基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同的水下無(wú)人航行器能耗優(yōu)化

侯 慧， 陳洋洋， 謝長(zhǎng)君， 吳細(xì)秀， 謝 坤， 范則陽(yáng)

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心， 湖北 武漢 430064)

1 引言

隨著世界各國(guó)對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)與利用的日益重視，水下無(wú)人航行器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)因具有自主航行能力，可以代替人類執(zhí)行眾多危險(xiǎn)任務(wù)，已經(jīng)成為海洋領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)[1,2]。但UUV自身體積有限，能夠攜帶的能源儲(chǔ)量也有限，因此如何以最小的能耗代價(jià)來(lái)完成較長(zhǎng)航程任務(wù)是一個(gè)亟待解決的研究課題[3]。

在不改變UUV本身結(jié)構(gòu)的前提下，可以通過(guò)制定能量管理策略[4]和規(guī)劃UUV的航行路徑[5]減少能源消耗。能量管理策略大致可分為基于規(guī)則控制和基于優(yōu)化控制等[6]?；谝?guī)則控制的能量管理策略由于實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)勢(shì)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛[7]。其中，基于確定規(guī)則，文獻(xiàn)[8]對(duì)功率跟隨能量管理策略中的參數(shù)和荷電狀態(tài)(State Of Charge, SOC)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了充分分析，設(shè)計(jì)了Z曲線法和PI調(diào)節(jié)法，使能量源的SOC上限和充電功率參數(shù)保持在適度范圍內(nèi)，以減小能量源的燃料消耗量和波動(dòng)率。相對(duì)于確定規(guī)則控制，模糊規(guī)則控制是將輸入量進(jìn)行模糊化處理，經(jīng)過(guò)模糊規(guī)則推理計(jì)算出輸出量，不需要建立被控對(duì)象的確切數(shù)學(xué)模型[9]。文獻(xiàn)[10]使用IF-THEN規(guī)則列表將不同能量源相關(guān)聯(lián)，并基于系統(tǒng)不同驅(qū)動(dòng)模式為它們分配一定的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同能量源之間的功率分配，從而提高系統(tǒng)的整體燃料經(jīng)濟(jì)性。但基于規(guī)則控制的能量管理策略由于其預(yù)先設(shè)定了規(guī)則，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，因此導(dǎo)致在復(fù)雜的工況下控制效果表現(xiàn)欠佳，而基于優(yōu)化控制的能量管理策略則可以在復(fù)雜工況下尋求系統(tǒng)的最優(yōu)解[11]。

基于優(yōu)化控制的能量管理策略主要分為全局最優(yōu)和瞬時(shí)最優(yōu)等[12]。為獲得全局最優(yōu)，文獻(xiàn)[13]將動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法和模糊控制策略進(jìn)行結(jié)合，動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法應(yīng)用于各能量源之間的最優(yōu)功率分配，并將其結(jié)果用于模糊控制策略的設(shè)計(jì)，以獲得整個(gè)循環(huán)工況的最小燃料消耗。而文獻(xiàn)[14]基于龐特里亞金瞬時(shí)最小值原理，通過(guò)在管理層加入在線識(shí)別層，利用自適應(yīng)遞推最小二乘法在線辨識(shí)模型跟蹤能量源性能的變化，使其時(shí)刻運(yùn)行在最佳性能從而減小系統(tǒng)的燃料消耗。雖然全局最優(yōu)能量管理策略需要預(yù)知系統(tǒng)的循環(huán)工況，計(jì)算量大，存在“維數(shù)災(zāi)難”的可能性，但其可以保證經(jīng)濟(jì)性的全局最優(yōu)[15]。

也有一些學(xué)者另辟蹊徑，通過(guò)規(guī)劃UUV的航行路徑減少其能源消耗。文獻(xiàn)[16]以節(jié)能為目標(biāo)，采用基于遺傳算法的動(dòng)態(tài)規(guī)劃完成路徑規(guī)劃，驗(yàn)證了可以通過(guò)規(guī)劃航行路徑減少UUV的能耗，但其并沒(méi)有考慮到海洋環(huán)境，在路徑規(guī)劃中忽視環(huán)境影響，可能會(huì)使UUV航行在強(qiáng)流中導(dǎo)致能源浪費(fèi)，而且會(huì)增加撞擊障礙物的潛在危險(xiǎn)性。文獻(xiàn)[17]利用多重粘性蘭姆渦和二維Navier-Stokes方程模擬了海洋水環(huán)境，并通過(guò)結(jié)構(gòu)差分進(jìn)化算法獲得了更高的航行速度，從而顯著地節(jié)省了能源消耗。文獻(xiàn)[18]提出了一種以環(huán)形邊界作為安全距離約束的A*方法，解決了UUV在海洋水環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，同時(shí)探討了在部分環(huán)境中，不同強(qiáng)度的逆流和順流分別順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)對(duì)最優(yōu)航行路徑的影響。

綜上所述，現(xiàn)有對(duì)于UUV能耗優(yōu)化的研究要么集中于制定能量管理策略，要么集中于規(guī)劃UUV的航行路徑，但使用能量管理策略會(huì)得出一個(gè)最優(yōu)速度、一個(gè)最優(yōu)動(dòng)力供給方案，使用路徑規(guī)劃又會(huì)得出另一個(gè)最優(yōu)速度、另一個(gè)最優(yōu)動(dòng)力供給方案，然而UUV只能以一個(gè)速度、一個(gè)動(dòng)力供給方案航行，必然需要將兩者統(tǒng)一。目前，將兩者結(jié)合的研究較少，同時(shí)也缺乏考慮利用海流的流場(chǎng)減少UUV的出力從而減少其能源消耗。本文將內(nèi)部能量管理策略和外部路徑規(guī)劃結(jié)合在一起，通過(guò)優(yōu)化UUV的航速和分配2套燃料電堆和蓄電池的輸出功率，同時(shí)選擇搭乘海流的切入點(diǎn)和切出點(diǎn)，使得UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小。

2 UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括2套燃料電堆、1套蓄電池、主網(wǎng)、推進(jìn)電機(jī)以及輔機(jī)設(shè)備等。燃料電堆與蓄電池通過(guò)與主網(wǎng)相連接為推進(jìn)電機(jī)和各種輔機(jī)設(shè)備供電。

圖1 UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of UUV hybrid power system

UUV通過(guò)合理調(diào)節(jié)燃料電堆之間的輸出功率、燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間的輸出功率實(shí)現(xiàn)UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理，并通過(guò)調(diào)節(jié)推進(jìn)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)UUV的航速。PFC、PB、PPm、PAm之間的關(guān)系滿足：

PFC+PB=PPm+PAm

(1)

式中，PFC為燃料電池系統(tǒng)的輸出功率；PB為蓄電池系統(tǒng)的輸出功率；PPm為推進(jìn)電機(jī)的需求功率；PAm為UUV各種輔機(jī)設(shè)備所需總功率。

3 基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同的UUV能耗優(yōu)化架構(gòu)

內(nèi)部能量管理為UUV輸出不同航速下的需求功率，UUV在不同外部水流環(huán)境下有不同的需求功率，故內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃之間必然存在相互影響，本文將UUV的內(nèi)外層優(yōu)化置于統(tǒng)一的框架內(nèi)，以航速為耦合變量，建立基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃的能耗優(yōu)化模型，以UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小為目標(biāo)，求解UUV的最佳航行路徑、航速和功率分配供給方案。其中，內(nèi)部能量管理層根據(jù)等效氫耗理論，在水下無(wú)人航行器不同需求功率下，使用模擬退火混合遺傳算法為2套燃料電堆和蓄電池分配輸出功率，使得UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的等效氫耗最小；外部路徑規(guī)劃層使用A*算法[19]選擇搭乘海流的切入點(diǎn)和切出點(diǎn)，使水下無(wú)人航行器能夠充分利用海流的流場(chǎng)。其優(yōu)化架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同的UUV能耗優(yōu)化架構(gòu)Fig.2 Energy consumption optimization architecture of UUV based on internal energy management and external path planning

4 UUV能耗優(yōu)化模型

4.1 第一級(jí)優(yōu)化

(1)目標(biāo)函數(shù)

以燃料電池系統(tǒng)的瞬時(shí)氫耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，在燃料電池系統(tǒng)不同輸出功率下，優(yōu)化分配兩套燃料電堆之間的輸出功率。即：

(2)

式中，PFC為燃料電池系統(tǒng)的輸出功率；CFC(PFC)為燃料電池系統(tǒng)的輸出功率為PFC時(shí)，燃料電池系統(tǒng)的瞬時(shí)氫耗；PFCi為第i臺(tái)燃料電堆的輸出功率；cFC(PFCi)為第i臺(tái)燃料電堆的輸出功率為PFCi時(shí)，第i臺(tái)燃料電堆的瞬時(shí)氫耗[20]。

此時(shí)，燃料電池系統(tǒng)輸出功率PFC與各燃料電堆輸出功率PFCi之間的關(guān)系滿足：

(3)

式中，UFCi為第i臺(tái)燃料電堆的運(yùn)行狀態(tài)，取1時(shí)，表示燃料電堆運(yùn)行，取0時(shí)表示燃料電池電堆停機(jī)。

(2)約束條件

各燃料電堆的輸出功率應(yīng)位于各燃料電堆輸出功率可達(dá)范圍內(nèi)，可表示為：

PFCimin≤PFCi≤PFCimax或PFCi=0i=1,2

(4)

式中，PFCimax、PFCimin分別為第i套燃料電堆輸出功率的最大值、最小值。

4.2 第二級(jí)優(yōu)化

(1)目標(biāo)函數(shù)

在燃料電池系統(tǒng)供電時(shí)，為了使得在相同輸出功率下燃料電池系統(tǒng)的瞬時(shí)氫耗最小，兩臺(tái)燃料電堆之間的功率分配使用第一級(jí)優(yōu)化的功率分配方案。并在此基礎(chǔ)上，以UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的等效瞬時(shí)氫耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，在不同航速下，優(yōu)化分配燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間的輸出功率。即：

minCHPS(v)=CFC(PFC)+CB(PB)

(5)

此時(shí)

PB+PFC=fPm(v)+PAm

(6)

式中，CHPS(v)為UUV的航速為v時(shí)，UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的等效瞬時(shí)氫耗；CB(PB)為蓄電池系統(tǒng)的輸出功率為PB時(shí)，蓄電池系統(tǒng)的等效瞬時(shí)氫耗；fPm(v)為UUV的航速為v時(shí)，推進(jìn)電機(jī)所需功率[21]。

本文是依據(jù)等效氫耗理論，將蓄電池系統(tǒng)的耗電量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的液氫質(zhì)量，以便用于UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)文獻(xiàn)[22，23]所述，蓄電池系統(tǒng)瞬時(shí)氫耗等效為：

(7)

(2)約束條件

1)蓄電池系統(tǒng)出力約束

蓄電池系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)位于蓄電池系統(tǒng)輸出功率的可達(dá)范圍內(nèi)，可表示為：

PBmin≤PB≤PBmax或PB=0

(8)

式中，PBmax、PBmin分別為蓄電池系統(tǒng)輸出功率的最大值、最小值。

2)燃料電池系統(tǒng)出力約束

燃料電池系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)位于燃料電池系統(tǒng)輸出功率的可達(dá)范圍內(nèi)，可表示為：

PFCmin≤PFC≤PFCmax或PFC=0

(9)

式中，PFCmax、PFCmin分別為燃料電池系統(tǒng)輸出功率的最大值、最小值。

4.3 第三級(jí)優(yōu)化

(1)目標(biāo)函數(shù)

在UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)供電時(shí)，為了使得在相同航速下混合動(dòng)力系統(tǒng)的等效瞬時(shí)氫耗最小，燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間的功率分配使用第二級(jí)優(yōu)化的功率分配方案。并在此基礎(chǔ)上，以UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，在不同航速下，規(guī)劃UUV的航行路徑。即：

(10)

式中，C為UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗；(i0,j0)為UUV當(dāng)前時(shí)刻所在的經(jīng)緯度；(i,j)為UUV下一個(gè)時(shí)刻所在的經(jīng)緯度；SF為UUV的可行點(diǎn)集合；C(i0,j0)→(i,j)為UUV從(i0,j0)到(i,j)所需要消耗的液氫質(zhì)量，可表示為：

C(i0,j0)→(i,j)=r(i0,j0)→(i,j)·t(i0,j0)→(i,j)

(11)

式中，t(i0,j0)→(i,j)為UUV從(i0,j0)到(i,j)所需要的時(shí)間；r(i0,j0)→(i,j)為UUV從(i0,j0)到(i,j)期間時(shí)，UUV的瞬時(shí)氫耗率，可表示為：

r(i0,j0)→(i,j)=CHPS(v(i0,j0)→(i,j))

(12)

式中，v(i0,j0)→(i,j)為UUV從(i0,j0)到(i,j)期間時(shí)，UUV的航速。

UUV航行于有水流速度的水域時(shí)，一般認(rèn)為水流對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響僅屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)上的范疇，只引起船舶運(yùn)動(dòng)上的漂移，可表示為：

v=vg+vc

(13)

式中，v為UUV相對(duì)于陸地的航速；vg為UUV相對(duì)于水流的航速；vc為水流速度。

(14)

式中，d(i0,j0)→(i,j)為UUV從(i0,j0)到(i,j)之間的距離。

(2)約束條件

UUV在航行時(shí)，航速應(yīng)約束在一定范圍內(nèi)。

vmin≤v≤vmax

(15)

式中，vmax、vmin為UUV航行時(shí)航速的最大值、最小值。

4.4 優(yōu)化求解流程

(1)內(nèi)部能量管理層

在內(nèi)部能量管理層，本文使用模擬退火混合遺傳算法。模擬退火混合遺傳算法是將遺傳算法與模擬退火算法相結(jié)合的一種混合全局搜索算法。遺傳算法的局部搜索能力較差，但把握總體搜索過(guò)程的能力較強(qiáng)；而模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能在搜索過(guò)程中避免陷于局部最優(yōu)解[24]。本文將模擬退火算法和遺傳算法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以獲得更好的全局搜索能力。

(2)外部路徑規(guī)劃層

在外部路徑規(guī)劃層，本文使用A*算法。搜索算法大致可分為深度搜索和廣度搜索等。深度搜索的優(yōu)點(diǎn)是搜索速度快、時(shí)間短，但是不一定能求出最優(yōu)解；而廣度搜索優(yōu)點(diǎn)是可以保證求出最優(yōu)解，但由于其是一層層搜索，必須擴(kuò)展每一個(gè)點(diǎn)，所以缺乏時(shí)間效率和空間效率。而A*算法將兩者結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，既有極大概率求出最優(yōu)解，又可以減少冗余時(shí)間[19]。

本文基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同的水下無(wú)人航行器能耗優(yōu)化求解流程圖如圖3所示。

5 算例分析

5.1 內(nèi)部能量管理層優(yōu)化分析

(1)第一級(jí)優(yōu)化分析

考慮燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部各電堆之間的功率分配策略，本文比較了2種方案。

方案1：基于規(guī)則控制，當(dāng)PFC≤PFCimax時(shí)，只需一套燃料電堆運(yùn)行。當(dāng)PFCimax≤PFC≤2PFCimax時(shí)，一套電堆全功率運(yùn)行，另一套燃料電堆承擔(dān)剩余負(fù)荷功率。

方案2：基于優(yōu)化控制，使用模擬退火混合遺傳算法優(yōu)化分配兩套燃料電堆之間的輸出功率。

方案1為方案2的對(duì)比方案。2種方案的瞬時(shí)氫耗優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，方案2優(yōu)于方案1，在相同輸出功率下，最大可減少10.72%瞬時(shí)氫耗。和方案2相比，方案1雖然可以減少燃料電堆的啟停次數(shù)，但增加了燃料電池系統(tǒng)的瞬時(shí)氫耗，故在第二、三級(jí)優(yōu)化分析中，不同燃料電池系統(tǒng)輸出功率下，兩套燃料電堆之間的功率分配采用方案2，具體功率分配如圖5所示。

由圖5可知，模擬退火混合遺傳算法優(yōu)化分配燃料電池系統(tǒng)輸出功率的結(jié)果為2套燃料電堆各承擔(dān)燃料電池系統(tǒng)輸出功率的一半。

(2)第二級(jí)優(yōu)化分析

考慮UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間的功率分配策略，本文比較了3種方案。

圖3 優(yōu)化求解流程圖Fig.3 Flow chart of optimization solution

方案3：基于單能源，蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行。

方案4：基于多能源規(guī)則控制，當(dāng)UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率小于等于4PFCimax時(shí)，燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)平均分配UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率；當(dāng)UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率大于4PFCimax時(shí)，燃料電池系統(tǒng)全功率運(yùn)行，蓄電池系統(tǒng)承擔(dān)剩余功率。

方案5：基于多能源優(yōu)化控制，使用模擬退火混合遺傳算法優(yōu)化分配燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間的輸出功率。

圖4 方案1和方案2的瞬時(shí)氫耗優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Optimization results of instantaneous hydrogen consumption in plan 1 and 2

圖5 各燃料電堆在不同燃料電池系統(tǒng)的輸出功率下的出力曲線Fig.5 Output curves of each fuel electric reactor at different fuel cell systems output power

方案3、方案4均為方案5的對(duì)比方案。3種方案的等效瞬時(shí)氫耗優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 方案3～方案5的等效瞬時(shí)氫耗優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization results of equivalent instantaneous hydrogen consumption in plan 3～5

由圖6可知，方案4和方案5優(yōu)于方案3，表明燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)共同供電比蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)供電可以很大程度上減少UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的等效瞬時(shí)氫耗。同時(shí)，方案5優(yōu)于方案4，表明使用模擬退火混合遺傳算法優(yōu)化分配燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間的輸出功率優(yōu)于燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)平均分配UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率，故在第三級(jí)優(yōu)化分析中，不同航速下，燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)之間的功率分配采用方案5，具體功率分配如圖7所示。

圖7 各系統(tǒng)在不同航速下的出力曲線Fig.7 Output curve of each system at different speeds

由圖7可知，當(dāng)UUV航行在中低速(即1～11 kn附近)范圍時(shí)，UUV主要由燃料電池系統(tǒng)供電，當(dāng)UUV航行在高速范圍時(shí)，燃料電池系統(tǒng)全功率運(yùn)行，蓄電池系統(tǒng)承擔(dān)剩余負(fù)荷功率。

5.2 外部路徑規(guī)劃層優(yōu)化分析

忽視海洋水環(huán)境影響，單獨(dú)考慮UUV是沒(méi)有實(shí)際意義的[17]?？紤]海流及障礙物，本文從國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心截取了(32.5°N，140.375°E)到(41.25°N，149.125°E)部分的黑潮數(shù)據(jù)[25]，采用直角坐標(biāo)系對(duì)海洋水環(huán)境進(jìn)行建模，充分利用柵格化建模的優(yōu)點(diǎn)，使路徑簡(jiǎn)單明了、易于實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 二維水環(huán)境地圖建模示意圖Fig.8 Schematic diagram of two-dimensional water environment map model

為了對(duì)比和分析內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃對(duì)UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗和最優(yōu)路徑的影響，設(shè)置了4種不同的優(yōu)化方案，分別為：無(wú)優(yōu)化，UUV由蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)供電且選擇直達(dá)路線；單獨(dú)使用外部路徑規(guī)劃層，且UUV由蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)供電；單獨(dú)使用內(nèi)部能量管理層，且UUV選擇直達(dá)路線；內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化。

(1)單獨(dú)路徑規(guī)劃優(yōu)化分析

由蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)供電，從(32.5°N，140.375°E)出發(fā)到(41.25°N，149.125°E)，UUV在不同航速下選擇直達(dá)路線和路徑規(guī)劃路線所需要的等效氫耗如圖9所示。

圖9 直達(dá)路線和路徑規(guī)劃路線下UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗曲線Fig.9 Equivalent hydrogen consumption curves required for UUV to voyage between the start and end points under the direct route and route planning route

由圖9可知，由蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)供電，直達(dá)路線下，當(dāng)UUV的航速為11.3 kn時(shí)，UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小為881.69 kg；路徑規(guī)劃路線下，當(dāng)UUV的航速為11.6 kn時(shí)，在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小為868.06 kg。只考慮路徑規(guī)劃，UUV可節(jié)省1.55%等效氫耗量；當(dāng)UUV航行在17.1 kn時(shí)，等效氫耗減少量最大為2.31%。

為使得UUV能夠充分利用黑潮的流場(chǎng)，由A*算法選擇搭乘黑潮的切入點(diǎn)和切出點(diǎn)，其規(guī)劃路線如圖10所示。

圖10 不同航速下的路徑規(guī)劃路線圖Fig.10 Path planning roadmap at different speeds.

由圖10所知，當(dāng)v≥8.2 kn時(shí)，為了獲得更小的等效氫耗，UUV選擇繞路搭乘黑潮的前半部分；當(dāng)v<8.2 kn時(shí)，UUV并沒(méi)有選擇搭乘黑潮，而是選擇直達(dá)路線。其原因?yàn)椋篣UV選擇搭乘黑潮，會(huì)由于繞路而增加UUV的路程，從而增加UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗；UUV搭乘黑潮，會(huì)由于黑潮帶來(lái)的相對(duì)速度，從而減少UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗；故當(dāng)搭乘黑潮帶來(lái)的等效氫耗減少量小于繞路帶來(lái)的等效氫耗增加量時(shí)，UUV會(huì)選擇搭乘黑潮，否則，選擇直達(dá)路線。

(2)單獨(dú)能量管理優(yōu)化分析

由燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)共同供電，從(32.5°N，140.375°E)出發(fā)到(41.25°N，149.125°E)，UUV在不同航速下基于多能源優(yōu)化控制的方案5和基于蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行的方案3選擇直達(dá)路線所需要的等效氫耗如圖11所示。

圖11 基于多能源優(yōu)化控制和基于蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗曲線Fig.11 Equivalent hydrogen consumption curves required for UUV to voyage between the start and end points based on multi-energy optimization control and based on battery system running separately at different speeds

由圖11可知，基于多能源優(yōu)化控制的方案5在直達(dá)路線下，當(dāng)UUV的航速為10.0 kn時(shí)，其在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小為631.03 kg，比基于蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行的方案3在直達(dá)路線下，所需等效氫耗量減少了28.43%。

(3)內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化分析

UUV從(32.5°N，140.375°E)出發(fā)到(41.25°N，149.125°E)，在不同航速下，基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化下的等效氫耗曲線如圖12所示。

圖12 基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗曲線Fig.12 Equivalent hydrogen consumption curves required for UUV to voyage between the start and end points based on internal energy management and external path planning

由圖12可知，基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化下，當(dāng)UUV的航速為10.5 kn時(shí)，其在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小為616.50 kg，比蓄電池系統(tǒng)單獨(dú)供電在直達(dá)路徑下減少了30.08%的所需等效氫耗量。其規(guī)劃路線如圖13所示。

圖13 基于內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化的在不同航速下的規(guī)劃路線Fig.13 Planning routes at different speeds based on internal energy management and external path planning

由圖13所知，當(dāng)v≥7.8 kn時(shí)，為了獲得更小的等效氫耗，UUV選擇繞路搭乘黑潮的前半部分；當(dāng)v<7.8 kn時(shí)，UUV選擇直達(dá)路線。對(duì)比圖10和圖13可知，內(nèi)部能量管理方案5通過(guò)減少相同航速下UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的等效瞬時(shí)氫耗，從而減小UUV選擇繞路搭乘黑潮的起始速度。同時(shí)，在不同航速范圍內(nèi)，UUV選擇繞路搭乘黑潮的路徑也不盡相同。

5.3 不同優(yōu)化策略下的最小等效氫耗對(duì)比

由圖10～圖13可知，不同優(yōu)化策略下的最小等效氫耗如表1所示。

表1 不同優(yōu)化策略下的最小等效氫耗Tab.1 Minimum equivalent hydrogen consumption at different optimization strategies

由表1可知，當(dāng)UUV航行在11.6 kn時(shí)，單獨(dú)路徑規(guī)劃下，其在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗最小，但單獨(dú)能量管理策略優(yōu)化下的等效氫耗并不是最小，說(shuō)明能量管理和路徑規(guī)劃并不是通過(guò)簡(jiǎn)單地相加就可以使UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗更小，它們之間存在耦合關(guān)系。相比單獨(dú)能量管理優(yōu)化和單獨(dú)路徑規(guī)劃，能量管理和路徑規(guī)劃協(xié)同優(yōu)化能夠更大程度地減少UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的最小等效氫耗。

6 結(jié)論

考慮搭乘海流的可能性，本文將UUV內(nèi)部能量管理和外部路徑規(guī)劃協(xié)同，以提高UUV總體態(tài)勢(shì)感知，從而促進(jìn)UUV做出更加穩(wěn)健、高效的決策。并得出以下結(jié)論：

(1)為使得UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)獲得更小的等效瞬時(shí)氫耗，當(dāng)UUV航行在中低速(即1～11 kn附近)范圍時(shí)，UUV由燃料電池系統(tǒng)供電；當(dāng)UUV航行在高速范圍時(shí)，燃料電池系統(tǒng)全功率運(yùn)行，蓄電池系統(tǒng)承擔(dān)剩余負(fù)荷功率。

(2)UUV有選擇性地搭乘海流可以使其在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗更小。當(dāng)UUV的航速大于一定航速時(shí)，為了獲得更低的等效氫耗，UUV選擇繞路搭乘海流；當(dāng)UUV的航速小于一定航速時(shí)，UUV選擇直達(dá)路線。

(3)能量管理策略方案通過(guò)減少相同航速下UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)的等效瞬時(shí)氫耗，減小UUV選擇繞路搭乘海流的起始速度，約4.88%。

(4)能量管理和路徑規(guī)劃并不是通過(guò)簡(jiǎn)單的相加就可以使UUV所需的等效氫耗更小，它們之間相互耦合。且在本文所提協(xié)同優(yōu)化策略下，UUV在起始點(diǎn)之間航行需要的等效氫耗可減少30.08%。

需要指出的是，本文對(duì)于不同壽命階段、不同故障類型下燃料電池和蓄電池之間的功率分配以及路徑規(guī)劃尚未進(jìn)行考慮，如何綜合考慮系統(tǒng)壽命和故障對(duì)能耗的影響，將是下一步的研究重點(diǎn)。