无人飞艇多目标概念设计优化

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1、无人飞艇多目标概念设计优化引言：在无人飞艇概念设计中采用多目标优化方法（MOO），同时考虑了气动阻力、静稳定性、性能及成本。通过MOO分析，对各专业的最优目标相互影响进行研究。MOO分析的结果表明，相应的设计不仅符合任务要求，而且体积最优，具备理想的静稳定性和性能特征。本文大部分结果均在无人飞艇的设计和制造方面得到了验证，也证明这是一种可行的设计方法。一、前言8飞艇因执行监测、侦察和通讯中继等任务的成本和性能远优于卫星而受到工业界和学术界的重视。目前飞艇设计有两种方法：一是依赖有经验的设计人员，借助专业数据库选择合适的构型、部件

2、；第二种方是借助MOO技术获得最优构型。本文对第二种方法进行阐述，该方法是在满足任务要求的前提下，优化气动阻力、静稳定性、性能指标和飞艇的几何形状。MOO方法对上述目标同时优化，帮助设计人员选择最佳构型。早期飞艇的设计重在考虑气动性能，对静稳定性和性能特征及影响制造成本因素之类的因素没有统筹、优化。本文利用MOO方法，首先考虑包含安定面和吊舱在内的完整飞艇构型，再将静稳定性、性能特征（与航程相关）及与艇体表面和体积相关的制造成本作为目标，利用几个帕累托结果来确定同时满足多目标的最优构型。在实践工作中使用建议的设计构型以验证MOO

3、概念设计方法的实用性。本文中先介绍了用于评估飞艇滑行距离的6自由度非线性模型。随后论述了将稳定性导数作为静稳定性和性能要求的方法，以及飞艇构型最优定义、使用的目标函数及设计变量，并用多目标遗传算法进行优化，最后分析了优化结果。二、问题描述设定非线性飞艇的动力方程和所用坐标系。使用此方程来计算飞艇的飞行距离。2.1飞艇模型：包含安定面和吊舱位置在内的飞艇构型见图1。根据图中所示的飞艇构型，飞艇后段安装了三个安定面。纵向操纵系统包括左右升降舵，横向操纵系统包括顶部和底部两个方向舵。2.2运动方程：根据平移运动和转动基本定律，惯性艇体

4、中刚性艇体六个自由度动力方程如下：（2.1）：该方程为重心力矩方程。进行飞行动力分析时，将飞艇假定为刚性。还要考虑附加质量和惯性影响。根据图2所示几何形状，可将重心方程转化为艇体内其他任意点。在飞艇中，该点称为浮心，用O表示。由于惯性系不能旋转，相对速度为：（2.2），对方程（2.2）微分，得出平移运动方程；（2.3），用相似步骤得出旋转运动方程（关于O点）；8（2.4），求解方程（2.3）和（2.4），得出非线性方程；（2.5），其中为反对称矩阵；（2.6），最后，通过浮心有关的流体介质得出刚性艇体6自由度非线性运动方程；（2

5、.7）气动和稳定性导数是飞艇几何外形和飞行条件的函数，可利用DigitalDatcom估算该值。上述方程可用于评估飞艇性能，如飞行距离。单位时间内的飞行距离与飞艇构型尺寸计算有着直接关系。三、稳定性导数稳定性导数对飞艇静稳定性和性能特征的确定起着关键作用。稳定性和操纵导数是飞艇构型尺寸参数和飞行条件的函数。例如，CXu太大将影响飞艇保持所需平移速度的性能，进而不能满足长航程的要求；如太小又不能满足所需静稳定性要求。在满足稳定性导数平衡条件下，采用MOO方法，对上述稳定性进行折中分析。表1概括了飞艇某些关键纵向和横向稳定性导数。四

6、、最优构型设计飞艇由艇囊升降舵、方向舵和吊舱组成，而艇囊构型，水平安定面和吊舱的参考面积和位置均在飞艇静力稳定性和性能方面起着重要作用。同时，构型尺寸和氦气重量决定了飞艇制造的主要成本。优化流程图如图3所示。8本文主要考虑以下优化目标：a）气动阻力系数为最小；b）为降低生产成本，使艇囊表面积最小，氦气量最少；c）飞艇滑行距离最优，以满足用户规定要求。在保持飞艇可接受性能的同时，对稳定性导数进行优化使飞艇避免初次扰动。须对以上目标进行优化。关于气动阻力，飞艇的气动阻力最小其中，DT为滑行距离。稳定性导数及其要满足的目标函数如表1所

7、示。设计变量规定了飞艇的几何外形，借助遗传算法可算出优化值。设计变量如图1，变化范围见表2。考虑到之前运用过的算法，借助MOO方法和采用优化目标值的方法（式（4.1）-（4.4））对飞艇几何外形参数求导。五、优化结果分析本文采用多目标遗传算法提供更多求解方案，形成Paretofront，便于选择优化方案。5.1飞艇动态参数：非线性飞艇动态模拟求解装置基于ode3，积分时间步长为1秒，模拟时间为100秒，变量如表3所示。5.2多目标优化参数：多目标遗传算法（MOGA）参数中遗传代数、截断选择、交叉概率及变异概率的值分别为1400、

8、2、0.80和0.2。5.3阻力设计：减阻是飞艇设8计的重要目标。本文中阻力目标函数（Eq.（4.1））值最小。根据图4，降低阻力系数（阻力本身）会使艇体表面积变大。所以，虽然减小气动阻力是最佳方法，但是由于艇体面积增加，减阻需要较高的生产成本。在此提出了帕累托