【摘要】：近些年,伴隨著全世界對(duì)海洋資源的探索以及海軍作戰(zhàn)的研究,對(duì)搭載設(shè)備進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)的需求也應(yīng)運(yùn)而生,無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)作為一種機(jī)動(dòng)靈活、成本低、搭載方便的新型水下裝備則可以很好地滿足對(duì)試驗(yàn)的需求。本課題針對(duì)為提供的試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)一個(gè)低成本的無人水下試驗(yàn)平臺(tái),將降低重量作為主要目標(biāo)來體現(xiàn)低成本這一目標(biāo)。主要展開了對(duì)序列二次規(guī)劃法、遺傳算法以及自適應(yīng)模擬退火算法的研究,無人水下航行器各單一系統(tǒng)的組合優(yōu)化,以及對(duì)無人水下航行器的多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)分析等方面的研究。主要研究內(nèi)容如下:首先,從無人水下航行器的優(yōu)化算法入手,研究序列二次規(guī)劃法、遺傳算法和模擬退火這三種優(yōu)化算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算流程。并且根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備,對(duì)水下無人航行器進(jìn)行建模,包括骨架結(jié)構(gòu)、電池、耐壓艙、舵機(jī)等。然后,對(duì)多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)的框架種類進(jìn)行分析和研究,綜合研究目前六種主要的多學(xué)科優(yōu)化方法,給出這些方法的計(jì)算流程,對(duì)各個(gè)方法的計(jì)算特性進(jìn)行簡要分析,側(cè)重研究協(xié)同優(yōu)化法和同時(shí)分析法的計(jì)算特性。接下來,對(duì)無人水下航行器的各個(gè)子系統(tǒng)的單系統(tǒng)優(yōu)化問題進(jìn)行分析,將無人水下航行器看做阻力、結(jié)構(gòu)、能源以及推進(jìn)四個(gè)子系統(tǒng),基于isight對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了建模與優(yōu)化分析,選擇序列二次規(guī)劃法結(jié)合多島遺傳算法以及序列二次規(guī)劃法結(jié)合自適應(yīng)模擬退火法的組合優(yōu)化方法進(jìn)行單一系統(tǒng)的優(yōu)化分析,并得出每個(gè)子系統(tǒng)更適合的組合優(yōu)化方法。最后,對(duì)無人水下航行器進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。在理解了各個(gè)子系統(tǒng)之間的互相影響和耦合關(guān)系后,對(duì)協(xié)同優(yōu)化方法和同時(shí)分析方法時(shí)的多學(xué)科優(yōu)化分析的模型進(jìn)行構(gòu)建。在兩個(gè)優(yōu)化框架下分別選用序列二次規(guī)劃法結(jié)合多島遺傳算法以及序列二次規(guī)劃法結(jié)合自適應(yīng)模擬退火法的組合優(yōu)化方法對(duì)無人水下航行器進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化分析,得出合適的優(yōu)化結(jié)果。
【圖文】：

圖 1.1 無人水下航行器分類與分級(jí)下航行器一般可以分作遙控式水下航行器（ROV）以及自主式水下種�，F(xiàn)在世界上還沒有一個(gè)通用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，被接納程度最高的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，即：微型、輕型、重型、大型以及超大型。美軍的分級(jí)依據(jù)是水下航行器的直徑范圍是 70mm 至 230mm，質(zhì)量是 45kg 以下，可以水雷等工作。輕型水下航行器直徑最大為 324mm，可以持續(xù)運(yùn)作 2完成情報(bào)監(jiān)察、水下信息采集等工作。重型水下航行器直徑最大是 53000kg，載荷較少時(shí)可持續(xù)運(yùn)作40至80小時(shí)，能夠完成戰(zhàn)術(shù)情報(bào)收集與騙取對(duì)方魚雷等武器。大型航行器直徑一般為 1000mm 左右，載荷較 100 至 300 小時(shí)，可以持續(xù)收集情報(bào)、特種作戰(zhàn)以及水下多種戰(zhàn)斗。水下航行器模塊介紹下航行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本可以看作艇體、推進(jìn)器、能源系統(tǒng)、艉舵、感設(shè)備、耐壓艙以及發(fā)射回收系統(tǒng)等部分。在艇體部分魚雷型結(jié)構(gòu)由則容易加工、發(fā)射回收簡單、更容易實(shí)現(xiàn)模塊化等優(yōu)勢(shì)，因此魚雷型

圖 1.2 無人水下航行器結(jié)構(gòu)通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要以水線以上天線高度、通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)傳遞、硬件的防水與抗壓性、硬件的額布局等四個(gè)條件為依據(jù)來進(jìn)行。無人水下航行器的結(jié)構(gòu)可以看作密封艙結(jié)構(gòu)與非水密艙結(jié)構(gòu)兩類，一般來說兩種結(jié)構(gòu)同時(shí)存在，不過比例不同。非水密艙結(jié)構(gòu)比重大時(shí)，航行器下潛深度更深，，內(nèi)部設(shè)備為水密結(jié)構(gòu)適應(yīng)水下環(huán)境，且外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維護(hù)容易不過內(nèi)部設(shè)計(jì)比較難，水密件與線纜成本高且質(zhì)量較大。1.3 UUV 的歷史及現(xiàn)狀1.3.1 UUV 歷史表 1.1 水下無人航行器發(fā)展歷程UUV 發(fā)展年限 發(fā)展內(nèi)容20 世紀(jì) 40 至 50 年代 載人水下航行器20 世紀(jì) 60 年代 代替人員進(jìn)行水下探測(cè)、沉船打撈等遙控式水下航行器（ROV）20 世紀(jì) 80 年代末 由美國高級(jí)計(jì)劃研究局提出 UUV 技術(shù)與快速樣機(jī)計(jì)劃20 世紀(jì) 90 年代 無人水下航行器被選擇處理偵查、反潛等軍事任務(wù)2005 年 1 月 美國制定了無人航行器 UUV 總體規(guī)劃
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U674.941

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本文編號(hào)：2622912