[发明专利]一种微小型水下机器人多学科优化设计方法

权利要求书

1.一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括以下步骤：

步骤一、确定微小型水下机器人的设计指标和初步设计参数，完成主要设备的选型，将机器人系统分成不同学科，并分别建立各学科的数学模型和机器人整体的运动学模型；

步骤二、完成微小型水下机器人的多学科优化，引入带有可分层的全局变量，对AAO框架进行改进，在改进的AAO框架下，构建各学科的基于试验设计的近似模型，采用组合优化算法进行多学科优化，在isight软件平台下完成优化，并得到微小型水下机器人多学科优化的可行解；

步骤三、对多学科优化得到的可行解展开性能评估，改进传统层次分析法中判断矩阵的元素比较方式进而消除由一致性引起的系统误差，之后选取合适的评价函数并合理设置函数的参数，最后在改进的层次分析法下完成机器人的性能评估并从中得到最终方案；

步骤四、依据所述最终方案，完成微小型水下机器人的三维建模，基于模型，通过仿真软件进行关于机器人的阻力、结构、操纵性的仿真验证，进而验证多学科优化设计的可行性和优越性,

在步骤二中，构建各学科的基于试验设计的近似模型，具体包括：

针对总布置学科，水下机器人稳心高的响应面近似模型如公式(2)所示：

其中，

X方向稳性校核的响应面近似模型如公式(3)所示：

针对结构学科，水下机器人耐压舱质量的响应面近似模型如公式(4)所示：

水下机器人耐压舱体积的响应面近似模型如公式(5)所示：

针对阻力学科，水下机器人整体阻力的响应面近似模型如公式(6)所示：

针对操纵性学科，水下机器人参数：水平面动稳定性系数、垂直面动稳定性系数、垂直面静不稳定性系数、水平面静不稳定性系数的响应面近似模型如公式(7)至公式(10)所示：

所述水平面动稳定性系数、垂直面动稳定性系数、垂直面静不稳定性系数、水平面静不稳定性系数均用于在软件进行优化运算时保证水下机器人稳性的约束。

2.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，其特征在于，在步骤一中，所述微小型水下机器人的设计指标包括最大工作深度、最大速度、巡航速度、巡航时间、重量、主尺度和阻力，所述微小型水下机器人的初步设计参数包括推进器参数、舵机参数、USBL参数、测高声呐参数、温盐深传感器参数和摄像机与探照灯参数。

3.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，其特征在于，在步骤一中，在确定微小型水下机器人的设计指标和初步设计参数后，建立水下机器人运动模型，包括以下步骤：

步骤一一、建立空间运动坐标系；

步骤一二、根据空间运动坐标系建立空间运动数学模型。

4.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，其特征在于，在步骤一中，分别进行阻力学科分析、结构学科分析、能源学科分析、操纵学科分析、推进学科分析和总布置学科分析，建立优化目标。

5.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，其特征在于，在步骤二中，改进的AAO算法如公式(1)所示：

其中，F(X_1n、X_2n…X_c)为改进AAO算法系统级优化目标，X_c为系统问题的全局变量，X₁、X₂、X₃分别为学科1、学科2、学科3的变量，X_1n、X_2n、X_3n…为各学科独立变量，X_c-m为系统问题中不同学科的耦合变量。