[發(fā)明專利]一種基于遺傳算法的多USV群體協(xié)同避碰規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910033307.4
• 申請日: 2019-01-14
• 公開（公告）號: CN109765890B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王宏健;付忠健;于丹;徐欣;高娜
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G06F30/15;G06F30/27;G06N3/00
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一種基于遺傳算法的多USV群體協(xié)同避碰規(guī)劃方法，屬于USV控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先采用浮點數(shù)編碼方式對USV的速度調(diào)節(jié)量和艏向調(diào)節(jié)量進行初始化編碼并設(shè)置其他控制參數(shù)；然后構(gòu)建評價函數(shù)，計算出種群的每代個體的評價函數(shù)值從而對種群個體進行輪盤賭選擇、離散交叉、高斯變異的遺傳操作，建立迭代過程得出最優(yōu)解；最后利用QT軟件構(gòu)建USV避碰規(guī)劃仿真軟件平臺，添加雷達探測模塊和遺傳算法，設(shè)計典型的仿真案例驗證算法的有效性。本發(fā)明解決了遺傳算法的時效性差、陷入局部最優(yōu)、過早收斂、子代最優(yōu)劣于父代最優(yōu)等問題以及航行過程的大角度轉(zhuǎn)向、大范圍加減速的不良航行問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于USV控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于遺傳算法的多USV群體協(xié)同避碰規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，人類對海洋資源的開發(fā)利用方式變得多種多樣，為了適應近海淺水域作戰(zhàn)、開展搜集氣象和海洋數(shù)據(jù)等非戰(zhàn)斗性海軍活動等任務(wù)而設(shè)計的USV(無人水面艇)脫穎而出。USV經(jīng)常被用來在嚴峻復雜的海洋環(huán)境中執(zhí)行各種特殊的、不適合有人平臺完成的軍事活動、海事監(jiān)管、海洋安全巡航等任務(wù)，然而對于一些復雜、動態(tài)性高、難度較大的任務(wù)，單一的USV則難以勝任。在這種情況下，多USV以其整體優(yōu)勢逐漸被重視。而實現(xiàn)避碰功能是多USV航行作業(yè)的一大重要前提，避碰規(guī)劃技術(shù)始終是USV技術(shù)研究的熱點之一。目前，國內(nèi)外對多USV避碰規(guī)劃技術(shù)的研究較少，而應用遺傳算法進行多USV避碰規(guī)劃的則更少，具有代表性如文獻[1]，劉佳男.基于進化遺傳算法的無人艇避碰系統(tǒng)研究[D].大連：大連海事大學碩士學位論文,2015.基于進化遺傳算法設(shè)計的USV避碰決策系統(tǒng)采取啟發(fā)式的種群初始化方法，由經(jīng)濟性、平滑性、安全性作為評價因子，并在傳統(tǒng)遺傳操作中新加入了刪除、修復操作建立優(yōu)化迭代過程。文獻[2]何愛民、何曉文、肖濱.基于改進遺傳算法的水下無人平臺航路規(guī)劃[J].青島大學學報,2012,17(4):89-92.遺傳算法的適應度函數(shù)結(jié)合了基于時變選擇策略的模擬退火算法，利用模擬退火算法擺脫局部最優(yōu)的能力來避免遺傳算法陷入局部最優(yōu)。文獻[3]畢校偉、程向紅.基于多種群遺傳算法的水面無人艇航跡控制方法[J].測控技術(shù),2018,37(4):1-5.中的多種群遺傳算法采用不同種群取不同進化參數(shù)、改變種群進化模型和種群間添加移民算子的方法克服陷入局部最優(yōu)的問題。

現(xiàn)有技術(shù)的缺陷：遺傳算法作為一種智能化的全局搜索算法，應用到USV對象中進行避碰規(guī)劃，存在陷入局部最優(yōu)、過早收斂、子代最優(yōu)劣于父代最優(yōu)等問題。另一方面，算法迭代次數(shù)和種群容量決定每次優(yōu)化時長，普遍具有實效性差的缺陷，文獻[2]遺傳算法的適應度函數(shù)中嵌套了模擬退火算法，算法求解困難且必定會大幅度增加每次迭代的時間，文獻[3]多種群遺傳算法采用的種群間移民算子作用很小，并且未考慮實際USV航行中的平滑性、穩(wěn)定性等要求對轉(zhuǎn)向和速度設(shè)限。文獻[1]采用的啟發(fā)式二進制初始化編碼過程繁雜冗余，添加的刪除、修復操作作用不大，經(jīng)濟性、平滑性、安全性作為評價因子難以建模衡量，并且設(shè)計的簡單仿真案例無法證明算法的有效性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于遺傳算法的多USV群體協(xié)同避碰規(guī)劃方法，利用遺傳算法的實時規(guī)劃使多USV從起點出發(fā)駛向終點的過程中避開環(huán)境中所有靜態(tài)障礙物、USV間不發(fā)生碰撞、不出現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向與大范圍加減速，并且遺傳算法能夠穩(wěn)定、準確、快速得到最優(yōu)解。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種基于遺傳算法的多USV群體協(xié)同避碰規(guī)劃方法，包括如下步驟：

步驟1：采用浮點數(shù)編碼方式對USV的速度調(diào)節(jié)量和艏向調(diào)節(jié)量進行初始化編碼并設(shè)置控制參數(shù)；

步驟2：構(gòu)建評價函數(shù)，計算出種群的每代個體的評價函數(shù)值從而對種群個體進行輪盤賭選擇、離散交叉、高斯變異的遺傳操作，建立迭代過程得出最優(yōu)解；

步驟3：利用QT軟件構(gòu)建USV避碰規(guī)劃仿真軟件平臺，添加雷達探測模塊和遺傳算法，設(shè)計典型的仿真案例驗證方法的有效性。

所述步驟2中評價函數(shù)為：