基于蝙蝠算法的水下潜器航路规划方法研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:naizhi1006
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航路规划,是实现水下潜器自主控制与运动的关键技术之一,其主要任务是在环境已知或者部分已知的情况下,在规划区域内,按照一定的优化准则,使水下潜器避开环境中的禁航区域,搜索从起始位置到目的位置的最优或者次优航路。航路规划,实际上是一种典型的优化搜索问题。  蝙蝠算法是近年来提出的一种元启发式优化方法。目前,已被广泛地应用于科学计算和工程设计等优化问题。实践结果表明,蝙蝠算法能够较好地求解非线性、高维度、多约束等复杂优化问题。本论文在真实的三维海底地形环境下,开展基于蝙蝠算法的水下潜器航路规划方法研究,论文主要研究工作如下:  1、介绍了原始蝙蝠算法的仿生学原理、数学模型和实施流程。针对蝙蝠速度和位置更新方式的不同,分别定义了模型1和模型2蝙蝠算法,利用特征值方法,对蝙蝠算法的收敛性进行了理论分析。证明了模型1蝙蝠算法不收敛,模型2蝙蝠算法在一定条件下收敛,并给出了模型2蝙蝠算法的参数选取范围。最后,对测试函数的仿真对比实验,进一步验证了理论推导的正确性。  2、就种群规模、惯性权重、脉冲响度因子和脉冲速率因子等参数,对蝙蝠算法的性能影响进行了数值仿真分析,给出了各个参数的最优取值。  3、针对原始蝙蝠算法不收敛,局部搜索策略中没有考虑搜索区域的大小,以及算法缺乏变异策略,导致群体多样性不高,易被局部最优解吸引,搜索效率低等缺点。本文引入惯性权重,重新定义蝙蝠速度更新公式,吸取差分进化算法中变异操作的思想,重新定义局部搜索策略,以及引入突变扰动等,提出了一种新的基于差分进化的改进蝙蝠算法。对几个经典测试函数的仿真对比实验,结果表明相对于原始蝙蝠算法,本文改进的蝙蝠算法,求解精度更高、收敛速度更快。  4、通过将电子海图水深数据栅格化和插值处理等,构建出真实的三维海底地形,实现对航路规划空间的建模。深入分析了海洋环境信息对水下潜器航行的影响,对航路规划中的评估函数进行了设计。在改进蝙蝠算法的基础上,综合考虑海洋环境信息,设计了一种基于差分进化蝙蝠算法的水下潜器航路规划方法。针对不同的测试环境进行仿真实验,仿真结果表明本文设计的航路规划方法,具有较强的环境适应能力,能够正确、有效地规划出航路。最后,对原始蝙蝠算法和改进蝙蝠算法,进行仿真对比实验,测试结果表明改进蝙蝠算法,求解精度更高、收敛速度更快、规划航路更优。
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