CN111815055A - 一种基于改进莱维飞行蚁狮优化算法的无人机航迹规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进levy飞行蚁狮优化算法的无人机航迹规划方法。其方法步骤主要包括:步骤1.建立无人机航迹规划空间数学模型,初始化航迹规划环境参数;步骤2.构建航迹评价函数;步骤3.初始化蚂蚁和蚁狮种群,计算蚁狮位置的目标适应函数,保存最优蚁狮的位置,将levy飞行策略引入到蚁狮算法的蚂蚁随机游走中;步骤4.针对蚂蚁游走形式,应用自适应游走边界策略;步骤5.针对蚁狮向精英蚁狮靠近形式,应用自适应最优引导方程策略;步骤6.对蚁狮进行主动高斯变异策略;步骤7.按照航迹优劣顺序对蚁狮位置进行排序,重新调整最佳蚁狮的位置,当达到算法的输出条件时,得到即为规划出代价最小的航迹。
Description
技术领域
本发明涉及轨迹规划领域,应用无人机航迹规划技术、智能算法技术,结合无人机航迹规划的最优要求,提出了一种具有现实意义的无人机航迹规划算法。
背景技术
在无人机任务规划系统中航迹规划是至关重要的一步,航迹规划的实质就是为执行任务的飞行器规划出一条最安全的飞行轨迹,航迹质量的高低将直接决定作战任务的成败。若要为无人机规划出一条有效并且合理的飞行航迹,需要综合考虑无人机本身的性能、最远飞行距离以及油耗、地形和气相威胁等。基于这些限制条件,需要找出无人机在飞行范围内起始点与目标点之间的最优轨迹,从而准确地完成指定的作战任务并保证自身安全。随着我国航空事业的日益发展,在军事和民用领域对无人机的航迹规划能力要求越来越高,因此研究无人机航迹优化算法具有重要意义。
目前,航迹规划的大部分算法研究依然局限于理论体系部分,对人工仿生智能算法的研究还未得到充分的应用。传统的航迹规划算法有Dijkstra算法、人工势场法和模拟退火算法,每种算法都有其自身的优缺点和适用范围。
以模拟退火优化算法为例,在航迹规划中模拟退火的一个解代表一条航迹,目标函数是代价函数,但该算法多数没有考虑无人机的机动性能约束,得到的航迹可飞性不高。
发明内容
本发明的目的在于:针对标准蚁狮算法在迭代后期收敛速度慢,容易陷入局部最优和搜索精度不高等问题,提出了一种基于levy 飞行结合蚁狮优化算法的无人机航迹规划方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
一种基于结合levy飞行和蚁狮优化算法的无人机航迹规划方法,包括以下步骤:
建立无人机规划空间数学模型,初始化航迹规划环境参数,设定起始点与目标点位置以及雷达威胁分布坐标。
初始化蚂蚁和蚁狮种群规模(N,M),蚂蚁和蚁狮所在空间的维度D,当前代数t和最大迭代次数T。
根据式(1)、(2)计算游走边界,公式如下:
在同一次迭代中所有蚂蚁的游走边界相同,从而无法判断出所围绕的蚁狮能力大小的差别,所以采用自适应边界调整策略,方程如下:
其中,m是蚁狮由适应度升序排列的元素下标,α为调整变化速率。
构建航迹评价函数,航迹代价最小作为算法的寻优目标,航迹规划的最终目的是规避威胁且满足自身约束条件的可飞路径,本文中将航迹评价函数简化为威胁代价Jt和油耗代价Jf,公式(4)-(7) 如下:
式中wt和wf分别为航迹点的威胁代价和油耗代价;l为当前航迹点改变的距离。
式(4)、(5)中:
无人机的油耗代价Jf由航迹全程L代替,故总的航迹代价J 由威胁代价和油耗代价加权得到:
J=kJt+(1-k)Jf (7)
式中k∈[0,1],为威胁代价与油耗代价之间的权重。
通过式(4)-(7)计算航迹代价,按照航迹优劣顺序对蚁狮位置进行排序。
将levy飞行策略引入到蚁狮算法的蚂蚁随机游走中,即采用蚂蚁levy飞行策略,levy飞行机制的频繁短距离游走能够提高种群的多样性,偶尔的长距离跳跃可以保证种群对附近区域详细搜索,因此有效均衡了算法的局部开发和全局搜索能力,levy飞行的随机步长服从levy分布,简化形式为:
L(s)~|s|-1-β,0<β<2 (8)
式(8)中s表示随机步长,由于levy飞行非常复杂,故本文采用Mantegna提出的算法计算,方程如下:
式(9)中μ、ν服从正态分布:
其中,Γ为积分运算;β通常取值为1.5。
传统的蚁狮算法中更新蚂蚁位置是没有充分考虑在迭代初期需要更强的探索能力而在迭代后期需要更强的开发能力,故提出了自适应精英蚁狮引导方程:
式中,为第t代第i个蚂蚁的位置,σ(t)为自适应系数;t 为当前迭代次数;T为最大迭代次数;是蚂蚁在第t代蚁狮群中轮盘赌选出的一个蚁狮,并在其周围根据式(14)进行随机游走后的位置;是该蚂蚁在第t代精英蚁狮周围根据式(14)进行随机游走后的位置。
对蚁狮采取最优引导的主动高斯变异策略,方程如下:
进一步的,先对M个蚁狮按照适应度大小排序,从中按比例β选取适应度较差的(β·M)个蚁狮,对这部分里没有被动更新的个体进行式(15)主动变异策略。
比较蚁狮变异前后的适应度,选择其中最优的蚁狮位置作为下一代蚁狮。
游走后的蚂蚁根据式(16)与当前位置最好的蚁狮对比,重新调整最佳蚁狮的位置,式(16)如下:
循环迭代到最大迭代次数,获得最佳蚁狮位置,输出最优解。
附图说明
图1为本发明基于改进levy飞行蚁狮优化的无人机航迹规划算法总流程图;
图2为典型无人机航迹空间模型;
图3为本发明的levy飞行进行500次随机行轨迹仿真图;
图4为本发明的空间模型中雷达及起点和目标点分布图;
图5为本发明应用改进levy飞行蚁狮优化算法对无人机航迹规划路线仿真图;
图6为本发明应用改进levy飞行蚁狮优化算法与标准蚁狮算法的目标函数迭代收敛曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,提出相应具体实施方案,对本发明进一步详细说明。
一种基于改进levy飞行蚁狮优化算法的无人机航迹规划方法,应用改进levy飞行蚁狮算法进行无人机航迹规划方法的流程图如图1 所示,包括对无人机规划空间数学模型的建立,构建航迹评价函数,初始化航迹规划环境参数,levy飞行更新蚂蚁位置,蚁狮主动高斯变异更新,具体包括以下部分。
先建立无人机规划空间数学模型,初始化航迹规划的环境参数,设定起始点为(10,10)km,目标点位置为(100,75)km,无人机搜索空间设置为100×100km,雷达威胁分布坐标分别是(40,55)k m,(35,45)km,(83,38)km,(70,60)km,(50,85)km,(80,90)k m,(66,30)km以及半径分别是12km,12km,14km,14km,10km,11km,10km。
对于蚁狮优化算法中的蚂蚁和蚁狮种群进行初始化:蚂蚁和蚁狮的种群规模为10,最大迭代次数为T=200,搜索维度D=10。
构建航迹评价函数,包括威胁代价Jt和油耗代价Jf,优化目标函数适应度由威胁代价和油耗代价加权得到,公式如下:
J=kJt+(1-k)Jf,k∈[0,1]
通过计算目标函数来评价蚁狮位置的优劣,并保存最优蚁狮的位置,轮盘赌选择一个蚁狮,让蚂蚁围绕改蚁狮进行levy飞行,并更新蚂蚁的位置,并根据式(1)、(2)设定蚂蚁自适应边界调整策略。
蚂蚁的位置更新后是蚁狮向精英蚁狮靠近,根据式(12), (13)采用自适应精英蚁狮引导策略。
对蚁狮种群按照适应度大小排序,从中按照比例β选取适应度较差的(β·M)个蚁狮,对这部分蚁狮中位置没有被动更新的个体,应用式(10)对蚁狮进行主动高斯变异。
比较蚁狮变异前后的适应度,选择其中最优的蚁狮位置作为下一代蚁狮。
游走后的蚂蚁根据式(11)与当前位置最好的蚁狮对比,重新调整最佳蚁狮的位置。
循环迭代到最大迭代次数,获得最佳蚁狮位置,输出最优解。
Claims (8)
1.一种无人机航迹规划算法,其特征在于采用改进levy飞行蚁狮优化算法进行无人机航迹规划。
2.根据权利要求书1所述的改进levy飞行蚁狮优化算法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1.建立无人机规划空间数学模型;步骤2.构建航迹评价函数;步骤3.初始化蚂蚁和蚁狮种群,将levy飞行策略引入到蚁狮算法的蚂蚁随机游走中;步骤4.针对蚂蚁游走形式,应用自适应游走边界策略;步骤5.对于蚁狮向精英蚁狮靠近时,采用自适应精英蚁狮引导策略;步骤6.对蚁狮进行主动高斯变异策略;步骤7.通过计算航迹评价函数的优劣顺序对蚁狮位置进行排序,游走后的蚂蚁与当前位置最好的蚁狮对比,重新调整最佳蚁狮的位置,当达到算法的输出条件时,得到即为规划出代价最小的航迹。
3.根据权利要求书2所述的建立无人机航迹规划空间数学模型,主要包括:初始化航迹规划环境参数,设定起始点为(10,10)km与目标点位置为(100,75)km,雷达威胁分布坐标为(40,55)km,(35,45)km,(83,38)km,(70,60)km,(50,85)km,(80,90)km,(66,30)km以及半径分别是12km,12km,14km,14km,10km,11km,10km。
4.根据权利要求书2所述的构建航迹评价函数,本文将航迹评价函数简化为威胁代价Jt和油耗代价Jf,总的航迹代价函数由威胁代价和油耗代价加权得到:
J=kJt+(1-k)Jf,k∈[0,1]
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