基于人工鱼群算法的多UUV巡游策略

论文摘要

无人潜航器作为未来无人化海战的杀手锏，正在发展成为新一代的水下作战平台。作为无人潜航器技术的一个重要发展方向，多水下无人潜航器巡游策略已成为当前研究的热点。受鱼群自组织行为的启发，发现鱼类的觅食、编队游动、智能避障等行为与多UUV的目标搜索、协同作战、避障等巡游策略存在某些相似性，本文将鱼类的群体智慧引入到多UUV巡游策略的研究中，对提高UUV完成侦察、作战等任务的效率和保持海上作战实力有重要的意义。首先，本文对人工鱼群算法的生物学基础作了详尽的介绍，在此基础上给出了人工鱼群算法的数学描述及行为描述，并以实验的方式对算法中各参数对寻优性能的影响作出分析。针对人工鱼群算法不能很好的平衡收敛速度与求解精度的缺点，提出了改进的人工鱼群算法。一方面，通过采用自适应调整视野与步长的方法，较好地平衡算法全局与局部搜索的能力；另一方面，通过引入差分进化变异算子来防止人工鱼在局部极值点的大量聚集。将改进后的算法用于对大量无约束的测试函数进行优化，并与遗传算法、粒子群算法、差分进化算法、未改进的人工鱼群算法的优化性能进行了比较，结果表明，改进后的人工鱼群算法在引入较少的参数情况下，性能要比其他几个算法好，并且改进后的算法能有效地用于解决多峰和多维的优化问题。其次，将鱼群的自组织行为引入到多UUV的巡游策略中，主要体现在以下三方面：通过对鱼群自组织特性的研究，将鱼群集群行为抽象出靠近、对齐、分散及避免与边界碰撞四条规则，并给出规则的具体实现。在此基础上，通过观察、感知、决策三种行为实现多UUV编队巡游；受鱼群觅食行为的启发，提出了基于鱼群觅食行为的多UUV搜寻目标策略，并给出了算法的具体实现；受鱼群避障行为的启发，用传感器模拟人工鱼的感知系统来实现多UUV的避障策略。最后，在VC++6.0编译环境下，利用MFC平台搭建OpenGL工程来实现多水下无人潜航器巡游航行的可视化。具体包括海洋、海底及海面的渲染，海底障碍物的绘制，无人潜航器模型的绘制、加载及显示，多无人潜航器动态巡游、搜索目标的实现及爆炸效果的显示等内容。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 无人潜航器国内外研究现状
• 1.3 人工鱼群算法及鱼群行为仿真研究现状
• 1.3.1 算法的改进思路
• 1.3.2 算法应用研究现状
• 1.3.3 鱼群行为仿真及应用现状
• 1.4 论文的主要研究内容及组织结构
• 第2章 人工鱼群算法
• 2.1 人工鱼群算法的生物学基础
• 2.2 人工鱼群算法的基本原理
• 2.3 人工鱼群算法描述
• 2.4 各参数对收敛性能影响的分析
• 2.4.1 视野范围
• 2.4.2 步长
• 2.4.3 拥挤度因子
• 2.4.4 人工鱼个体数目
• 2.5 本章小结
• 第3章 改进的人工鱼群算法
• 3.1 基于步长和视野范围的改进
• 3.2 基于差分进化算子的改进
• 3.3 基于步长和差分进化算子的改进
• 3.4 仿真实验
• 3.4.1 测试函数介绍
• 3.4.2 算法参数设置
• 3.5 算法性能评价
• 3.5.1 算法收敛速度和精度的分析
• 3.5.2 算法的显著性分析
• 3.5.3 基于平均绝对误差值的分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于鱼群行为的多 UUV 巡游策略算法实现
• 4.1 人工鱼的行为规则
• 4.1.1 靠近规则
• 4.1.2 对齐规则
• 4.1.3 分散规则
• 4.1.4 躲避边界规则
• 4.2 人工鱼行为规则的具体实现
• 4.3 基于鱼群集群行为的多 UUV 巡游策略的实现
• 4.3.1 无人潜航器观察行为的实现
• 4.3.2 无人潜航器决策行为的实现
• 4.3.3 无人潜航器行动行为的实现
• 4.4 基于鱼群觅食行为的多 UUV 搜寻目标策略
• 4.5 基于鱼群避障行为的多 UUV 避障策略
• 4.5.1 无人潜航器可见性判断
• 4.5.2 无人潜航器感知范围及智能决策
• 4.6 本章小结
• 第5章 多水下无人潜航器巡游三维仿真及其可视化
• 5.1 视景仿真系统框架
• 5.1.1 系统设计目标
• 5.1.2 系统总体结构
• 5.2 基于 VC++的 OpenGL 程序框架
• 5.3 无人潜航器模型系统
• 5.3.1 OpenGL 与 3DS MAX 三维图形混合实现法
• 5.3.2 无人潜航器模型的建立与转换
• 5.4 无人潜航器巡游场景系统
• 5.5 无人潜航器巡游系统
• 5.6 视点转换系统
• 5.7 特效显示系统
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录