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基于分层强化学习的AUV路径规划方法研究

基于分层强化学习的AUV路径规划方法研究

作者：冉祥瑞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)是探索海洋的重要工具,对海洋开发和海洋资源探索起到了重要的作用,路径规划是智能水下机器人领域的重要技术之一,贯穿了AUV水下航行的始终,是其完成水下作业任务的基础。机器人的智... 详细信息

智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)是探索海洋的重要工具,对海洋开发和海洋资源探索起到了重要的作用,路径规划是智能水下机器人领域的重要技术之一,贯穿了AUV水下航行的始终,是其完成水下作业任务的基础。机器人的智能学习是近年来各个领域的研究热点,本文将分层强化学习方法应用到AUV的路径规划任务中,赋予智能机器人自学习能力,提高AUV的环境自适应性。主要研究以下几点内容:1)深入分析了分层强化学习方法的理论与应用,提出半马尔可夫决策过程,引入抽象的思想进行任务分层以解决强化学习的维数灾问题,基于MAXQ学习算法建立AUV路径规划任务的三层结构,包括:根任务层、子任务选择层、行为动作层,并为每一层设计了相应的决策策略;2)基于分层思想并结合半马尔可夫决策理论对AUV系统进行全局路径规划设计:搭建基于全局路径规划的AUV任务分层结构,建立路径规划任务的评价函数和AUV全局路径规划所需要的各个数学模型,设计了一种全局路径优化的算法弥补了栅格法搜索路径的不足,搭建AUV全局路径规划仿真平台进行仿真试验以验证算法的准确和实用性;3)基于分层强化学习方法设计AUV局部路径规划任务:建立AUV局部路径规划系统模型,为了提升学习效率和降低学习难度,采用CMAC网络来存储每个学习动作的Q值表以优化MAXQ算法,设计局部路径规划分层框架,搭建AUV局部路径规划仿真平台,进行仿真试验,表明分层强化学习提高了AUV的水下环境自适应性。本文将AUV的全局路径规划和局部路径规划结合,提高了AUV水下作业航行的效率;在路径规划模型中加入了海流因素的影响,使环境模型更加贴近于实际;利用自学习的思想,提高AUV在动态复杂海洋环境下的自适应性和自主作业能力;对于AUV安全、可靠、高效自主完成远程航海与地形勘察作业使命,具有重要理论意义及实际应用价值。

关键词：智能水下机器人路径规划分层强化学习半马尔可夫决策

车轮磨耗与抗蛇行减振器耦合作用下车轮型面多目标优化研究

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车轮磨耗与抗蛇行减振器耦合作用下车轮型面多目标优化研究

作者：冉祥瑞华东交通大学

学位级别：硕士

随着高速动车组运营速度增加,轮轨间的动态作用加剧,过快的车轮磨耗使得轮轨接触关系恶化,形成轮轨的不良接触特性,而轮轨的这种耦合状态又影响抗蛇行减振器的工作状态,进而对车辆运行安全性造成影响。因此,探究车轮磨耗与抗蛇行减振器... 详细信息

随着高速动车组运营速度增加,轮轨间的动态作用加剧,过快的车轮磨耗使得轮轨接触关系恶化,形成轮轨的不良接触特性,而轮轨的这种耦合状态又影响抗蛇行减振器的工作状态,进而对车辆运行安全性造成影响。因此,探究车轮磨耗与抗蛇行减振器之间的耦合作用,并据此设计合理的车轮型面是保证车辆安全平稳运行、延长轮对服役寿命的重要措施。本文从抗蛇行减振器等效参数建模及车轮型面统计分析出发,开展车轮磨耗与抗蛇行减振器耦合作用下车轮型面多目标优化研究。本文建立车辆动力学模型和抗蛇行减振器等效参数模型,分析抗蛇行减振器阻尼特性参数对车辆平稳性的影响;跟踪测量服役动车组车轮型面,通过对轮轨接触几何参数的分析,揭示其演变规律,并讨论车轮磨耗诱发下抗蛇行减振器振动状态变化规律;通过设计正交试验得到抗蛇行减振器阻尼特性参数对车轮磨耗的影响;利用多目标优化方法设计车轮型面及相匹配的抗蛇行减振器阻尼特性参数,为高速动车的设计提供依据。具体工作内容如下:（1）建立多刚体车辆动力学模型;基于抗蛇行减振器内部结构特征,建立包含结构阻尼、节点刚度和附加刚度的等效参数模型;对比仿真与台架试验得到的抗蛇行减振器示功图验证等效参数模型可靠性;分析抗蛇行减振器阻尼特性参数对车辆平稳性的影响。结果表明随着抗蛇行减振器结构阻尼和节点刚度的增加,高、低两种车速下车辆平稳性指标分别呈现上升和下降的趋势,需要结合实际工况选择合适的阻尼特性参数。（2）根据车轮型面跟踪测试结果,分析得到车轮型面磨耗的演变规律。计算得到不同磨耗车轮下抗蛇行减振器正常工作和故障时振动幅值、速度和主频的变化情况。结果表明车轮磨耗越大,轮轨接触几何状态越差,抗蛇行减振器两端振动幅值和速度越大,尤其是在车速较高时表现更为明显;在抗蛇行减振器故障时其振动主频随车速增加在车体和转向架蛇行运动频率范围内呈现周期波动,正常工作时其振动主频无明显变化。（3）设计考虑抗蛇行减振器阻尼特性参数的三因素三水平正交试验,选择抗蛇行减振器结构阻尼、节点刚度和附加刚度作为试验因素,选择踏面磨耗、轮缘磨耗和名义等效锥度作为评价指标,探究在一个镟修周期内抗蛇行减振器特性参数对车轮型面磨耗的影响。结果表明抗蛇行减振器的附加刚度、节点刚度及二者之间的交互作用对车轮型面磨耗影响最大。当小等效锥度的车轮型面匹配小附加刚度、适中结构阻尼和节点刚度的抗蛇行减振器时可有效降低车轮型面磨耗,保证车辆安全平稳运行。（4）建立了车轮型面多目标优化模型,采用圆弧参数描述车轮型面,利用最优拉丁超立方设计试验设计样本,选用径向基神经网络构造近似模型,使用NSGA-II算法寻优,得到优化型面和匹配的抗蛇行减振器阻尼特性参数,并从轮轨型面匹配、车辆动力学性能和车轮型面磨耗预测三方面检验优化结果。结果表明:优化后的车轮型面会出现低轮缘磨耗,部分动力学性能指标小幅下降,但可在车轮镟修全周期内提高车轮型面的耐磨性,并能保证车辆安全平稳运行。

关键词：高速动车组抗蛇行减振器轮轨接触几何多目标优化

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智能水下机器人路径规划研究现状与展望

哈尔滨工程大学学报 2020年第8期41卷 1111-1116页

作者：孙玉山冉祥瑞张国成王力锋王建哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011

路径规划是智能水下机器人技术研究的核心内容之一,是实现其自主航行和作业的关键环节。本文对智能水下机器人路径规划方法进行分类并分析其各自特点,总结了国内外利用各种规划算法对智能水下机器人路径规划的研究现状,对比多种规划方法... 详细信息

路径规划是智能水下机器人技术研究的核心内容之一,是实现其自主航行和作业的关键环节。本文对智能水下机器人路径规划方法进行分类并分析其各自特点,总结了国内外利用各种规划算法对智能水下机器人路径规划的研究现状,对比多种规划方法,认为人工智能算法是当前规划领域较适用方法。研究表明智能水下机器人路径规划需要解决三维规划、定位通讯以及多约束等问题,指明了路径规划方法的优化及开发、局部路径规划、多机器人协同规划以及多平台协同规划为当前水下机器人规划的研究方向。

关键词：智能水下机器人路径规划协同规划人工势场神经网络强化学习避障安全性

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轮轨接触几何非线性对车辆动力学性能的影响

铁道科学与工程学报 2022年第6期19卷 1743-1752页

作者：张海冉祥瑞蔡家祺林凤涛王秀刚华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室江西南昌330013 中车青岛四方机车车辆股份有限公司国家高速动车组总成工程技术研究中心山东青岛266111

为探究轮轨接触几何非线性与车辆动力学性能的关系,提出一种新的轮轨接触几何非线性参数,即复合等效锥度,讨论伴随车轮磨耗增加,复合等效锥度对车辆动力学性能的影响。以线性等效锥度为基础,通过不同轮对横移量对应的接触宽度差值占比... 详细信息

为探究轮轨接触几何非线性与车辆动力学性能的关系,提出一种新的轮轨接触几何非线性参数,即复合等效锥度,讨论伴随车轮磨耗增加,复合等效锥度对车辆动力学性能的影响。以线性等效锥度为基础,通过不同轮对横移量对应的接触宽度差值占比对线性等效锥度进行加权,得到复合等效锥度。实测磨耗车轮型面,对比随运营里程增加不同轮轨接触几何参数的变化规律。基于UM建立车辆动力学模型,讨论轨道不平顺激励下复合等效锥度与车轮磨耗之间的关系以及对车辆动力学性能的影响。研究结果表明:复合等效锥度考虑了轮轨接触几何状态变化,计算时不受轮对大位移时局部磨耗的影响,可以更真实地反映轮轨接触的非线性状态。与等效锥度相比,中低不平顺激励下复合等效锥度对轨道不平顺的大小更敏感。复合等效锥度与车辆动力学性能之间存在明确的对应关系。随着复合等效锥度增加,车辆稳定性下降。当复合等效锥度超过0.29后,车辆动力学性能指标的变化趋于稳定。通过复合等效锥度,可对线路不平顺等级和车辆动力学性能进行评估,对轨道车辆设计与维护有一定指导意义。

关键词：轮轨关系接触几何非线性等效锥度车轮磨耗动力学指标

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潍柴动力:高端动力神秘亮相

装备制造 2016年第12期 52-53页

作者：冉祥瑞朱宝旺

上海宝马展,潍柴动力携最高端产品,以"技术""创新"的面貌展现在世界面前。潍柴在工程机械动力上的布局和升级,必定为行业带来新力量。2016年11月22-25日,中国国际工程机械、建材机械、矿山机械、工程车辆及设备博览会(上海宝马展)在上... 详细信息

上海宝马展,潍柴动力携最高端产品,以"技术""创新"的面貌展现在世界面前。潍柴在工程机械动力上的布局和升级,必定为行业带来新力量。2016年11月22-25日,中国国际工程机械、建材机械、矿山机械、工程车辆及设备博览会(上海宝马展)在上海新国际博览中心举行,来自41个国家的逾2900家展商参加此次展会。潍柴动

关键词：潍柴发动机高端领域潍柴动力小型工程机械

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智能水下机器人路径规划方法综述

舰船科学技术 2020年第4期42卷 1-7页

作者：孙玉山王力锋吴菁冉祥瑞哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011

路径规划方法是智能水下机器人技术研究的核心内容之一,是实现自主航行和作业的关键环节。本文将水下机器人的路径规划方法按智能程度分为传统和智能两大类。传统方法包括基于路线图构建的路径规划方法、基于单元分解的路径规划方法以... 详细信息

路径规划方法是智能水下机器人技术研究的核心内容之一,是实现自主航行和作业的关键环节。本文将水下机器人的路径规划方法按智能程度分为传统和智能两大类。传统方法包括基于路线图构建的路径规划方法、基于单元分解的路径规划方法以及基于人工势场的路径规划方法,智能方法包括基于群智能的路径规划方法和基于机器学习的路径规划方法。针对水下机器人规划环境的特点,分别对这几类典型方法进行总结与评价,重点分析了智能方法的优缺点和关键问题,最后展望智能水下机器人路径规划的未来研究方向。

关键词：水下机器人路径规划人工势场群智能神经网络强化学习

面向车辆平稳性的抗蛇行减振器结构参数多目标优化

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噪声与振动控制 2022年第2期42卷 219-225页

作者：张海冉祥瑞李海涛林凤涛王秀刚中车青岛四方机车车辆股份有限公司国家高速动车组总成工程技术研究中心山东青岛266111 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室南昌330013

高速动车组在运营过程中依赖抗蛇行减振器维持车体横向振动的平稳性,为提高不同工况下车辆运行平稳性,需要对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化。首先建立包含抗蛇行减振器液压数值模型与CRH3车辆动力学模型的UM-SIMULINK联合仿真模型... 详细信息

高速动车组在运营过程中依赖抗蛇行减振器维持车体横向振动的平稳性,为提高不同工况下车辆运行平稳性,需要对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化。首先建立包含抗蛇行减振器液压数值模型与CRH3车辆动力学模型的UM-SIMULINK联合仿真模型,分析抗蛇行减振器结构参数对车辆平稳性的影响,随后基于车轮磨耗对轮轨接触几何的影响设计两种工况,基于UM-ISIGHT联合仿真采用NSGA-II算法对抗蛇行减振器结构参数进行多目标优化。结果表明:抗蛇行减振器常通孔径、卸荷孔径和活塞杆直径对车辆平稳性有不同程度的影响。车速较低时,增大常通孔径有利于车辆平稳运行;车速较高时,随着直径增大,常通孔、卸荷孔和活塞杆直径分别使车辆平稳性呈现“劣-优-劣”、“优-劣-稳定”和轴对称下降的变化趋势。对抗蛇行减振器常通孔径和卸荷孔径进行多目标优化后,高速、高等效锥度条件下车辆平稳性提高20.72%,优化效果显著。

关键词：振动与波高速动车组联合仿真抗蛇行减振器多目标优化车辆平稳性

大型环状钛合金铸件立式离心铸造螺旋形横浇道设计

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稀有金属材料与工程 2024年第7期53卷 2049-2058页

作者：冉兴中航重机股份有限公司贵州贵阳550005

为提升立式离心铸造大型钛合金铸件冶金质量,采用模流分析方法探讨了直线形和螺旋形横浇道浇注系统对熔体充型流态的影响。结果表明,传统直线形横浇道中存在熔体贴壁分布的现象,且缩小浇道截面尺寸无法避免横浇道空腔吸气区的形成,此外... 详细信息

为提升立式离心铸造大型钛合金铸件冶金质量,采用模流分析方法探讨了直线形和螺旋形横浇道浇注系统对熔体充型流态的影响。结果表明,传统直线形横浇道中存在熔体贴壁分布的现象,且缩小浇道截面尺寸无法避免横浇道空腔吸气区的形成,此外横浇道内出现熔体堆积和反流,充型铸件型腔的熔体呈射流态。基于达朗贝尔原理分析了熔体质点在横浇道二维平面内的运动行为,揭示了质点运动轨迹与直线形横浇道结构不匹配是上述问题的主要原因。进一步探讨了离心转速和质点初速度对轨迹线形状特征的影响,提出了适用于大型环状钛合金铸件的螺旋形横浇道浇注系统设计方法,模流分析结果验证了螺旋形横浇道可有效地减少吸气和湍流倾向,平衡铸件充型流场并形成自下而上的充型次序。

关键词：离心铸造浇注系统达朗贝尔原理数值模拟模流分析

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一种小型水下自主航行器的操纵性

中国海洋平台 2018年第5期33卷 81-86,94页

作者：唐同泽王占缘孙玉山徐昊冉祥瑞哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001

以SUBOFF潜器为研究对象,使用STAR-CCM+软件,应用切割六面体划分全尺寸水下航行器的计算域网格,引入平板名义边界层厚度计算公式修正计算域内边界层厚度,完成多种计算域下的直航数值模拟,对比美国海军泰勒研究中心的SUBOFF潜器试验结果... 详细信息

以SUBOFF潜器为研究对象,使用STAR-CCM+软件,应用切割六面体划分全尺寸水下航行器的计算域网格,引入平板名义边界层厚度计算公式修正计算域内边界层厚度,完成多种计算域下的直航数值模拟,对比美国海军泰勒研究中心的SUBOFF潜器试验结果,提出一种水下航行器全附体水动力计算方法。利用该方法研究一款小型水下自主航行器,应用动网格技术完成平面运动数值模拟,获得水动力系数,开展仿真试验并获得试验结果。

关键词：水下航行器操纵性水动力系数 STAR-CCM+