[發(fā)明專利]基于多目標遺傳算法的飛行器航跡快速規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011310027.2
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112525195B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設計）人: 黃宏斌;厲彥民;劉志廣;張乾浩;劉麗華;周浩浩;吳繼冰;王懋
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 長沙大珂知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 43236
• 代理人: 伍志祥

1.基于多目標遺傳算法的飛行器航跡快速規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，建立基于誤差校正的飛行器航跡規(guī)劃模型；

步驟2，采用多目標遺傳算法對所述的飛行器航跡規(guī)劃模型進行求解；

步驟3，綜合考慮航跡長度和校正點的數(shù)目，獲得航跡規(guī)劃結(jié)果；

步驟1中所述的飛行器航跡規(guī)劃模型的目標函數(shù)為總校正次數(shù)和飛行器軌跡長度組成的一個向量為目標函數(shù)，目標函數(shù)如下：

目標函數(shù)使飛行器的航跡長度盡可能小，并且在此基礎上使飛行器經(jīng)過校正區(qū)域進行校正的次數(shù)盡可能少；其中，m為校正點總個數(shù)，c_i為第i個校正點的決策變量，若校正點被選擇為航跡，則c_i＝1，否則c_i＝0；f₁(c)為校正次數(shù)求和函數(shù)，

其中，x_i,y_i,z_i分別為第i個校正點所在三維空間對應點的x軸坐標值、y軸坐標值、z軸坐標值，f₂(x,y,z)為飛行器軌跡長度的求和函數(shù)；

飛行器在空中實時定位，當垂直誤差和水平誤差均小于θ個單位時，飛行器仍能按照規(guī)劃路徑飛行，即：其中，為垂直誤差，水平誤差；

飛行器垂直誤差和水平誤差的計算方法：其中，δ為飛行器飛行1米垂直誤差和水平誤差增加的單位；

在出發(fā)地A點，飛行器的垂直和水平誤差均為0：

飛行器垂直誤差校正后，其垂直誤差將變?yōu)?，水平誤差保持不變，即飛行器進行水平誤差校正后，其水平誤差將變?yōu)?，垂直誤差保持不變，

當飛行器的垂直誤差不大于α₁個單位，水平誤差不大于α₂個單位時才能進行垂直誤差校正，即當飛行器的垂直誤差不大于β₁個單位，水平誤差不大于β₂個單位時才能進行垂直誤差校正，即

由此可以建立飛行器航跡規(guī)劃模型：

步驟2中所述的多目標遺傳算法包括以下步驟：

步驟201，個體編碼設計；

采用0和1兩個數(shù)對校正點進行編碼，1代表實際進行校正的校正點，0代表實際不進行校正的校正點，m為校正點總個數(shù)，基因順序為投影到AB線段上的投影位置順序，染色體長度chromosome_length取決于AB之間校正點的數(shù)目，A點為出發(fā)點，B點為目的地；

步驟202，初始種群生成；

步驟20201，作一條連接A點和B點的直線，并將各個校正點投影到這條直線上，這條直線上存在若干個校正點投影點，由此根據(jù)投影點距離A點的遠近程度對校正點做排序，即產(chǎn)生X₁，X₂，…，X_i，…，X_m校正點；

步驟20202，鄰近胞體的建立；

為了減少搜索空間，優(yōu)化初代基因質(zhì)量，建立起鄰近胞體模型；遍歷所有的待選校正點，計算它與所有后序位的校正點的距離，對于每一個待選校正點建立一個半球鄰近胞體，在此胞體內(nèi)的所有鄰近校正點與此胞體中心校正點的距離均在胞體半徑以內(nèi)，其中胞體半徑為：r₁＝max{α₁,α₂,β₁,β₂}；

步驟20203，選取A的下一點；

把以A點為胞體中心的半球胞體內(nèi)的所有校正點作為待選點，遍歷每一個點，根據(jù)其到達此點前的水平誤差和垂直誤差是否滿足校正條件，若滿足校正條件則將此點作為A點的下一個點，作為初代種群中的個體染色體的第一個基因g_j，此時j＝1，若不滿足，則重新選校正點，重復步驟20203；

步驟20204，以染色體g_j對應校正點為胞體中心的半球胞體為搜索空間，作一個半徑為r_j+1′和r_j+1″的球，

r_j+1′＝supd_j

r_j+1″＝supd_j

其中，d_j為染色體g_j+1對應校正點與g_j點的距離，為一個中間變量，

將半徑為r_j+1′的球與g_j中心半球胞體的交集的校正點作為集合C₁，將半徑為r_j+1″的球與g_j中心半球胞體的交集的校正點作為集合C₂；在C₁∪C₂集合中隨機選取一個元素作為第二個染色體g_j+1，此時j＝1；

步驟20205，若g_j對應校正點不為B，即航跡沒有延伸到終點B點，轉(zhuǎn)步驟20203；

設定初始種群規(guī)模為popSize＝500，即循環(huán)500次上述步驟20203、步驟20204、步驟20205；

步驟203，單點交叉；

當初代建立以后，或者選擇后產(chǎn)生了popSize個子代，即開始進行交叉、變異操作；令r_i服從U(0，1)的均勻分布，這樣隨機產(chǎn)生[0，1]區(qū)間內(nèi)的一個隨機數(shù)r_i，令交叉率p_C＝0.25，若r_ip_C,則個體i被選擇；把g_i和g_i+1兩條染色體作為父代進行交叉，隨機選擇兩條染色體的數(shù)字相同的一個位置作為斷點，交換斷點右端部分，將新產(chǎn)生的兩個新的染色體加入到上一代種群中作為交叉?zhèn)€體；

步驟204，變異操作；

變異的步驟如下：令r_k服從U(0，1)的均勻分布，這樣隨機產(chǎn)生[0,1]區(qū)間內(nèi)的一個隨機數(shù)r_k，取k為從1到種群數(shù)量popSize之間的整數(shù)，令變異率p_M＝0.25,若r_kp_M，選擇其對應的染色體進行變異，隨機選擇要進行變異的變異位，將此變異位取反，即將父代個體中對應的校正點是否在航跡中的狀態(tài)取反；

步驟205，多目標函數(shù)加權和評價方法；

步驟20501，表示第k個目標函數(shù)的最大值和最小值，k＝1、2，如下定義，P為可行域解的集合，

若染色體g_j不滿足染色體約束條件，則使用如下懲罰函數(shù)，

z_k＝[p₁f₁(g_j),p₂f₂(g_j)]

p₁,p₂為100到500中的隨機數(shù)，其中，若滿足約束條件，則z_k不發(fā)生改變；

步驟20502，某一個染色體g_j的權重和由下式求得，

其中，eval為評價函數(shù)，第k個目標函數(shù)的適應性權重由下式計算，

步驟206，輪盤賭選擇；

從父代染色體和新生成的染色體中，按各染色體適應度的高低，選擇留存到下一代的popSize數(shù)目的染色體，下面計算各染色體的選擇率p_j以及累計選擇概率q_j如下：

生成[0,1]區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)表r_k，若滿足g_j-1＜r_k＜g_j則個體j被選擇；

步驟207，終止條件；

若滿足終止條件maxGen≥gen，maxGen為迭代次數(shù)，gen為代數(shù)，則算法停止，否則返回步驟203。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于多目標遺傳算法的飛行器航跡快速規(guī)劃方法，其特征在于，在步驟204中，還采用了另外一種定向變異的方法，以增加變異個體的可行率，操作的步驟如下：

令r_k服從U(0，1)的均勻分布，這樣隨機產(chǎn)生[0，1]區(qū)間內(nèi)的一個隨機數(shù)r_k,取k為從1到種群數(shù)量popSize之間的整數(shù)，令變異率p_M＝0.25，若r_kp_M,選擇其對應的染色體進行變異，隨機選擇要進行變異的變異位1，在以變異位1對應的半球胞體內(nèi)再選一個類型和變異位1相同的變異位2，若變異位2無法選取，即在此半球胞體內(nèi)沒有第二個與變異位1類型相同的校正點，則對變異位1的數(shù)取反變異，若變異位2可以選取，則將變異位1的數(shù)取反，變異位2的數(shù)變成變異位1變異之前的狀態(tài)。