本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃，具體涉及一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃技術(shù)作為無(wú)人機(jī)智能化過(guò)程的一個(gè)重要組成部分一直被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛研究。目前的路徑規(guī)劃的方法主要包括經(jīng)典算法、進(jìn)化算法以及群體智能算法等。其中經(jīng)典算法包括a*算法、dijkstra算法、floyd算法、人工勢(shì)場(chǎng)法等。進(jìn)化算法包括模擬退火算法、遺傳算法等。此外智能算法如蟻群算法、粒子群算法、人工魚(yú)群算法、螢火蟲(chóng)優(yōu)化算法等算法也被逐步應(yīng)用到路徑規(guī)劃的研究之中。以上方法在應(yīng)用到路徑規(guī)劃的過(guò)程中各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中a*算法在障礙物密度較低的情況下容易快速規(guī)劃出路徑，但在高密度環(huán)境下搜索容易陷入死區(qū)。遺傳算法全局搜索能力強(qiáng)，局部搜索能力較弱，往往只能得到次優(yōu)解而不是最優(yōu)解。蟻群方法是一種群智能優(yōu)化方法，它是由自然界中螞蟻覓食的行為所啟發(fā)提出的。螞蟻在尋路過(guò)程中受到基于地圖的信息素的引導(dǎo)而最終尋找到路徑。相較于其他方法，其魯棒性強(qiáng)且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，易于發(fā)揮并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，然而仍存在收斂速度慢、容易陷入局部最優(yōu)、早熟收斂等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，解決存在收斂速度慢、容易陷入局部最優(yōu)、早熟收斂的問(wèn)題。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：

3、（1）使用柵格法對(duì)飛行區(qū)域進(jìn)行建模，對(duì)基本參數(shù)初始化；

4、（2）基于改進(jìn)的雙層蟻群算法進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃，包括以下步驟：

5、（21）將m只螞蟻放在起始節(jié)點(diǎn)，并且將起始節(jié)點(diǎn)加入禁忌表；

6、（22）計(jì)算引導(dǎo)層螞蟻啟發(fā)函數(shù),并選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；記錄螞蟻?zhàn)哌^(guò)的路徑，并更新禁忌表；

7、（23）若螞蟻編號(hào)不大于m/2只，則再次進(jìn)入步驟（22）引導(dǎo)層螞蟻的搜索，否則進(jìn)入步驟（24）；

8、（24）構(gòu)建優(yōu)化層搜索區(qū)域；

9、（25）計(jì)算優(yōu)化層螞蟻啟發(fā)式函數(shù)和轉(zhuǎn)角因子；

10、（26）計(jì)算優(yōu)化層螞蟻下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；記錄螞蟻?zhàn)哌^(guò)的路徑，并更新禁忌表；

11、（27）若螞蟻編號(hào)不大于m只，則再次進(jìn)入步驟（25）優(yōu)化層螞蟻的搜索，否則進(jìn)入步驟（28）；

12、（28）對(duì)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的種群個(gè)體采用交叉變異的操作并更新信息素；

13、（29）判斷是否進(jìn)入最大迭代次數(shù)，未達(dá)到返回步驟（22），達(dá)到則對(duì)路徑雙向冗余節(jié)點(diǎn)刪除；

14、（3）輸出最優(yōu)規(guī)劃路徑。

15、進(jìn)一步的，步驟（2）還包括：（20）初始化信息素，使用a*方法規(guī)劃起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的路徑，強(qiáng)化路徑上的信息素濃度，對(duì)其他柵格節(jié)點(diǎn)的初始化信息素進(jìn)行遞減賦值。

16、進(jìn)一步的，步驟（22）啟發(fā)函數(shù)公式如下：

17、；

18、；

19、其中，i表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，j為待選節(jié)點(diǎn)，表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i和待選節(jié)點(diǎn)j之間的歐氏距離，表示待選節(jié)點(diǎn)j和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)e之間的歐氏距離；表示ji以及je之間的夾角， w為常數(shù)；jx表示節(jié)點(diǎn)j的橫坐標(biāo)，ix表示節(jié)點(diǎn)i的橫坐標(biāo)，ex表示節(jié)點(diǎn)e的橫坐標(biāo)；jy表示節(jié)點(diǎn)j的縱坐標(biāo)，iy表示節(jié)點(diǎn)i的縱坐標(biāo)，ey表示節(jié)點(diǎn)e的縱坐標(biāo)；dis(i,j)表示節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離，dis(i,e)表示節(jié)點(diǎn)i和e之間的距離；為啟發(fā)函數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整因子，公式如下：

20、；

21、其中，表示最大迭代次數(shù)，表示當(dāng)前迭代次數(shù)。

22、進(jìn)一步的，步驟（22）選擇下一節(jié)點(diǎn)j，公式如下：

23、；

24、其中，c代表螞蟻k在節(jié)點(diǎn)i時(shí)可選擇的節(jié)點(diǎn)集合，代表在t時(shí)刻路徑<i,j>上的信息素濃度；為t時(shí)刻啟發(fā)函數(shù)；代表在t時(shí)刻路徑<i,s>上的信息素濃度；為t時(shí)刻 s點(diǎn)的啟發(fā)函數(shù)；是信息素濃度的權(quán)值；是啟發(fā)函數(shù)的權(quán)值。

25、進(jìn)一步的，步驟（25）中，優(yōu)化層的啟發(fā)函數(shù)公式如下：

26、；

27、其中，、和表示待選節(jié)點(diǎn)j，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)e以及起始節(jié)點(diǎn)s三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的歐式距離。

28、進(jìn)一步的，步驟（25）中，轉(zhuǎn)角因子公式如下：

29、；

30、其中，為轉(zhuǎn)角因子，表示上一節(jié)點(diǎn)i-1到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i方向的向量和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j方向的向量的夾角。

31、進(jìn)一步的，步驟（26）中，根據(jù)轉(zhuǎn)角因子，優(yōu)化層螞蟻使用下式選擇下一節(jié)點(diǎn)公式如下：

32、；

33、其中，為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角因子的權(quán)值。

34、進(jìn)一步的，步驟（28）具體如下：根據(jù)不同個(gè)體的適應(yīng)度值大小，對(duì)螞蟻個(gè)體的交叉和變異的概率進(jìn)行變化，適應(yīng)度值公式如下：

35、；

36、其中，w1、w2分別表示路徑長(zhǎng)度以及路徑平滑度的權(quán)值；l(p)和b(p)分別為路徑長(zhǎng)度和路徑平滑程度；b(p)的計(jì)算公式：

37、；

38、其中，、分別表示轉(zhuǎn)彎次數(shù)和轉(zhuǎn)彎總角度的系數(shù)，且滿足； n turn是轉(zhuǎn)彎次數(shù)；

39、信息素更新公式如下：

40、；

41、；

42、其中，為信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，q為適應(yīng)度的權(quán)值，為信息素增強(qiáng)削弱因子，公式如下：

43、；

44、其中，代表歷史最優(yōu)適應(yīng)度，u為常數(shù)控制著增強(qiáng)削弱因子的強(qiáng)度。

45、本發(fā)明所述的一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被加載至處理器時(shí)實(shí)現(xiàn)任一項(xiàng)所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法。

46、本發(fā)明所述的一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)任一項(xiàng)所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法。

47、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：初期搜索階段使用a*法得到次優(yōu)路徑，以該路徑非均勻化分配信息素。設(shè)計(jì)了雙層搜索的模式，兩層螞蟻的啟發(fā)式函數(shù)分別設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)層尋路，尋優(yōu)層進(jìn)一步尋找優(yōu)化路徑；信息素更新的過(guò)程中加入了進(jìn)化算法的思想，提高螞蟻種群的多樣性。信息素更新方式加入了信息素增強(qiáng)削弱因子，增強(qiáng)了方法的正反饋機(jī)制。最后對(duì)規(guī)劃出的路徑雙向刪除冗余節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明提高了無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃的效率、減少了規(guī)劃時(shí)間、規(guī)劃出的路徑更平滑，結(jié)果更優(yōu)。

技術(shù)特征：

1.一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟（2）還包括：（20）初始化信息素，使用a*方法規(guī)劃起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的路徑，強(qiáng)化路徑上的信息素濃度，對(duì)其他柵格節(jié)點(diǎn)的初始化信息素進(jìn)行遞減賦值。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟（22）啟發(fā)函數(shù)公式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟（22）選擇下一節(jié)點(diǎn)j，公式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟（25）中，優(yōu)化層的啟發(fā)函數(shù)公式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟（25）中，轉(zhuǎn)角因子公式如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟（26）中，根據(jù)轉(zhuǎn)角因子，優(yōu)化層螞蟻使用下式選擇下一節(jié)點(diǎn)公式如下：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟（28）具體如下：根據(jù)不同個(gè)體的適應(yīng)度值大小，對(duì)螞蟻個(gè)體的交叉和變異的概率進(jìn)行變化，適應(yīng)度值公式如下：

9.一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被加載至處理器時(shí)實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法。

10.一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求?1-8任一項(xiàng)所述的一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：（1）使用柵格法對(duì)飛行區(qū)域進(jìn)行建模，對(duì)基本參數(shù)初始化；（2）基于改進(jìn)的雙層蟻群算法進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃；（3）輸出最優(yōu)規(guī)劃路徑；本發(fā)明提高了無(wú)人機(jī)飛行路徑規(guī)劃的效率、減少了規(guī)劃時(shí)間、規(guī)劃出的路徑更平滑，結(jié)果更優(yōu)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳曉,毛燁炳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京信息工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19