[发明专利]一种基于NSGA‑II算法的降低UUV置空率的优化方法

说明书

技术领域

本发明属于无人水下航行器整体性能分析及NSGA-II算法求解多目标的技术领域，具体 涉及一种基于NSGA-II算法的降低UUV置空率的优化方法。

背景技术

无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)是一种主要以潜艇或水面舰船 为支援平台、能长时间在水下自主远程航行的智能化装置，它可以携带多种传感器、专用设 备或武器，执行特定的使命和任务，被视为现代海军的“力量倍增器”，其军事用途已经受到 世界许多国家的广泛重视。

UUV具有活动范围大、潜水深、机动性好、智能化、运行和维护费用低等优点，作为人 类在海洋活动中，特别是深海活动中的重要替代者和执行者，已被广泛应用于科学考察、深 海作业等领域。

UUV的研制是一项综合性极强的复杂系统工程，而UUV总体综合优化设计是其研制工 程的核心和关键，在UUV的设计建造的过程中起着主导作用。运用系统工程的思想和方法， 通过减振降噪设计、航行性能设计、可靠性和维修性设计、全寿命周期费用的合理设计等， 综合平衡各种设计要素，建造出先进实用的UUV，是总体优化设计的基本任务。

目前从各国UUV艇型设计方案看，虽然开架式、多体式等多种结构形式已应用于UUV 的设计中，但空间利用率高、阻力小、速度高、制造工艺简单的流线型回转体结构仍是各国 UUV设计者的首选。目前，国内外的诸多高校及科研机构都在多学科、多目标综合优化设计 领域进行了相应的研究，并初步应用到了实际工程的问题中。在UUV设计的实际工程中， 海洋结构物设计的优化问题一般是按照顺序方式处理的，并未充分考虑各学科之间的相互联 系，所以传统的海洋结构物优化设计得到的结果往往是局部最优解，而并非全局最优解，特 别是当UUV的置空率，也就是航行器体内无效体积或航行器全排水体积过高时会降低UUV 的总体工作性能，因此，建立一种正确适用的数学模型、构造一种可靠稳定的优化方法、降 低UUV置空率达到最优是目前行业中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决多目标、多约束、多变量的实际UUV综合性能问 题且实现典型UUV结构、性能以及UUV置空率的综合优化的基于NSGA-II算法的降低UUV 置空率的优化方法。

本发明的目的是这样实现的：

对于一种基于NSGA-II算法的降低UUV置空率的优化方法，其主要实施步骤如下：

(1)建立UUV的多学科优化模型，明确优化目标函数，将UUV的总体设计进行子系 统分解，完成UUV的模型设计；

(2)确定多学科优化设计问题中包含的连续变量、离散变量，计算出目标函数，规定约 束条件；

(3)基于NSGA-II算法，根据步骤(2)中的多学科优化设计对航行器进行多学科优化， 得到UUV置空率的最优结果。

对于一种基于NSGA-II算法的降低UUV置空率的优化方法，步骤(1)的具体实施方式 如下：

(1.1)规划UUV的总体布置：计算出UUV的重力、重心、浮力和浮心，并使其满足平 衡条件；

(1.2)确定UUV构型方案，优化载体型线，明确UUV构型中需优化的各目标函数；

(1.3)确定UUV的能源系统优化方案：使用锂离子电池，在基本锂离子电池确定后优 化能源系统的续航时间、能源舱体积、重量与成本。

对于一种基于NSGA-II算法的降低UUV置空率的优化方法，步骤(1.1)中所述的重力 等于浮力，重心与浮心具有相同的横向、纵向坐标；航行器的总重力是艇上各部分重力的总 和，包括结构重量、设备重量、有效载荷、浮力材料重量等。

对于一种基于NSGA-II算法的降低UUV置空率的优化方法，步骤(1.2)中所述的UUV 构型包括流体性能学科及耐压结构设计，流体性能学科包括推进学科和阻力性能学科，耐压 结构设计包括耐压壳设计和轻外壳设计；UUV构型内容包括航行器的主尺度与航行器的外型。

对于一种基于NSGA-II算法的降低UUV置空率的优化方法，所述的步骤(2)的具体实 施方式如下：

(2.1)对UUV进行总布置设计，确定UUV的重力、重心、浮力和浮心，并使其满足平 衡条件；

(2.2)设计UUV构型，确定各构型的变量、目标函数与约束条件；

(2.3)优化能源系统中的各项分系统。

对于一种基于NSGA-II算法的降低UUV置空率的优化方法，所述的步骤(2.1)具体实 现方式如下：