[发明专利]一种微小型水下机器人多学科优化设计方法

说明书

本发明的一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，所述优化设计方法包括以下步骤：步骤一、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，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，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，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、完成微小型水下机器人的三维建模，进行关于机器人的仿真验证。本发明解决了传统的串行设计模式中整体性较差的问题，同时也解决了现有AAO算法存在的问题。

技术领域

本发明涉及基于一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，属于水下机器人技术领域。

背景技术

在21世纪，海洋资源发挥着越来越重要的作用，加大对水下机器人的研究具有深远意义。微小型水下机器人在便携性、经济性、隐身性等方面具备独特的优势，在军民领域均具有广泛的应用前景。

水下机器人按有无缆通常分为遥控水下机器人(ROV)、无人无缆水下机器人(UUV)、自主式水下机器人(AUV)，AUV作为自主式水下机器人，先由人输入相应的程序，进而代替人完成一些人难以完成或无法完成的工作，目前已经得到了广泛的应用。在自主式水下机器人领域，微小型水下机器人以其便携式等特点，扮演着重要角色，根据行业通行标准及美国海军标准：小型水下机器人主尺度通常为2-3米，微小型水下机器人的主尺度通常小于2米。目前，如日本、英国、美国等国均设立相应机构从事(微小型)水下机器人技术的研究，这其中包括：日本东京大学水下机器人应用实验室、英国海洋技术中心、美国伍兹霍尔海洋研究所、美国海军研究所院智能水下机器人研究中心、美国麻省理工学院智能水下机器人实验室、美国佛罗里达大西洋大学高级海洋系统实验室等等。微小型水下机器人可用于海底地形测绘、对敌侦察、管道检测、水文信息检测、海洋生物检测等军事和非军事用途。在微小型水下机器人领域，机器人的姿态控制问题、航态控制问题、规划问题、水动力问题、多机器人协同问题、图像识别问题、导航问题、能源问题等方面均具备较强的研究价值。

水下机器人系统一般包含众多学科，而传统的串行设计模式中，各学科被孤立，整体性较差。因此，现急需一种微小型水下机器人多学科优化设计方法解决上述问题。

在多学科优化中，需采用基于AAO算法的优化框架。现有的传统AAO算法中存在J_s，即学科间一致性约束，这是因为工程问题中，通常会存在一个变量存在于多个学科中的情况。然而J_s的存在一方面导致系统级计算负担的增加，另一方面也存在J_s优化误差或未完全收敛而导致对整体结果的影响的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，针对传统设计模式的缺点，通过多学科优化设计方法完成微小型水下机器人的总体设计，以解决传统的串行设计模式中，各学科被孤立，整体性较差的问题，同时也解决了现有AAO算法存在的问题。

一种微小型水下机器人多学科优化设计方法，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；