基于多目标优化的船舶航迹规划问题研究

发布时间：2020-05-06 08:19

【摘要】：水下潜器在军事领域的应用非常广泛,主要用于执行水面侦查、海面搜索、勘探、导航援助和船舶的追踪等任务。航迹规划是指在水下潜器执行任务前,遵循一定的标准,采用一定的方法规划出行驶航迹的过程,它是保证水下潜器能够安全航行和成功完成任务的重要环节。随着水下潜器工作环境越来越复杂,执行任务难度越来越高,水下潜器航迹规划逐渐向着优化多个航行原则的方向发展,成为多个约束条件,多个优化子目标的优化问题。基于上述背景,本文展开了基于多目标优化的船舶航迹规划问题研究。本文针对水下潜器在复杂场景的航迹规划问题,提出了基于多目标萤火虫算法的水下潜器航迹规划方法,并通过仿真实验验证算法的正确性和适用范围。本文首先对复杂环境下的航迹规划问题进行分析,总结出航迹规划遵循的基本原则:安全性、隐蔽性及低能耗原则;分析了影响航迹规划三项原则的内在因素和外在因素,得出水下潜器航迹规划问题是一个含有多个约束条件,针对多个相互矛盾的优化目标同时进行优化的问题,是多目标优化问题;详细介绍了多目标优化问题的基本概念,引入Pareto最优解概念,阐述了多目标优化问题的建模方法。其次,简要介绍了基本萤火虫算法的工作原理和工作流程,在其基础上,通过借助Pareto支配的概念重新定义萤火虫的亮度,使用外部档案保存算法迭代过程产生的非劣解和将重要参数调整为自适应参数等方法,将基本萤火虫算法扩展为多目标萤火虫算法。仿真实验结果表明,多目标萤火虫算法对普遍的多目标优化问题具备良好的优化能力,且优化结果要优于多目标粒子群算法。然后,通过建立环境模型和航迹编码方式的环节,将多目标萤火虫算法与水下潜器的航迹规划问题相结合;通过确定能耗、安全度、隐蔽度的评价方式等环节确立目标函数,将多目标萤火虫算法应用于大范围复杂环境下水下潜器三维航迹规划问题。最后,设置多个不同复杂程度的水下潜器航迹规划场景,利用本文提出的方法在各个场景中进行仿真实验,实验结果表明此方法可有效解决复杂环境场水下潜器航迹规划问题。
【图文】：

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哈尔滨工程大学硕士学位论文1kfree iiC C Constrain== 中： ( 1,2,..., )iConstrain i = k表示约束条件的集合。水下潜器的多目标航迹规划问题就可理解成，在安全航行区域freC置到目标位置航迹点集合，求得一组可保证水下潜器完成作战任务以二维环境举例,航迹规划如图 2.1 所示，S 为航迹起始点，G 为航为不可行区域。

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可能造成敌方声纳误判潜器位置的情况器隐蔽性的水下潜器的自身因素深度值越大，下潜得越深，隐蔽性也就会越高，功率更高。辐射的噪声种类很多，包括机械部件传输噪声，频率和强度各不相同，传播距离也不相同，声呐易就能被探测到，它减少了水下潜器的隐蔽，声是由水下潜器在水下潜器上的各种机械设备的行能耗目标器能耗的环境因素洋里存在很多的海流，有时空变化连续，运动规流前行会消耗额外的能源，顺流前行则会减少响。此外，水下潜器的横向力将偏离预定的导航迹
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941;TP18

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