【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法。
技術(shù)介紹
1、隨著無人駕駛飛行器技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于包括搜索與救援、環(huán)境監(jiān)測以及軍事偵察等在內(nèi)的多種復(fù)雜和危險(xiǎn)任務(wù)中。特別是在地震災(zāi)區(qū)，由于地形復(fù)雜、道路受損嚴(yán)重，陸路運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)極高，因而利用無人機(jī)進(jìn)行物資運(yùn)輸成為首選。然而，要保證無人機(jī)在這些復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)順利執(zhí)行，路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。為此，研究一種能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的高效路徑規(guī)劃算法，對于提升無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行的成功率和效率至關(guān)重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提升無人機(jī)在地形復(fù)雜的災(zāi)區(qū)環(huán)境中的路徑規(guī)劃效果，提供一種基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)(iso)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，通過構(gòu)建環(huán)境模型并整合威脅信息和數(shù)字高程數(shù)據(jù)，為無人機(jī)在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中的飛行任務(wù)提供更加高效的路徑規(guī)劃。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：一種基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，通過整合數(shù)字高程信息和威脅信息，生成等效的環(huán)境模型，以模擬真實(shí)環(huán)境，并采用改進(jìn)的蛇優(yōu)化器進(jìn)行無人機(jī)路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在復(fù)雜地形中的路徑規(guī)劃。
3、在本專利技術(shù)一實(shí)施例中，所述環(huán)境模型構(gòu)建方式具體如下：
4、(1)建立數(shù)字高程信息，即將規(guī)劃空間抽象為帶有高程信息的三維數(shù)字地圖；
5、假設(shè)空間中每個(gè)點(diǎn)的高程值是該點(diǎn)在水平面上的坐標(biāo)與水平面上的高度的函數(shù)，水平面上的高度設(shè)為hmin，當(dāng)無人機(jī)的高度低于水平面上的高度時(shí)，禁止飛
6、z1(x,y)＝f(x,y)+hmin
7、其中，z1(x,y)表示點(diǎn)(x,y)的高程值，f(x,y)表示該點(diǎn)與水平坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，hmin是無人機(jī)的最低飛行高度限制；
8、(2)威脅模型的等效變換公式如下：
9、
10、其中，z2(x,y)表示第i個(gè)威脅點(diǎn)的標(biāo)高值，n為威脅點(diǎn)的總數(shù)，hi表示威脅點(diǎn)的影響范圍，(xi0,yi0)為威脅點(diǎn)的中心坐標(biāo)，xsi和ysi分別表示沿x軸和y軸的斜率；
11、將三維數(shù)字地圖與威脅模型結(jié)合，生成等效的環(huán)境模型，環(huán)境模型的高程信息表示為：
12、z(x,y)＝max(z1(x,y),z2(x,y))。
13、在本專利技術(shù)一實(shí)施例中，無人機(jī)的飛行軌跡通過成本函數(shù)進(jìn)行評估，選擇具有最小成本的最優(yōu)軌跡；考慮燃料消耗成本和威脅成本，軌跡成本評估函數(shù)建立如下：
14、
15、其中，j為軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，l為無人機(jī)飛行路徑的長度，jf(s)表示燃料消耗成本，jt(s)表示地形威脅成本，δf和δt為成本的權(quán)重值；
16、燃料消耗成本與飛行路徑長度相關(guān)，表達(dá)式為：
17、jf＝c1·l
18、其中，c1是路徑長度與燃料消耗的比例常數(shù)；
19、地形威脅成本由山地模型組成，無人機(jī)在山地地形下的碰撞概率表示為：
20、
21、其中，h為無人機(jī)的飛行高度，h為障礙物的高度，dt為無人機(jī)受山區(qū)地形影響的距離，dtmax和dtmin表示無人機(jī)在不同高度下受到的最大影響距離和最小影響距離；rt表示山在當(dāng)前高度的延伸半徑；
22、假設(shè)有n個(gè)對無人機(jī)的威脅成本，軌跡的地形威脅成本通過對整個(gè)軌跡上的山地威脅進(jìn)行求和計(jì)算：
23、jtkt＝(pt(dkt,1)+pt(dkt,2)+pt(dkt,3)+pt(dkt,4)+pt(dkt,5))/5
24、其中k表示當(dāng)前計(jì)算的威脅點(diǎn)的編號
25、
26、其中，jtkt是每個(gè)威脅點(diǎn)的威脅成本，n表示威脅點(diǎn)的數(shù)量。
27、在本專利技術(shù)一實(shí)施例中，所述蛇優(yōu)化器具體實(shí)現(xiàn)流程如下：
28、1)初始化
29、首先，蛇優(yōu)化器so會(huì)生成一個(gè)均勻分布的隨機(jī)初始種群，初始種群由以下公式求得：
30、xi＝xmin+rand×(xmax-xmin)
31、其中，xi表示第i個(gè)個(gè)體的位置，rand是[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，xmin和xmax分別是下界和上界；
32、2)劃分種群
33、假設(shè)種群分為兩組：雄性種群和雌性種群，其數(shù)量各占一半；用下面的兩個(gè)公式和來劃分群體：
34、nm＝n/2
35、nf＝n-nm
36、其中，n是種群中個(gè)體的數(shù)量，nm指的是雄蛇數(shù)量，nf指的是雌蛇數(shù)量；
37、3)定義溫度和食物
38、溫度temp用下式定義：
39、
40、其中，t為當(dāng)前迭代次數(shù)，t為最大迭代次數(shù)；
41、食物量q用下式得到；
42、
43、其中，c1是常數(shù)；
44、4)食物不足時(shí)即探索階段
45、如果食物不足，即q<0.25時(shí)，蛇通過選擇任意隨機(jī)的位置來尋找食物，并更新它們的位置；對探索階段進(jìn)行建模，如下：
46、xi,m(t+1)＝xrand,m±c2×am×((xmax-xmin)×rand+xmin)
47、其中，xi,m為第i條雄蛇的位置，xrand,m為隨機(jī)一條雄蛇的位置，c2是常數(shù)，am為雄蛇尋找食物的能力，其計(jì)算公式如下：
48、
49、其中，frand,m為xrand,m的適應(yīng)度值，fi,m是雄性種群中第i條蛇的適應(yīng)度值；
50、xi,f(t+1)＝xrand,f±c2×af×((xmax-xmin)×rand+xmin)
51、其中，xi,f是第i條雌蛇的位置，xrand,f是隨機(jī)一條雌蛇的位置，af為雌蛇尋找食物的能力，其計(jì)算公式如下：
52、
53、其中，frand,f是xrand,f的適應(yīng)度值，fi,f是雌性種群中第i條蛇的適應(yīng)度值；
54、5)食物充足時(shí)即開發(fā)階段
55、如果食物充足，且溫度充足，即q>0.25且temp>0.6時(shí)，蛇只會(huì)向食物移動(dòng)；
56、xi,j(t+1)＝xfood±c3×temp×rand×(xfood-xi,j(t))
57、其中，xi,j是個(gè)體即雄蛇或雌蛇的位置，xfood是最優(yōu)個(gè)體的位置，c3是常數(shù)，如果食物充足，但溫度不足，即q>0.25且temp<0.6時(shí)，蛇將處于斗爭模式或交配模式；
58、5.1)斗爭模式
59、xi,m(t+1)＝xi,m(t)±c3×fm×rand×(xbest,f-xi,m(t))
60、其中，xbest,f為雌性種群中最優(yōu)個(gè)體的位置，fm為雄蛇的戰(zhàn)斗能力
61、xi,f(t+1)＝xi,f(t+1)±c3×ff×rand×(xbest,m-xi,f(t+1))
62、其中，xbest,m本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，通過整合數(shù)字高程信息和威脅信息，生成等效的環(huán)境模型，以模擬真實(shí)環(huán)境，并采用改進(jìn)的蛇優(yōu)化器進(jìn)行無人機(jī)路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在復(fù)雜地形中的路徑規(guī)劃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述環(huán)境模型構(gòu)建方式具體如下：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，無人機(jī)的飛行軌跡通過成本函數(shù)進(jìn)行評估，選擇具有最小成本的最優(yōu)軌跡；考慮燃料消耗成本和威脅成本，軌跡成本評估函數(shù)建立如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述蛇優(yōu)化器具體實(shí)現(xiàn)流程如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，引入包括Hammersley序列的初始化種群方法、Levy飛行策略、以及幽靈對抗學(xué)習(xí)策略對蛇優(yōu)化器進(jìn)行改進(jìn)，得到改進(jìn)的蛇優(yōu)化器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，引入Hammers
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，引入Levy飛行策略，即在蛇優(yōu)化器的步驟5)食物充足時(shí)即開發(fā)階段中對個(gè)體即雄蛇或雌蛇的位置更新公式進(jìn)行替換，具體實(shí)現(xiàn)如下：
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，引入Levy飛行策略，即在蛇優(yōu)化器的步驟5)食物充足時(shí)即開發(fā)階段中引入一種基于幽靈對抗特殊的對立學(xué)習(xí)機(jī)制來增強(qiáng)算法的全局搜索能力，具體實(shí)現(xiàn)如下：
9.一種基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于，包括存儲器、處理器以及存儲于存儲器上并能夠被處理器運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序指令，當(dāng)處理器運(yùn)行該計(jì)算機(jī)程序指令時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)如權(quán)利要求1-8任一所述的方法步驟。
10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有能夠被處理器運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序指令，當(dāng)處理器運(yùn)行該計(jì)算機(jī)程序指令時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)如權(quán)利要求1-8任一所述的方法步驟。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，通過整合數(shù)字高程信息和威脅信息，生成等效的環(huán)境模型，以模擬真實(shí)環(huán)境，并采用改進(jìn)的蛇優(yōu)化器進(jìn)行無人機(jī)路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在復(fù)雜地形中的路徑規(guī)劃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述環(huán)境模型構(gòu)建方式具體如下：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，無人機(jī)的飛行軌跡通過成本函數(shù)進(jìn)行評估，選擇具有最小成本的最優(yōu)軌跡；考慮燃料消耗成本和威脅成本，軌跡成本評估函數(shù)建立如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述蛇優(yōu)化器具體實(shí)現(xiàn)流程如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，引入包括hammersley序列的初始化種群方法、levy飛行策略、以及幽靈對抗學(xué)習(xí)策略對蛇優(yōu)化器進(jìn)行改進(jìn)，得到改進(jìn)的蛇優(yōu)化器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于蛇優(yōu)化器改進(jìn)的高級無人機(jī)路徑規(guī)劃方法，其特征...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張帥，游錦煌，陳宇軒，張鑫帆，饒鵬濤，鐘煒祥，郭慶，連曉楓，林錫潤，陳立龍，
申請(專利權(quán))人：三明學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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