多学科设计优化方法在水下机器人设计中的应用

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题名	多学科设计优化方法在水下机器人设计中的应用
作者	谷海涛
学位类别	博士
答辩日期	2011-05-30
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	中国科学院沈阳自动化研究所
导师	林扬
关键词	水下机器人多学科设计优化系统分解水动力代理模型
其他题名	Multidisciplinary Design Optimization of Unmaned Underwater Vehicles
学位专业	机械电子工程
中文摘要	20世纪末，水下机器人（Unmanned Underwater Vehicles,UUV）的关键技术日趋发展成熟，人类在UUV科技攻关和工程应用等领域的活动规模不断扩大，技术水平不断提高。UUV在海洋开发、科学考察以及军事领域的作用日益明显，独特的技术优势和潜在的经济效益，将促使水下机器人在21世纪的人类海洋活动中获得巨大发展。 UUV是一种复杂的机械电子工程系统，涉及多个学科的理论知识和工程技术，各个学科之间互相交叉与融合，学科之间的复杂关系给UUV的设计及优化带来极大的挑战，与飞行器、舰船、鱼雷等复杂工程系统相比，UUV的总体设计优化理论尚未成熟，相关的设计知识库或经验积累并未得到系统的整理和提升，设计规范或技术标准有待建立。如何系统地把握UUV的设计活动，形成适应UUV特点的总体设计理论和优化方法，成为UUV领域亟待深入研究的课题。本文以复杂工程系统的设计理论和优化方法为借鉴，以新兴的多学科设计优化方法（Multidisciplinary Design Method,MDO）为切入点，结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研发实践经验，从系统工程的角度探讨UUV的多学科设计优化方法，重点关注UUV的概念设计和初步设计，提高初步设计的科学性和权重，借助日益成熟的数字化设计手段，引入高精度数值模拟分析技术，建立UUV设计与分析的自动化集成流程及其支撑环境，指出传统设计优化方法的局限性，阐述多学科设计优化方法的优势，将梯度寻优算法和遗传算法等应用于UUV概念设计空间的寻优搜索，以期望在初始设计阶段就为UUV的系统工程活动奠定良好的基础。本文主要研究内容如下：（1）综述UUV的发展历程与未来发展趋势，探讨UUV在发展过程中存在的问题，重点关注设计方法的发展，借鉴其它复杂工程系统的设计理论，指出UUV总体设计活动的关键环节，找出制约设计水平提升的主要问题，针对设计方法和设计手段方面的局限性，提出有效的解决方法，从而引申出本文的研究内容和意义。（2）水下机器人系统分解与学科分析研究。根据UUV系统技术特点，将学科进行划分，探讨并界定每个学科的内涵与范围，描述各个学科在不同设计阶段所扮演的角色，分析其占据的权重，指出各个学科与总体之间的关系，以及各个学科与其他学科之间的耦合关系；在完成UUV系统分解后，给出几类典型的学科分析内容和分析方法。（3）以水动力学科为重点，讨论UUV概念设计中的学科分析方法。基于计算流体动力学方法，建立了UUV的数值模拟水池，并实现了水下滑翔机器人的水动力批处理计算，降低水动力分析人员的劳动强度，提高分析效率；讨论UUV空间动力学模型及其水动力系数的辨识方法。（4）UUV设计与分析环境集成关键技术研究。对比分析几种成熟MDO集成环境特点，给出UUV常用设计软件的输入和输出接口，并以脚本语言和批处理技术为基础解决设计与分析环境的集成问题，构建UUV概念设计支撑环境。（5）综述多学科设计优化中基于高精度学科分析所带来的计算困难，介绍解决此问题的近似技术，并引伸出代理模型的思想，综述代理模型的研究与发展状况，详细讨论代理模型的构建过程，介绍试验设计理论，并探讨了各种试验设计方法在设计空间采样中的作用和选择准则，结合测试算例展示了代理模型在对未知设计空间探索中发挥的作用。（6）以水下滑翔机器人机翼设计优化问题为研究对象，建立机翼设计优化模型，实现水动力学科分析流程的自动化，以高精度计算流体动力学求解器为评价手段，研究了基于代理模型的机翼设计优化方法，完整地展示了设计优化过程，研究结果表明，设计空间的寻优效率得到较大提高，传统的梯度寻优算法和遗传算法均得以应用，对比传统设计优化方法与遗传算法之间的差异，讨论优化方法的选择策略，最后给出设计优化结果。
索取号	TP242/G65/2011
语种	中文
公开日期	2012-07-27
分类号	TP242
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/9264]
专题	沈阳自动化研究所_水下机器人研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	谷海涛. 多学科设计优化方法在水下机器人设计中的应用[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2011.