CN102486633A - 一种水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法，输入水下滑翔机初始化参数；将运动参数约束条件数值中的最小值作为待优化运动参数的初始值；采用枚举计算方法分别计算出运动参数约束条件数值中所有滑翔角度条件下的G函数值；确定最大G函数值对应的滑翔角度；将滑翔速度增加一个迭代步长；如果超过最大滑翔速度约束条件，则运动参数约束条件数值中的滑翔深度增加一个迭代步长；如果超过最大滑翔深度约束条件，确定G函数值序列中的最大值，该G函数值序列中的最大值所对应的滑翔速度、滑翔深度和滑翔角度即为最优的滑翔运动参数。本发明综合优化了水下滑翔机的系统能耗特征和运动性能，提高水下滑翔机的能源利用率，提高水下滑翔机系统的续航能力。

Description

一种水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法

技术领域

本发明涉及水下机器人控制技术，具体的说是一种水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法。

背景技术

水下滑翔机是一种将浮标、潜标技术与水下机器人技术相结合而研制出的一种无外挂推进装置、依靠自身浮力驱动的新型水下机器人系统。这种新型的水下机器人其结构简单、体积小、重量轻、成本低，维护和使用方便，具有作业范围广、作业时间长、机动可控、可重复利用等特点。水下滑翔机系统是现有水下监测技术手段的有效补充，将其用于海洋环境监测可有效提高海洋环境观测的空间和时间密度。

水下滑翔机是一种自带能源、长时间作业的水下观测平台，通过优化滑翔运动参数提高系统的能源利用率，可以提高系统续航能力。为了提高水下滑翔机的续航能力，可以通过优化水下滑翔机的外形设计，降低其航行阻力；可以通过降低水下滑翔机执行机构的效率，降低功耗；还可以通过电路优化设计降低水下滑翔机控制系统功耗。当水下滑翔机系统已经开发完成后，系统的基本性能已经确定后，可以基于水下滑翔机基本运动特征优化滑翔运动参数，提高系统的能源利用率，从而提高水下滑翔机的续航能力。现有技术还没有对水下滑翔机运动参数进行优化以提高续航能力的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的还没有对水下滑翔机运动参数进行优化的方法这一不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种可提高水下滑翔机能源利用率，提高水下滑翔机续航能力的水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法在于包括以下步骤：

输入水下滑翔机初始化参数，包括水下滑翔机基本特征参数、运动参数约束条件数值、以及运动参数迭代步长；

将运动参数约束条件数值中的最小值作为待优化运动参数的初始值；

根据水下滑翔机特征函数，采用枚举计算方法分别计算出运动参数约束条件数值中所有滑翔角度条件下的G函数值；

根据计算的G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度，即为给定滑翔深度和滑翔速度条件下的最优滑翔角度；

将滑翔速度增加一个迭代步长；

判断增加一个迭代步长后的滑翔速度是否超过运动参数约束条件数值中的最大滑翔速度约束条件；

如果超过最大滑翔速度约束条件，则运动参数约束条件数值中的滑翔深度增加一个迭代步长；

判断增加一个迭代步长后的滑翔深度是否超过运动参数约束条件数值中的最大滑翔深度约束条件；

如果超过最大滑翔深度约束条件，则根据上述最优滑翔角度对应的G函数值序列，确定G函数值序列中的最大值，该G函数值序列中的最大值所对应的滑翔速度、滑翔深度和滑翔角度即为最优的滑翔运动参数，结束本次优化过程。

如果增加一个迭代步长后的滑翔深度没有超过允许的最大滑翔深度约束条件，则返回至根据G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度步骤。

如果增加一个迭代步长后的滑翔速度没有超过运动参数约束条件数值中最大滑翔速度约束条件，则返回至根据G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度步骤。

所述水下滑翔机系统特征函数为：

$R=\frac{E_{B}2h}{\tan \left|\mathrm{\γ}\right|E_G(U,h,\mathrm{\γ})}---\left(8\right)$

$=E_{B}G(U,h,\mathrm{\γ})$

式中，R为滑翔航行距离；E_B为水下滑翔机自带电池总能量；γ为滑翔角度；h为滑翔深度；U为滑翔速度；E_G为水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能量。

水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能量E_G通过以下公式得到：

$E_G(U,h,\mathrm{\γ})=\left|\frac{{2U}^2(K_{L0}+K_L\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right))}{\mathrm{\ρ}g\cos \mathrm{\γ}}\right|(\frac{P_v}{q_v}+{\mathrm{\η}}_{\mathrm{bd}}\left(h\right)h)$ (7)

$+4\frac{{\mathrm{mP}}_p}{m_p{v}_p}\left|z_G\tan (\mathrm{\γ}+\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right))\right|+\frac{{2P}_{c}h}{U\sin \left|\mathrm{\γ}\right|}$

式中，α(γ)为滑翔运动攻角；K_L0、K_L为升力系数；P_v为浮力调节装置在水面以流量q_v工作时的功率；η_bd(h)为浮力调节装置在水深h处工作时的效率；z_G为水下滑翔机的稳心高；m为水下滑翔机的总重量；m_p为俯仰调节装置移动质量；P_p为俯仰调节装置以速度v_p移动质量块时的功率；P_c为控制系统作业过程中的平均功率。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.建立了基于水下滑翔机各子单元能源消耗模型与稳态滑翔运动模型的水下滑翔机航行范围模型，综合优化了水下滑翔机的系统能耗特征和运动性能。

2.可以在不改变水下滑翔机系统结构和硬件条件下，提高水下滑翔机的能源利用率，提高水下滑翔机系统的续航能力。

3.具有求解过程简单、易于实现等特点。

附图说明

图1为本发明中水下滑翔机滑翔运动几何关系与力平衡关系图；

图2为本发明水下滑翔机运动参数优化方法步骤流程图；

图3为本发明实施例中不同滑翔速度、滑翔深度条件下优化航行范围图。

图4为本发明实施例中航行范围提高效果图。

具体实施方式

在本实施例中，以一个实际水下滑翔机为例，首先确定水下滑翔机基本特征参数如表1所示，运动参数设定范围为0＜U≤1m/s、100m≤h≤1200m、13°≤h≤89°。根据公式(9)求解最优滑翔运动参数，使得水下滑翔机系统的航行范围达到最大。

表1实施例中水下滑翔机基本特征参数

本发明将水下滑翔机各子单元的能源消耗模型与水下滑翔机稳态滑翔运动模型相结合，建立基于能源消耗的水下滑翔机航行范围模型函数。通过对滑翔角度γ、滑翔深度h和滑翔速度U三个运动参数的优化，使得水下滑翔机航行范围模型函数达到最大值，即航行范围达到最大。

根据水下滑翔机稳态滑翔运动几何关系和力平衡关系(如图1所示)，得到水下滑翔机稳态运动关系模型

${2D}_h=\frac{2h}{\tan \left|\mathrm{\γ}\right|}---\left(1\right)$

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right)=\frac{K_L}{2K_D}\tan \mathrm{\γ}(-1+\sqrt{1-4\frac{K_D}{K_L^2}\cot \mathrm{\γ}(K_{D0}\cot \mathrm{\γ}+K_{L0})})---\left(2\right)$

$U=\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}B\cos \mathrm{\γ}}{K_{L0}+K_L\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right)}}---\left(3\right)$

式中，2D_h为一个滑翔运动周期的水平移动距离；α(γ)为滑翔运动攻角；K_D0、K_D为阻力系数；K_L0、K_L为升力系数；K_M0、K_M为俯仰力矩系数；ΔB为驱动浮力。

根据水下滑翔机浮力调节装置作业过程，得到浮力调节装置的能源消耗模型

$E_{\mathrm{bs}}=\frac{P_v}{q_v}\left|\frac{{2U}^2(K_{L0}+K_L\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right))}{\mathrm{\ρ}g\cos \mathrm{\γ}}\right|+{\mathrm{\η}}_{\mathrm{bd}}\left(h\right)\left|\frac{{2U}^2(K_{L0}+K_L\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right))}{\cos \mathrm{\γ}}\right|h---\left(4\right)$

式中，P_v为浮力调节装置在水面以流量q_v工作时的功率；η_bd(h)为浮力调节装置在水深h处工作时的效率。

根据水下滑翔机俯仰调节装置作业过程，得到俯仰调节装置的能源消耗模型

$E_p=4\frac{{\mathrm{mP}}_p}{m_p{v}_p}\left|z_G\tan (\mathrm{\γ}+\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right))\right|---\left(5\right)$

式中，z_G为水下滑翔机的稳心高；m为水下滑翔机的总重量；m_p为俯仰调节装置移动质量；P_p为俯仰调节装置以速度v_p移动质量块时的功率。

根据水下滑翔机控制系统作业过程，得到控制系统能源消耗模型

$E_c=\frac{{2P}_{c}h}{U\sin \left|\mathrm{\γ}\right|}---\left(6\right)$

式中，P_c为控制系统作业过程中的平均功率。

根据上述分析，得水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能量为

$E_G(U,h,\mathrm{\γ})=E_b+E_p+E_c$

$=\left|\frac{{2U}^2(K_{L0}+K_L\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right))}{\mathrm{\ρ}g\cos \mathrm{\γ}}\right|(\frac{P_v}{q_v}+{\mathrm{\η}}_{\mathrm{bd}}\left(h\right)h)---\left(7\right)$

$+4\frac{{\mathrm{mP}}_p}{m_p{v}_p}\left|z_G\tan (\mathrm{\γ}+\mathrm{\α}\left(\mathrm{\γ}\right))\right|+\frac{2P_{c}h}{U\sin \left|\mathrm{\γ}\right|}$

定义水下滑翔机自带的电池总能量为E_B，则根据公式(1)和公式(7)得水下滑翔机滑翔航行范围模型为

$R=\frac{E_{B}2h}{\tan \left|\mathrm{\γ}\right|E_G(U,h,\mathrm{\γ})}---\left(8\right)$

${=E}_{B}G(U,h,\mathrm{\γ})$

由公式(8)可知，函数G(U，h，γ)是水下滑翔机系统特征函数，当函数G(U，h，γ)取得最大值时，水下滑翔机航行范围将达到最大值。根据水下滑翔机运动参数约束条件，得水下滑翔机能耗最优的运动参数优化技术问题定义为

J＝maxG(U，h，γ)

s.t.0＜U_min≤U≤U_max

0＜h_min≤h≤h_max        (9)

$0<{\mathrm{\&gamma;}}_{\min }\&le;\left|\mathrm{\&gamma;}\right|\&le;{\mathrm{\&gamma;}}_{\max }<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}$

通过求解公式(9)定义的优化问题，就可以求得满足能耗最优、航行范围最远的水下滑翔机运动参数。

本实施例中水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法如图2所示，包括以下步骤：

输入水下滑翔机系统初始化参数，包括基本特征参数、运动参数约束条件数值以及运动参数迭代步长；

将运动参数约束条件数值中的最小值作为待优化运动参数的初始值；

根据水下滑翔机系统特征函数，采用枚举计算方法分别计算出运动参数中所有滑翔角度条件下的G函数值；

根据G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度，即为给定滑翔深度和滑翔速度条件下的最优滑翔角度；

将滑翔速度增加一个迭代步长；

判断增加一个迭代步长后的滑翔速度是否超过运动参数约束条件数值中最大滑翔速度约束条件；

如果超过最大滑翔速度约束条件，则运动参数约束条件数值中的滑翔深度增加一个迭代步长；

判断增加一个迭代步长后的滑翔深度是否超过允许的最大滑翔深度约束条件；

如果超过最大滑翔深度约束条件，则根据上述最优滑翔角度对应的G函数值序列，确定G函数值序列中的最大值，该G函数值序列中的最大值所对应的滑翔速度、滑翔深度和滑翔角度即为最优的滑翔运动参数，结束本次优化过程；

如果增加一个迭代步长后的滑翔深度没有超过允许的最大滑翔深度约束条件，则返回至根据G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度步骤；

如果增加一个迭代步长后的滑翔速度没有超过运动参数约束条件数值中最大滑翔速度约束条件，则返回至根据G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度步骤。

所述水下滑翔机特征函数为：

$R=\frac{E_{B}2h}{\tan \left|\mathrm{\&gamma;}\right|E_G(U,h,\mathrm{\&gamma;})}---\left(8\right)$

$=E_{B}G(U,h,\mathrm{\&gamma;})$

式中，R为滑翔距离，E_B为水下滑翔机自带电池总能量，γ为滑翔角度，h为滑翔深度，U为滑翔速度，E_G为水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能源。

水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能源E_G通过以下公式得到：

$E_G(U,h,\mathrm{\&gamma;})=\left|\frac{{2U}^2(K_{L0}+K_L\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&gamma;}\right))}{\mathrm{\&rho;}g\cos \mathrm{\&gamma;}}\right|(\frac{P_v}{q_v}+{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{bd}}\left(h\right)h)$ (7)

$+4\frac{{\mathrm{mP}}_p}{m_p{v}_p}\left|z_G\tan (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&gamma;}\right))\right|+\frac{{2P}_{c}h}{U\sin \left|\mathrm{\&gamma;}\right|}$

式中，α(γ)为滑翔运动攻角；K_L0、K_L为升力系数；P_v为浮力调节装置在水面以流量q_v工作时的功率；η_bd(h)为浮力调节装置在水深h处工作时的效率；z_G为水下滑翔机的稳心高；m为水下滑翔机的总重量；m_p为俯仰调节装置移动质量；P_p为俯仰调节装置以速度v_p移动质量块时的功率；P_c为控制系统作业过程中的平均功率。

图3为本实施例采用本发明在不同滑翔速度和滑翔深度条件下优化航行范围结果图。本实施例中，当水下滑翔机以0.25m/s滑翔速度、1200m滑翔深度、15°滑翔角度滑翔运动时，水下滑翔机系统将可以获得1500km的最大航行范围。

图4为本实施例采用本发明获得的航行范围提高效率图。比较对象为在相同滑翔速度和滑翔深度条件下，采用固定20°滑翔角度滑翔运动获得的航行范围。比较结果表明，采用本发明优化获得的最优运动参数进行滑翔运动，水下滑翔机系统的航行范围将提高12％以上。

Claims (5)

1.一种水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法，其特征在于包括以下步骤：

输入水下滑翔机初始化参数，包括水下滑翔机基本特征参数、运动参数约束条件数值、以及运动参数迭代步长；

将运动参数约束条件数值中的最小值作为待优化运动参数的初始值；

根据水下滑翔机特征函数，采用枚举计算方法分别计算出运动参数约束条件数值中所有滑翔角度条件下的G函数值；

根据计算的G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度，即为给定滑翔深度和滑翔速度条件下的最优滑翔角度；

将滑翔速度增加一个迭代步长；

判断增加一个迭代步长后的滑翔速度是否超过运动参数约束条件数值中的最大滑翔速度约束条件；

如果超过最大滑翔速度约束条件，则运动参数约束条件数值中的滑翔深度增加一个迭代步长；

判断增加一个迭代步长后的滑翔深度是否超过运动参数约束条件数值中的最大滑翔深度约束条件；

如果超过最大滑翔深度约束条件，则根据上述最优滑翔角度对应的G函数值序列，确定G函数值序列中的最大值，该G函数值序列中的最大值所对应的滑翔速度、滑翔深度和滑翔角度即为最优的滑翔运动参数，结束本次优化过程。

2.按权利要求1所述的水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法，其特征在于：如果增加一个迭代步长后的滑翔深度没有超过允许的最大滑翔深度约束条件，则返回至根据G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度步骤。

3.按权利要求1所述的水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法，其特征在于：如果增加一个迭代步长后的滑翔速度没有超过运动参数约束条件数值中最大滑翔速度约束条件，则返回至根据G函数值确定最大G函数值对应的滑翔角度步骤。

4.按权利要求1所述的水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法，其特征在于：所述水下滑翔机系统特征函数为：

$R=\frac{E_{B}2h}{\tan \left|\mathrm{\&gamma;}\right|E_G(U,h,\mathrm{\&gamma;})}---\left(8\right)$

$=E_{B}G(U,h,\mathrm{\&gamma;})$

式中，R为滑翔航行距离；E_B为水下滑翔机自带电池总能量；γ为滑翔角度；h为滑翔深度；U为滑翔速度；E_G为水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能量。

5.按权利要求4所述的水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法，其特征在于：水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能量E_G通过以下公式得到：

$E_G(U,h,\mathrm{\&gamma;})=\left|\frac{{2U}^2(K_{L0}+K_L\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&gamma;}\right))}{\mathrm{\&rho;}g\cos \mathrm{\&gamma;}}\right|(\frac{P_v}{q_v}+{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{bd}}\left(h\right)h)$ (7)

$+4\frac{{\mathrm{mP}}_p}{m_p{v}_p}\left|z_G\tan (\mathrm{\&gamma;}+\mathrm{\&alpha;}\left(\mathrm{\&gamma;}\right))\right|+\frac{{2P}_{c}h}{U\sin \left|\mathrm{\&gamma;}\right|}$

式中，α(γ)为滑翔运动攻角；K_L0、K_L为升力系数；P_v为浮力调节装置在水面以流量q_v工作时的功率；η_bd(h)为浮力调节装置在水深h处工作时的效率；z_G为水下滑翔机的稳心高；m为水下滑翔机的总重量；m_p为俯仰调节装置移动质量；P_p为俯仰调节装置以速度v_p移动质量块时的功率；P_G为控制系统作业过程中的平均功率。

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