[發(fā)明專利]基于多種群協(xié)作果蠅優(yōu)化的多無人機協(xié)同路徑規(guī)劃方法

有效

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• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN110986958B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設計）人: 張祥銀;史坤明;賈桐;夏爽
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G06N3/00;G06Q10/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

本發(fā)明公開一種基于多種群協(xié)作果蠅優(yōu)化的多無人機協(xié)同路徑規(guī)劃方法，利用果蠅優(yōu)化算法，并對其進行改進，將果蠅分群，令果蠅種群之間互相競爭，提高了其在協(xié)同規(guī)劃多機飛行路徑情況下的收斂速度，降低了無人機的飛行成本。

技術領域

本發(fā)明屬于機器人技術領域，尤其涉及一種基于多種群協(xié)作果蠅優(yōu)化的多無人機協(xié)同路徑規(guī)劃方法。

技術背景

多無人機協(xié)同已經(jīng)成為很多任務的首選方法，三維航路規(guī)劃是無人機自主控制的關鍵組成部分。航路規(guī)劃算法的目標是在為無人機計算出最優(yōu)的飛行路徑，這個飛行路線能使無人機躲開特定的區(qū)域，在以較短的時間，較少的能耗到達目標點。多無人機三維航路協(xié)同規(guī)劃問題屬于多約束的復雜優(yōu)化問題，通常具有如下特點：評價飛行路徑的指標很多，構成的目標函數(shù)計算開銷大；地圖環(huán)境情況復雜，數(shù)據(jù)量大或描述困難；無人機飛行性能限制等；需要優(yōu)化的變量多，搜索空間往往具有維數(shù)爆炸的特點；機上設備有限，計算速度慢。因此，無人機航路規(guī)劃最關鍵的就是如何處理無人機自身物理特性帶來的多種復雜約束，在較短時間內(nèi)快速得出最優(yōu)航路。

求解多機三維航路規(guī)劃問題的方法大體可以分為傳統(tǒng)規(guī)劃算法和智能規(guī)劃算法。其中，傳統(tǒng)規(guī)劃算法有動態(tài)規(guī)劃法，A星算法等；智能規(guī)劃方法有神經(jīng)網(wǎng)絡方法、進化計算及群體智能方法等。從這些規(guī)劃算法的特點和航路規(guī)劃問題的要求來看，智能規(guī)劃方法已成為求解無人機航路規(guī)劃問題的發(fā)展趨勢，包括遺傳算法、退火算法、鳥群算法等。盡管這些航路規(guī)劃技術正進一步向智能化、實用化方向發(fā)展，但仍各自存在著諸多問題。例如，A星算法基于確定的過程，利用數(shù)學優(yōu)化的方法進行路徑規(guī)劃，所需時間長；群體智能方法的控制參數(shù)難于選擇，性能不穩(wěn)定、隨機性強，容易過早收斂或陷入局部最優(yōu)。因此，需要進一步發(fā)展更加優(yōu)越的規(guī)劃方法。

果蠅優(yōu)化算法(Fruit fly optimization algorithm,FOA)一種基于果蠅覓食行為的啟發(fā)式全局最優(yōu)化算法。果蠅在嗅覺與視覺上，優(yōu)于其他物種。果蠅的嗅覺器官能夠搜集到空氣中的食物的氣味，甚至能嗅到很遠距離的食物。當果蠅靠近食物位置后，能夠通過的視覺發(fā)現(xiàn)食物的具體位置與同伴的聚集位置，并且朝該方向飛去。受果蠅上述特點而啟發(fā)的果蠅優(yōu)化算法在對單機進行路徑規(guī)劃時的效果很好，但是在處理多機問題時效果較差，且存在著編碼方式適用性限制多、易陷于局部最優(yōu)等缺點，因此在應用果蠅優(yōu)化算法解決三維航路規(guī)劃問題時需要對原始算法進行改進。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：

本發(fā)明基于果蠅優(yōu)化算法，改進后得到一種用于解決多無人機協(xié)同路徑規(guī)劃的方法。

技術方案：

本發(fā)明利用果蠅優(yōu)化算法，并對其進行改進，將果蠅分群，令果蠅種群之間互相競爭，提高了其在協(xié)同規(guī)劃多機飛行路徑情況下的收斂速度，降低了無人機的飛行成本。

準備工作：確定無人機飛行任務信息，包括起點坐標(X_s,j,Y_s,j,Z_s,j)和終點坐標(X_T,Y_T,Z_T)，任務需要的無人機的數(shù)量Num，無人機的最大飛行速度v_max，最大轉彎過載n_max，重力加速度G和飛行最低高度h_min。任務地圖信息p，邊界分別表示地圖在長、寬、高上的限制。每架飛機需要規(guī)劃出的航路控制點個數(shù)D；

確定敵方地面武器信息，包括威脅類型，如雷達、導彈、高炮等，武器位置(x_threat,y_threat)，以及各自的威脅范圍。

設定改進果蠅算法的相關參數(shù)，包括最大迭代次數(shù)NC_max，果蠅群體數(shù)gr，果蠅群體規(guī)模M_pop，雜交遺傳系數(shù)coe₁和coe₂。

步驟一：開始，令N＝1。