃料电池系统的输出功率，PFCi为第i台燃料电堆的输出功率，UFCi表示第i台燃料电堆的运行状态，i＝1,2……n；UFCi取1时，表示燃料电堆运行；UFCi取0时，表示燃料电堆停机；
其中，所述第一模型的目标函数如下：



式中，CFC(PFC)表示燃料电池系统的输出功率为PFC时，燃料电池系统的瞬时氢耗；fFC(PFCi)表示第i台燃料电堆的输出功率为PFCi时，第i台燃料电堆的瞬时氢耗；
其中，所述第一模型的约束条件如下：
PFCimin≤PFCi≤PFCimaxorPFCi＝0
式中，PFCimax、PFCimin分别为第i台燃料电堆的输出功率的最大值、最小值。


3.根据权利要求2所述的水下无人航行器的能耗优化方法，其特征在于，所述步骤2中，所述第二模型的目标函数如下：
minCHPS(v)＝CFC(PFC)+CB(PB)
此时，
PB+PFC＝fPm(v)+PAm
式中，v为UUV的航速；CHPS(v)表示UUV的航速为v时，UUV混合动力系统的等效瞬时氢耗；CB(PB)表示蓄电池系统的输出功率为PB时，蓄电池系统的等效瞬时氢耗；fPm(v)表示UUV的航速为v时，推进电机的所需功率；PAm表示UUV各种辅机设备所需总功率；
所述蓄电池系统的瞬时氢耗等效为：



式中，为蓄电池系统的平均充电效率，为蓄电池系统的平均放电效率，CFC-avg为燃料电堆的平均氢耗速率，PFC-avg为燃料电堆的平均输出功率；
其中，所述第二模型的约束条件如下：
PFCmin≤PFC≤PFCmaxorPFC＝0
PBmin≤PB≤PBmaxorPB＝0
vmax≤v≤vmin
PFC+PB＝PPm+PAm
式中，PFCmax、PFCmin分别为燃料电池系统的输出功率的最大值、最小值；PBmax、PBmin分别为蓄电池系统的输出功率的最大值、最小值；vmax、vmin分别为UUV航行时航速的最大值、最小值；PPm为推进电机的需求功率。


4.根据权利要求3所述的水下无人航行器的能耗优化方法，其特征在于，根据推进电机的历史数据拟合得到UUV的航速与推进电机的需求功率之间的对应关系。


5.根据权利要求1所述的水下无人航行器的能耗优化方法，其特征在于，所述步骤3中，所述第三模型的目标函数如下：



式中，C为UUV的等效氢耗，(i0,j0)为UUV当前时刻所在的经纬度，(i,j)为UUV下一个时刻所在的经纬度，SF为UUV的可行点集合，为UUV从(i0,j0)到(i,j)所需要消耗的液氢质量；
其中，



式中，为UUV从(i0,j0)到(i,j)的期间过程中，UUV的瞬时氢耗率；为UUV从(i0,j0)到(i,j)所需要的时间；
其中，



式中，为UUV从(i0,j0)到(i,j)的期间过程中，UUV的航速；
其中，
v＝vg+vc
式中，v为UUV相对于陆地的航速，vg为UUV相对于水流的航速，vc为水流速度；



式中，为UUV从(i0,j0)到(i,j)之间的距离。


6.根据权利要求5所述的水下无人航行器的能耗优化方法，其特征在于，所述步骤3中，在所述UUV航行路径中，获取黑潮信息，规划选择UUV搭乘黑潮的切入点和切出点。


7.根据权利要求1所述的水下无人航行器的能...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯慧，陈洋洋，吴细秀，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42