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

背景技術(shù)：

1、無人機飛行路徑規(guī)劃技術(shù)作為無人機智能化過程的一個重要組成部分一直被國內(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、人工勢場法等。進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、人工魚群算法、螢火蟲優(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)劃的過程中各有優(yōu)缺點。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，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。螞蟻在尋路過程中受到基于地圖的信息素的引導而最終尋找到路徑。相較于其他方法，其魯棒性強且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，易于發(fā)揮并行計算的優(yōu)勢，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。

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

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

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

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

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

6、（22）計算引導層螞蟻啟發(fā)函數(shù),并選擇下一個節(jié)點；記錄螞蟻走過的路徑，并更新禁忌表；

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

8、（24）構(gòu)建優(yōu)化層搜索區(qū)域；

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

10、（26）計算優(yōu)化層螞蟻下一個節(jié)點；記錄螞蟻走過的路徑，并更新禁忌表；

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

12、（28）對到達目標節(jié)點的種群個體采用交叉變異的操作并更新信息素；

13、（29）判斷是否進入最大迭代次數(shù)，未達到返回步驟（22），達到則對路徑雙向冗余節(jié)點刪除；

14、（3）輸出最優(yōu)規(guī)劃路徑。

15、進一步的，步驟（2）還包括：（20）初始化信息素，使用a*方法規(guī)劃起始點與目標點之間的路徑，強化路徑上的信息素濃度，對其他柵格節(jié)點的初始化信息素進行遞減賦值。

16、進一步的，步驟（22）啟發(fā)函數(shù)公式如下：

17、；

18、；

19、其中，i表示當前節(jié)點，j為待選節(jié)點，表示當前節(jié)點i和待選節(jié)點j之間的歐氏距離，表示待選節(jié)點j和目標節(jié)點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j的橫坐標，ix表示節(jié)點i的橫坐標，ex表示節(jié)點e的橫坐標；jy表示節(jié)點j的縱坐標，iy表示節(jié)點i的縱坐標，ey表示節(jié)點e的縱坐標；dis(i,j)表示節(jié)點i和j之間的距離，dis(i,e)表示節(jié)點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)，表示當前迭代次數(shù)。

22、進一步的，步驟（22）選擇下一節(jié)點j，公式如下：

23、；

24、其中，c代表螞蟻k在節(jié)點i時可選擇的節(jié)點集合，代表在t時刻路徑<i,j>上的信息素濃度；為t時刻啟發(fā)函數(shù)；代表在t時刻路徑<i,s>上的信息素濃度；為t時刻 s點的啟發(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j，目標節(jié)點e以及起始節(jié)點s三個節(jié)點之間的歐式距離。

28、進一步的，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i-1到當前節(jié)點i方向的向量和當前節(jié)點i到節(jié)點j方向的向量的夾角。

31、進一步的，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)點公式如下：

32、；

33、其中，為節(jié)點轉(zhuǎn)角因子的權(quán)值。

34、進一步的，步驟（28）具體如下：根據(jù)不同個體的適應(yīng)度值大小，對螞蟻個體的交叉和變異的概率進行變化，適應(yīng)度值公式如下：

35、；

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

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，為信息素揮發(fā)系數(shù)，q為適應(yīng)度的權(quán)值，為信息素增強削弱因子，公式如下：

43、；

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

45、本發(fā)明所述的一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序被加載至處理器時實現(xiàn)任一項所述的一種無人機飛行路徑規(guī)劃方法。

46、本發(fā)明所述的一種存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)任一項所述的一種無人機飛行路徑規(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：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，基礎(chǔ)層尋路，尋優(yōu)層進一步尋找優(yōu)化路徑；信息素更新的過程中加入了進化算法的思想，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削弱因子，增強了方法的正反饋機制。最后對規(guī)劃出的路徑雙向刪除冗余節(jié)點。本發(fā)明提高了無人機飛行路徑規(guī)劃的效率、減少了規(guī)劃時間、規(guī)劃出的路徑更平滑，結(jié)果更優(yōu)。

技術(shù)特征：

1.一種無人機飛行路徑規(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所述的一種無人機飛行路徑規(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)劃起始點與目標點之間的路徑，強化路徑上的信息素濃度，對其他柵格節(jié)點的初始化信息素進行遞減賦值。

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

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機飛行路徑規(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所述的一種無人機飛行路徑規(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所述的一種無人機飛行路徑規(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)點公式如下：

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

9.一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被加載至處理器時實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的一種無人機飛行路徑規(guī)劃方法。

10.一種存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求?1-8任一項所述的一種無人機飛行路徑規(guī)劃方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種無人機飛行路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：（1）使用柵格法對飛行區(qū)域進行建模，對基本參數(shù)初始化；（2）基于改進的雙層蟻群算法進行無人機飛行路徑規(guī)劃；（3）輸出最優(yōu)規(guī)劃路徑；本發(fā)明提高了無人機飛行路徑規(guī)劃的效率、減少了規(guī)劃時間、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
受保護的技術(shù)使用者：南京信息工程大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19