本发明属于水下航行器，尤其是涉及一种水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法。
背景技术：
1、水下航行器是海洋监测的重要设备和载体，开展海洋监测技术和海洋监测设备研发具有重要意义。对于水下航行器而言，稳定和控制自身姿态是一种极为必要的能力。水下航行器无论是依赖水动力特性进行航行和控制，还是使用能够产生推力的部件进行驱动，调整自身姿态都会对其控制结果产生最直接的影响。若不能准确调节自身姿态，位置数据的测算将会出现严重的偏差，进而在大海中失去定位的方向。
2、公开号为cn115071930a的中国专利文献公开了一种适用auv无人潜航器的姿态控制与自稳机构，包括两组中部法兰环，两组中部法兰环上均固定套接有压载水仓的底部，两个压载水仓对称设置，所述压载水仓的顶部套接有端部法兰环，两个端部法兰环和两组中部法兰环通过铜柱固定连接，两组中部法兰环之间设置有上法兰环、中法兰环和下法兰环，所述端部法兰环、中部法兰环、上法兰环、中法兰环和下法兰环的偏心位置均开设有通孔，多个通孔内贯穿安装有同一个齿条一。通过调整电池包一和电池包二的位置，对无人潜航器的姿态进行稳定控制，且能够快速的对无人潜航器姿态进行调整，便于无人潜航器下潜和上浮操作。
3、公开号为cn116960551a的中国专利文献公开了一种水下航行器的模块化电池组以及姿态调节单元，包括电池单元、电池载体、导向套、容置部和电池固定部件：电池载体构成搭载电池单元的支撑结构；导向套安装于电池载体且具有贯通电池载体两端的导向滑孔：容置部是设于电池载体的用于安装电池单元的收纳空间，电池载体的端部设有与容置部连通的开口，电池单元可以通过开口自电池载体的端部进入或者移出容置部：电池固定部件连接电池单元与电池载体，电池固定部件用于固定电池单元在容置部中的轴向和径向位置。本模块化电池组具有方便更换、良好的互换性、维护效率高以及性能稳定等优点。
4、公开号为cn113002741a的中国专利文献公开了一种水下航行器姿态调节装置，包括俯仰调节机构和横滚调节机构，还包括前支撑板和后支撑板，所述俯仰调节机构包括电池模块和俯仰电机，所述电池模块设于前支撑板和后支撑板之间，所述俯仰电机固定在电池模块上，其推杆与所述后支撑板固定，所述电池模块随所述推杆伸缩而在前支撑板和后支撑板之间移动：本申请通过将俯仰电机固定在电池模块上，通过俯仰电机推杆的伸缩调整电池模块的位置，从而改变水下航行器的俯仰姿态角，电池模块既为整个装置供电，又作为俯仰调节机构的配重，整体结构紧凑简单。
5、水下航行器对于内部机构的体积、重量非常敏感，现有技术给出了姿态调节机构的设计样例，但尚未说明设计参数选取的准则或一般规律。同时，姿态机构的调节性能与其设计参数强相关，综合考虑空间占用与调节性能的设计方法具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明提供了一种水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，利用求解得到的参数对姿态调节机构进行优化后，系统在最大俯仰角和空间浪费方面得到显著改进。
2、一种水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，包括以下步骤：
3、(1)对于采用姿态调节机构的水下航行器，建立水下航行器在水下达到稳定状态时的姿态调节平衡方程；
4、(2)确定姿态调节机构的多个关键设计参数；
5、(3)基于设计参数，构造姿态调节机构的调节性能目标函数；
6、(4)基于设计参数，构造姿态调节机构的空间占用目标函数；
7、(5)综合调节性能目标函数与空间占用目标函数，采用遗传算法进行多目标优化，达到均衡两个函数的帕托累最优解集；
8、(6)利用帕托累最优解集对应的设计参数，对姿态调节机构进行设计制造。
9、进一步地，步骤(1)中，水下航行器在水下达到稳定状态时的姿态调节平衡方程，表示为：
10、
11、式中，水下航行器在水下达到稳定姿态时静质量定义为ms，包含所有和机体外壳刚性连接的质量；动质量定义为md，即所有和机体静质量之间通过非刚性运动副连接的质量；θ俯仰姿态的调节角度；定义的静质量ms、动质量md的质心在运动参考系下的坐标位置分别为：
12、
13、式中，ps为静质量ms的质心，pd为动质量md的质心。
14、步骤(2)中，多个关键设计参数包括μ1、μ2、μ3、μ4、μ5，分别对应于姿态调节机构质量占比cw、配重块内径rinn、配重块外径rext、配重块夹角αw以及轴向运动空间lmax。
15、优选地，姿态调节机构质量占比cw控制在5％～20％的区间内，配重块夹角αw控制在30°～120°的区间内。
16、步骤(3)中，构造姿态调节机构的调节性能目标函数，具体为：
17、
18、其中，δ表示调节性能目标函数，θmax表示俯仰姿态的最大调节角度；ρ表示姿态调节机构的平均密度；req表示姿态调节机构的等效半径。
19、步骤(4)中，构造姿态调节机构的空间占用目标函数，具体为：
20、
21、式中，v表示空间占用目标函数，lself表示姿态调节机构自身长度，ρ表示姿态调节机构的平均密度。
22、步骤(5)中，综合调节性能目标函数与空间占用目标函数时，姿态调节机构的优化约束为：
23、
24、式中，n为设计变量的标度因子；ρ表示姿态调节机构的平均密度；rmin表示配重块内径的最小值，r,ax表示配重块外径的最大值。
25、步骤(5)中，采用遗传算法进行多目标优化，达到均衡两个函数的帕托累最优解集，具体过程为：
26、根据姿态调节机构的优化约束公式估计多目标参数的数值解范围；通过算法求得帕托累最优解集；对比解集中的全部结果，选出一个符合项目实际情况的最佳方案。
27、本发明中，所述的遗传算法采用nsga2遗传算法，设置迭代上限epochmax＝200，种群数量npop＝50，变异率cmutant＝5％。
28、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
29、本发明建立了姿态调节机构关键设计参数与调节性能、空间占用的函数关系，确定了设计参数对实际效果的定量影响；综合考虑到目标函数的耦合性，本发明通过遗传算法进行多目标优化，获取设计参数的帕托累解集取得显著的优化效果。经试验，可达空间内，姿态调节机构的平均最大俯仰角提升5.19％，平均空间浪费减小了15.72％。
1.一种水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤(1)中，水下航行器在水下达到稳定状态时的姿态调节平衡方程，表示为：
3.根据权利要求2所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，多个关键设计参数包括μ1、μ2、μ3、μ4、μ5，分别对应于姿态调节机构质量占比cw、配重块内径rinn、配重块外径rext、配重块夹角αw以及轴向运动空间lmax。
4.根据权利要求3所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，姿态调节机构质量占比cw控制在5％～20％的区间内，配重块夹角αw控制在30°～120°的区间内。
5.根据权利要求3所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤(3)中，构造姿态调节机构的调节性能目标函数，具体为：
6.根据权利要求3所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤(4)中，构造姿态调节机构的空间占用目标函数，具体为：
7.根据权利要求3所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤(5)中，综合调节性能目标函数与空间占用目标函数时，姿态调节机构的优化约束为：
8.根据权利要求7所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤(5)中，采用遗传算法进行多目标优化，达到均衡两个函数的帕托累最优解集，具体过程为：
9.根据权利要求8所述的水下航行器姿态调节机构的多目标优化设计方法，其特征在于，所述的遗传算法采用nsga2遗传算法，设置迭代上限epochmax＝200，种群数量npop＝50，变异率cmutant＝5％。
