申请/专利权人：中国地质大学(武汉)

申请日：2022-10-28

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN115542936B

主分类号：G05D1/495

分类号：G05D1/495;G05D1/46;G05D101/10;G05D109/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2023.01.20#实质审查的生效;2022.12.30#公开

摘要：本发明公开了一种航磁无人机舵机布局智能优化方法，该方法首先建立包含所有舵机位置姿态参数的高维种群用来表征布局，然后使用四种搜索策略分别执行最优布局的探索和开发，接着通过磁干扰强度、不均匀性和左右翼间的不均衡性这三个特征参数定义适应度函数。最后进行迭代终止条件判断，若迭代完成，则根据适应度函数的值输出最优布局参数。本发明提出通过智能寻优算法来确定航磁无人机上多个舵机最优的位置和方向，以减小机载磁力仪所在区域的磁场干扰。该方法采用了四种不同的搜索策略：扩大搜索、缩小搜索、扩大开发和缩小开发。平衡了舵机姿态信息的全局搜索和局部搜索，避免陷入局部最优，同时该方法受种群规模影响较小，具有良好的稳定性。

主权项：1.一种航磁无人机舵机布局智能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：对每个磁力仪区域进行网格化处理，并定义无人机左、右翼的初始测量点和移动矢量；定义无人机左、右翼的初始测量点为P0-left＝-x0,y0,z0,P0-right＝x0,y0,z0；为了遍历所有测量点，定义左、右翼移动矢量Pm-left和Pm-right如下：Pm-left＝-s-1d,-t-1d,0Pm-right＝s-1d,-t-1d,0式中，s,t＝1,2,3,…,n，分别表示磁力仪区域n×n网格中的第s行，第t列的测量点；d为相邻测量点之间的间距；采用天鹰优化算法在网格化的磁力仪区域内对舵机位置和方向进行寻优，具体包括：初始化种群：种群X为所有舵机位置和方向的布局组合，也就是候选解的集合： 式中，Xi为第i个布局组合，i＝1,2,3,…,Np，Np为组合数量，j＝1,2,3,…,6N，N为舵机数量；第i个布局组合的第j维变量xi,j的初始值按照下式生成：xi,j＝LBj+rand×UBj-LBj式中，UBj和LBj分别维第j维变量的最大值和最小值，rand为0到1之间的随机数；令当前迭代次数为t，迭代上限为T；当t2T3且rand0.5时，执行舵机布局组合的第一更新方法；所述第一更新方法为扩大搜索，第t+1次迭代的布局组合X1t+1表达式为： 式中，Xbestt为经过第t次迭代后获得的最优磁源方位布局组合，XMt为第t次迭代所有磁源方位布局组合的平均值，Xit为第t次迭代所有布局组合种群中的第i个组合；当t2T3且rand≥0.5时，执行舵机布局组合的第二更新方法；所述第二更新方法为缩小搜索，第t+1次迭代的布局组合X2t+1表达式为：X2t+1＝Xbestt×Levy6N+XRt+Sy-Sx×rand式中，XRt是第t次迭代产生的随机布局组合，Levy6N是一种莱维飞行分布函数，用于产生随机步长，Sx和Sy用于确保算法以螺旋轨迹进行最优布局搜索： 式中，u和v为0到1之间的随机数，Levy指数β取固定值1.5，螺旋搜索参数的比例系数U设定为0.00565，用于控制螺旋搜索振荡幅度的D1取值为3N，搜索周期数R取值为10；当t≥2T3且rand0.5时，执行舵机布局组合的第三更新方法；所述第三更新方法为扩大开发，第t+1次迭代的布局组合X3t+1表达式为：X3t+1＝Xbestt-XMt×α-rand+UB-LB×rand+LB×δ式中，α和δ为用于调整算法开发范围的参数，UB和LB分别为布局组合的最大、最小值的集合；当t≥2T3且rand≥0.5时，执行舵机布局组合的第四更新方法；所述第四更新方法为缩小开发，第t+1次迭代的布局组合X4t+1表达式为：X4t+1＝QF×Xbestt-G1×Xt×rand-G2×Levy6N+rand×G1式中，Xt是第t次迭代产生的布局组合；QF为质量函数，用于平衡全局和局部搜索策略；G1表示跟踪最优磁性部件布局组合的各种运动，G2为跟踪最优布局组合的飞行斜率，随着t增加逐渐找到最优组合，G2逐渐减小到0；QF、G1、G2表达式为： G1＝2×rand-1 根据磁干扰强度、不均匀性和左右翼间的不均衡性确定自适应度函数，包括：计算舵机绕x，y，z轴的旋转矩阵Rx，Ry，Rz，分别为： 式中，θ，ω，分别为舵机绕x，y，z轴旋转的角度；根据偏心多磁偶极子模型，更新左、右翼尖测量点到舵机几何中心的位置矢量rc-left和rc-right：rc-left＝p0-left-pu+pm-leftrc-right＝p0-right-pu+pm-right根据旋转矩阵解算布局发生变化后左右翼磁力仪相对舵机偶极子的位置矢量r1，r2，r3：r1＝-rc+RzRyRx·rd1r2＝-rc+RzRyRx·rd1+rd2r3＝-rc+RzRyRx·rd1+RzRyRx·rd2+rd3将上式中rc替换成rc-left或rc-right，得到舵机分别到左、右翼测量点的位置矢量r1-left，r2-left，r3-left，r1-right，r2-right，r3-right；根据旋转矩阵Rx，Ry，Rz，解算旋转后的磁矩矢量mkr： 式中，k＝1,2,3，表示有3个等效磁偶极子；mk为旋转前的磁矩，它的三分量分别为mk-x,mk-y,mk-z；mkr的三分量分别为mkr-x,mkr-y,mkr-z；根据位置矢量和磁矩矢量解算出第u个舵机在磁力仪区域的第v个测点产生的磁干扰Buv： 式中，v＝1,2,3,…,n2，分别为r1,r2,r3的单位向量，Buv-x，Buv-y和Buv-z为Buv的三个分量；所有N个舵机在第v个测量点产生的磁干扰Bv写为： 式中，Bv-x，Bv-y和Bv-z为Bv的三个分量；因此，第v个测量点的磁干扰强度为： 将左翼测量点的位置矢量r1-left，r2-left，r3-left和右翼测量点的位置矢量r1-right，r2-right，r3-right分别带入干扰磁场的求解公式，得到所有N个舵机在左、右磁力仪区域第v个测量点产生的磁干扰的总强度Bv-left和Bv-right；适应度函数写为， 式中，第一项表示磁干扰衰减效果，第二项表示左右翼间的磁干扰不均衡性，第三、四项分别表示左、右翼磁力仪区域的磁干扰不均匀性；其中Bmax-left和Bmin-left分别表示左翼磁干扰强度的最大、最小值，Bmax-right和Bmin-right分别表示右翼磁干扰强度的最大、最小值；并在每次迭代更新的过程中计算自适应度函数值；当达到迭代上限T时，停止迭代，取自适应度函数最小时对应的布局组合为最优的舵机布局组合。

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