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1、(10)申请公布号 CN 102486633 A (43)申请公布日 2012.06.06 CN 102486633 A *CN102486633A* (21)申请号 201010573970.2 (22)申请日 2010.12.04 G05B 13/04(2006.01) (71)申请人 中国科学院沈阳自动化研究所 地址 110016 辽宁省沈阳市东陵区南塔街 114 号 (72)发明人 俞建成 (74)专利代理机构 沈阳科苑专利商标代理有限 公司 21002 代理人 李晓光 (54) 发明名称 一种水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方 法 (57) 摘要 本发明涉及一种水下滑翔机能耗最优的运。
2、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。
3、翔机的能源利用率， 提高水下滑 翔机系统的续航能力。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页 1/2 页 2 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。
4、 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。
5、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。
6、 ： 所述 水下滑翔机系统特征函数为 ： 式中， R 为滑翔航行距离 ； EB为水下滑翔机自带电池总能量 ； 为滑翔角度 ； h 为滑翔 深度 ； U 为滑翔速度 ； EG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 EG通过以下公式得到 ： (7) 式中， () 为滑翔运动攻角 ； KL0、 KL为升力系数 ； Pv为浮力调节装置在水面以流量 qv 权 利 要 求 书 CN 102486633 A 2 2/2 页 3 工作时的功率 ； bd(h) 为浮力调节装置在水深 。
7、h 处工作时的效率 ； zG为水下滑翔机的稳心 高 ； m为水下滑翔机的总重量 ； mp为俯仰调节装置移动质量 ； Pp为俯仰调节装置以速度vp移 动质量块时的功率 ； PG为控制系统作业过程中的平均功率。 权 利 要 求 书 CN 102486633 A 3 1/5 页 4 一种水下滑翔机能耗最优的运动参数优化方法 技术领域 0001 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 0002 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。
8、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。 0003 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。
9、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 0004 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。 0005 为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是 ： 0006 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 ： 0007 输入水下滑翔机初始化。
10、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 ； 0008 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 ； 0009 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 ； 0010 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 ； 0011 将滑翔速度增加一个迭代步长 ； 0012 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 ； 0013 如果超过最大滑翔速度约束条件， 则。
11、运动参数约束条件数值中的滑翔深度增加一 个迭代步长 ； 说 明 书 CN 102486633 A 4 2/5 页 5 0014 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 ； 0015 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。 0016 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。
12、步骤。 0017 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。 0018 所述水下滑翔机系统特征函数为 ： 0019 0020 0021 式中， R 为滑翔航行距离 ； EB为水下滑翔机自带电池总能量 ； 为滑翔角度 ； h 为 滑翔深度 ； U 为滑翔速度 ； EG为水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能量。 0022 水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能量 EG通过以下公式得到 ： 0023 (7) 0024 0025 式中， () 为滑翔运动攻角 ； KL0、 KL为升力系数 ； P。
13、v为浮力调节装置在水面以流 量 qv工作时的功率 ； bd(h) 为浮力调节装置在水深 h 处工作时的效率 ； zG为水下滑翔机的 稳心高 ； m 为水下滑翔机的总重量 ； mp为俯仰调节装置移动质量 ； Pp为俯仰调节装置以速度 vp移动质量块时的功率 ； Pc为控制系统作业过程中的平均功率。 0026 本发明具有以下有益效果及优点 ： 0027 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。 0028 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。
14、机系统的续航能力。 0029 3. 具有求解过程简单、 易于实现等特点。 附图说明 0030 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 ； 0031 图 2 为本发明水下滑翔机运动参数优化方法步骤流程图 ； 0032 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。 0033 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 说 明 书 CN 102486633 A 5 3/5 页 6 0034 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 1。
15、200m、 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。 0035 表 1 实施例中水下滑翔机基本特征参数 0036 0037 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、 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。 0038 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 0039 0040 0041 0042 式中。
16、， 2Dh为一个滑翔运动周期的水平移动距离 ； () 为滑翔运动攻角 ； KD0、 KD 为阻力系数 ； KL0、 KL为升力系数 ； KM0、 KM为俯仰力矩系数 ； B 为驱动浮力。 0043 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 0044 0045 式中， Pv为浮力调节装置在水面以流量 qv工作时的功率 ； bd(h) 为浮力调节装置 在水深 h 处工作时的效率。 0046 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 0047 0048 式中， zG为水下滑翔机的稳心高 ； m 为水下滑翔机的总重量 ； mp为俯仰调节装置移 动。
17、质量 ； Pp为俯仰调节装置以速度 vp移动质量块时的功率。 0049 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 0050 说 明 书 CN 102486633 A 6 4/5 页 7 0051 式中， Pc为控制系统作业过程中的平均功率。 0052 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 0053 0054 0055 0056 定义水下滑翔机自带的电池总能量为 EB， 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 0057 0058 0059 由公式 (8) 可知， 函数 G(U， h， ) 是水下滑翔机系统特征函数， 当函数 G。
18、(U， h， ) 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 0060 J maxG(U， h， ) 0061 s.t.0 Umin U Umax 0062 0 hmin h hmax (9) 0063 0064 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。 0065 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 ： 0066 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。
19、迭代步长 ； 0067 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 ； 0068 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 ； 0069 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 ； 0070 将滑翔速度增加一个迭代步长 ； 0071 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 ； 0072 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 ； 0073 判断增加一个迭代步长后的滑。
20、翔深度是否超过允许的最大滑翔深度约束条件 ； 0074 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 说 明 书 CN 102486633 A 7 5/5 页 8 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 ； 0075 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 ； 0076 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。
21、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。 0077 所述水下滑翔机特征函数为 ： 0078 0079 0080 式中， R 为滑翔距离， EB为水下滑翔机自带电池总能量， 为滑翔角度， h 为滑翔 深度， U 为滑翔速度， EG为水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能源。 0081 水下滑翔机完成一个滑翔周期消耗的总能源 EG通过以下公式得到 ： 0082 (7) 0083 0084 式中， () 为滑翔运动攻角 ； KL0、 KL为升力系数 ； Pv为浮力调节装置在水面以流 量 qv工作时的功率 ； bd(h) 为浮力调节装置在水深 h 处工作时的效率 ； zG为水下滑翔。
22、机的 稳心高 ； m 为水下滑翔机的总重量 ； mp为俯仰调节装置移动质量 ； Pp为俯仰调节装置以速度 vp移动质量块时的功率 ； Pc为控制系统作业过程中的平均功率。 0085 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。 0086 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。 说 明 书 CN 102486633 A 8 1/4 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102486633 A 9 2/4 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102486633 A 10 3/4 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102486633 A 11 4/4 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 102486633 A 12 。