现代优化理论的水面无人艇综合性能优化设计分析
摘 要摘 要近几十年来，世界各国对海洋资源的争夺和开发越演越烈。水面无人艇因其快速高效、无人及机动性性强而越来越受到科研界的重视和研究，能够广泛运用于海洋资源探测，气候监测以及水面战场情报收集。但目前各国对无人艇的研究大多专注于控制模块和功能模块，艇型的设计以传统船舶为基础，依靠经验判断进行艇型设计及验证，设计周期长，且较难得到最优艇型。本文以1.5m水面无人水翼艇模型为基础，利用多目标寻优方法对艇型进行优化设计分析。本文是以艇体舭部加装飞溅条的1.5m无人水翼艇模型为基础，基于现代优化理论，利用多目标优化方法，通过理论分析和实验计算数据建立了无人水翼艇水动力分析数学模型和综合性能优化目标函数。再比较粒子群算法、遗传算法、混沌算法和复合形算法的各优缺点，选定以粒子群算法为基础，对其进行改进，构造了并行粒子群算法以及分层粒子群算法、分层粒子群遗传算法、分层粒子群混沌算法和分层粒子群复合形算法，基于VC++改编了无人艇综合性能优化程序，利用计算机程序对无人艇的快速性、操纵性和耐波性进行多目标优化计算。在利用优化程序进行计算时，选取粒子群算法分别探讨了不同迭代次数、不同飞行速度界限、不同变权重上下限以及不同目标函数权重配置对优化结果的影响。最终选取分层不并行粒子群算法作为本文最终优化算法，经过计算得到无人艇综合性能最优主尺度、艇型参数及推进系统等参数。本文为水面无人水翼艇的艇型设计提供了一种新的优化设计分析方法，为无人艇的初步设计提供了参考。关键词：水面无人艇；综合性能；多目标优化；粒子群算法；分层并行 目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 USV的总体介绍 1
1.3 USV的国内外研究现状 2
1.3.1水面无人艇研究现状 2
1.3.2 无人水翼艇研究现状 4
1.4 多目标优化设计研究现状 5
1.5 本文的主要研究内容 6
1.6 本课题的目的与意义 6
第二章 现代优化算法介绍 7
2.1 引言 7
2.2粒子群算法 7
2.3遗传算法 8
2.4复合形法 10
2.5混沌算法 11
2.6 分层并行算法 12
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1.4 多目标优化设计研究现状 5
1.5 本文的主要研究内容 6
1.6 本课题的目的与意义 6
第二章 现代优化算法介绍 7
2.1 引言 7
2.2粒子群算法 7
2.3遗传算法 8
2.4复合形法 10
2.5混沌算法 11
2.6 分层并行算法 12
第三章 水面无人艇综合性能优化数学模型 14
3.1 引言 14
3.2 设计变量 15
3.3目标函数 16
3.4总目标函数 19
3.5 约束条件 19
3.6 本章小结 21
第四章 水面无人艇综合性能优化分析及计算 22
4.1 引言 22
4.2综合性能优化程序 22
4.3综合性能优化计算分析 25
4.3.1不同迭代次数的优化计算 25
4.3.2不同飞行速度界限的优化计算 26
4.3.3不同变权重上下限的优化计算 29
4.3.4不同目标权重配置的优化计算 31
4.3.5并行算法的优化计算 34
4.3.6不同分层算法的优化计算 37
4.4 本章小结 42
第五章 总结与展望 43
5.1 论文工作总结 43
5.2 论文工作展望 43
参 考 文 献 45
致 谢 47
第一章 绪论
1.1 引言
地球上海洋面积是陆地面积的2倍多，在陆地开发如火如荼的进行时，海洋这块巨大的宝地也越来越得到重视，可以作为人类生活的第二陆地，同时它也蕴藏着丰富的鱼类、矿产等资源，随着人口的膨胀和科学技术的发展，全球各国争相掠夺和保护自己的海洋资源。同时21世纪是信息战的时代，未来海面战争越来越向信息化无人化方向发展，因为一些特种任务和特殊海况不适合参展人员直接参与[1]。此时水面无人艇（USV）应运而生，其高效准确，讯速方便，无人安全等特性无论在科研方面还是海上战争中都有着重要的地位，世界各国也普遍关注水面无人艇的发展。不论是在民用还是军用方面，无人艇用于执行危险的水面无人艇也越来越受到关注。为此，美国、以色列、日本等国，都在加紧研制水面无人航行器项目。
无人艇要求机动性强隐蔽性好，且要符合一般船舶最基本的操纵性，耐波性，快速效要求，而本文选择水翼艇作为研究优化对象符合以上条件，同时也会吸收其他船型不同的优点进行杂交，以最大优化目标船型。
水翼艇作为一种高性能的船型，在航行时借助水翼使船体抬升水面减小阻力，在加速阶段类似海豚跳的运动姿态。主要基于现代优化理论从其操纵性、快速效、耐波性等综合性能进行优化设计分析。本文尝试将遗传、复合、粒子群、混沌算法以及分层并行策略应用于水面无人水翼艇的航行性能综合优化计算中[2]。
1.2 USV的总体介绍
水面无人艇（简称USV）是远程操作或者无人操作的水面舰艇。一般来说是模块化集成的，主要用于军事行动以及科学研究，深入不适于人的地区进行作战或者情报收集。一般装备有智能的控制系统、距离传感器、声呐或者摄像头和武器后，在军事上利用水面无人艇可以进行水下战场情报准备、水面战场监视分析、战场感知传播等。在海洋探测方面可以获取特定的水下信息，如海底地貌、地质、水文、磁场、海洋气象等特性[3]。
水面无人艇在最近发展越来越快，尤其在美国、日本等发达国家显示出更重要的作用，逐渐在船舶研究界兴起，成为一个重要的研究课题。一般水面无人艇有体积小、机动性好、最大航速高、隐蔽性好、等优点，如果配合各种传感器及控制程序，它将具备智能识别、自动航行、及时反馈等能力。由于其综合性能好，方便快捷无人等优点，可以广泛用于军事战场、科研领域和民用市场。目前最主要的功能是近海巡逻，海底地貌探测，极端条件探测，船底探伤等[4]。由于它的种种特性，其前景广阔，更激发了各国研究者的热情。
水面无人艇是由各种不同的复杂模块构成，它综合船舶设计、智能模块控制、信息及时处理等专业技术。USV最大的特点是无人驾驶，因此在航行时，自动控制航向及时调整航速变得尤为重要，所以无人艇的综合性能优化设计分析也显得十分重要，本文主要从艇体的操纵性、耐波性、快速性等性能进行优化。
1.3 USV的国内外研究现状
1.3.1水面无人艇研究现状
水面无人艇的发展从上世纪末就开始了，各发达国家加紧对水面无人艇的研发和优化，水面无人艇与无人机，无人水下机器人等一样处于非常重要的位置。大多数是用于军事以及科研方面，其主要功能是侦察特定海域情况，能够以快速准确，隐身且无人等特点代替传统的侦查。保护部队免受非对称威胁的攻击，同时又能够进行水面情况直播、水面战场监视分析，更能以“蜂群攻击”对特定的目标快速而精确打击[5]。
水面无人艇的国外研究现状：
美国是早研究水面无人艇（USV）的国家之一，也是当今世界水平最高的国家。早在上世纪90年代美国就已研发出“遥控猎雷作战样机”并成功在波斯湾进行了海上试验。2003年美海军研发出“斯巴达侦察兵”水面无人艇，且通过换装不同的任务模块，执行多样化任务。近些年则有2011年研制出的三体快速无人侦察艇，2013年研发出双体船型CAT-Surveyo水面无人艇，用于内河以及港口水域的监视和侦察，同时陆上指挥站可通过WiFi连接对CAT-Surveyo无人水面艇中嵌入式软件进行实时控制。2014年8月美国海军在詹姆斯河进行了一次水面无人艇“蜂群”作战演示，装有CARACaS系统、故障自动防护系统的13艘包围了“可疑船只”顺利完成护航作战任务。在USV的研发方面，美国始终处于前列，世界上近半数的水面无人艇是由美国研制[6]。
2. 以色列的“银色马林鱼无人艇”与“保护者”都是众
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 USV的总体介绍 1
1.3 USV的国内外研究现状 2
1.3.1水面无人艇研究现状 2
1.3.2 无人水翼艇研究现状 4
1.4 多目标优化设计研究现状 5
1.5 本文的主要研究内容 6
1.6 本课题的目的与意义 6
第二章 现代优化算法介绍 7
2.1 引言 7
2.2粒子群算法 7
2.3遗传算法 8
2.4复合形法 10
2.5混沌算法 11
2.6 分层并行算法 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1.4 多目标优化设计研究现状 5
1.5 本文的主要研究内容 6
1.6 本课题的目的与意义 6
第二章 现代优化算法介绍 7
2.1 引言 7
2.2粒子群算法 7
2.3遗传算法 8
2.4复合形法 10
2.5混沌算法 11
2.6 分层并行算法 12
第三章 水面无人艇综合性能优化数学模型 14
3.1 引言 14
3.2 设计变量 15
3.3目标函数 16
3.4总目标函数 19
3.5 约束条件 19
3.6 本章小结 21
第四章 水面无人艇综合性能优化分析及计算 22
4.1 引言 22
4.2综合性能优化程序 22
4.3综合性能优化计算分析 25
4.3.1不同迭代次数的优化计算 25
4.3.2不同飞行速度界限的优化计算 26
4.3.3不同变权重上下限的优化计算 29
4.3.4不同目标权重配置的优化计算 31
4.3.5并行算法的优化计算 34
4.3.6不同分层算法的优化计算 37
4.4 本章小结 42
第五章 总结与展望 43
5.1 论文工作总结 43
5.2 论文工作展望 43
参 考 文 献 45
致 谢 47
第一章 绪论
1.1 引言
地球上海洋面积是陆地面积的2倍多，在陆地开发如火如荼的进行时，海洋这块巨大的宝地也越来越得到重视，可以作为人类生活的第二陆地，同时它也蕴藏着丰富的鱼类、矿产等资源，随着人口的膨胀和科学技术的发展，全球各国争相掠夺和保护自己的海洋资源。同时21世纪是信息战的时代，未来海面战争越来越向信息化无人化方向发展，因为一些特种任务和特殊海况不适合参展人员直接参与[1]。此时水面无人艇（USV）应运而生，其高效准确，讯速方便，无人安全等特性无论在科研方面还是海上战争中都有着重要的地位，世界各国也普遍关注水面无人艇的发展。不论是在民用还是军用方面，无人艇用于执行危险的水面无人艇也越来越受到关注。为此，美国、以色列、日本等国，都在加紧研制水面无人航行器项目。
无人艇要求机动性强隐蔽性好，且要符合一般船舶最基本的操纵性，耐波性，快速效要求，而本文选择水翼艇作为研究优化对象符合以上条件，同时也会吸收其他船型不同的优点进行杂交，以最大优化目标船型。
水翼艇作为一种高性能的船型，在航行时借助水翼使船体抬升水面减小阻力，在加速阶段类似海豚跳的运动姿态。主要基于现代优化理论从其操纵性、快速效、耐波性等综合性能进行优化设计分析。本文尝试将遗传、复合、粒子群、混沌算法以及分层并行策略应用于水面无人水翼艇的航行性能综合优化计算中[2]。
1.2 USV的总体介绍
水面无人艇（简称USV）是远程操作或者无人操作的水面舰艇。一般来说是模块化集成的，主要用于军事行动以及科学研究，深入不适于人的地区进行作战或者情报收集。一般装备有智能的控制系统、距离传感器、声呐或者摄像头和武器后，在军事上利用水面无人艇可以进行水下战场情报准备、水面战场监视分析、战场感知传播等。在海洋探测方面可以获取特定的水下信息，如海底地貌、地质、水文、磁场、海洋气象等特性[3]。
水面无人艇在最近发展越来越快，尤其在美国、日本等发达国家显示出更重要的作用，逐渐在船舶研究界兴起，成为一个重要的研究课题。一般水面无人艇有体积小、机动性好、最大航速高、隐蔽性好、等优点，如果配合各种传感器及控制程序，它将具备智能识别、自动航行、及时反馈等能力。由于其综合性能好，方便快捷无人等优点，可以广泛用于军事战场、科研领域和民用市场。目前最主要的功能是近海巡逻，海底地貌探测，极端条件探测，船底探伤等[4]。由于它的种种特性，其前景广阔，更激发了各国研究者的热情。
水面无人艇是由各种不同的复杂模块构成，它综合船舶设计、智能模块控制、信息及时处理等专业技术。USV最大的特点是无人驾驶，因此在航行时，自动控制航向及时调整航速变得尤为重要，所以无人艇的综合性能优化设计分析也显得十分重要，本文主要从艇体的操纵性、耐波性、快速性等性能进行优化。
1.3 USV的国内外研究现状
1.3.1水面无人艇研究现状
水面无人艇的发展从上世纪末就开始了，各发达国家加紧对水面无人艇的研发和优化，水面无人艇与无人机，无人水下机器人等一样处于非常重要的位置。大多数是用于军事以及科研方面，其主要功能是侦察特定海域情况，能够以快速准确，隐身且无人等特点代替传统的侦查。保护部队免受非对称威胁的攻击，同时又能够进行水面情况直播、水面战场监视分析，更能以“蜂群攻击”对特定的目标快速而精确打击[5]。
水面无人艇的国外研究现状：
美国是早研究水面无人艇（USV）的国家之一，也是当今世界水平最高的国家。早在上世纪90年代美国就已研发出“遥控猎雷作战样机”并成功在波斯湾进行了海上试验。2003年美海军研发出“斯巴达侦察兵”水面无人艇，且通过换装不同的任务模块，执行多样化任务。近些年则有2011年研制出的三体快速无人侦察艇，2013年研发出双体船型CAT-Surveyo水面无人艇，用于内河以及港口水域的监视和侦察，同时陆上指挥站可通过WiFi连接对CAT-Surveyo无人水面艇中嵌入式软件进行实时控制。2014年8月美国海军在詹姆斯河进行了一次水面无人艇“蜂群”作战演示，装有CARACaS系统、故障自动防护系统的13艘包围了“可疑船只”顺利完成护航作战任务。在USV的研发方面，美国始终处于前列，世界上近半数的水面无人艇是由美国研制[6]。
2. 以色列的“银色马林鱼无人艇”与“保护者”都是众
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