專利名稱：一種基于螢火蟲算法的艦船路徑規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于艦船路徑規(guī)劃領(lǐng)域，尤其是一種基于螢火蟲算法的艦船路徑規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
隨著科技的不斷進(jìn)步，艦船導(dǎo)航正逐漸向著智能化的方向發(fā)展。尤其是在水面無人艦艇領(lǐng)域，艦船行駛的智能化更是尤為重要。在智能化過程中，路徑規(guī)劃無疑是艦船智能航行的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)規(guī)劃方法有視圖法、拓?fù)浞?、柵格法等，這些方法過程簡單，容易實(shí)現(xiàn)但路徑優(yōu)化效果差，并且無法保證尋找到全局最優(yōu)路徑。近年來，隨著一些生物系統(tǒng)及其行為特征進(jìn)行模擬的優(yōu)化算法的產(chǎn)生及日趨成熟，人們也逐漸將這些新興的算法應(yīng)用于路徑規(guī)劃中，并且有些算法已經(jīng)獲得了較好的效果，比如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法、蟻群算法等。例如申請?zhí)枮?00910100613. 1的專利申請一種基于粒子群優(yōu)化算法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，該專利對(duì)機(jī)器人路徑利用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行規(guī)劃；最后對(duì)規(guī)劃的路徑進(jìn)行深度優(yōu)先搜索。申請?zhí)枮?01010123511. 4的專利提出一種基于雙群協(xié)同競爭粒子群和Ferguson樣條的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，該方法主要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的規(guī)劃路徑平滑性差且收斂速度緩慢的問題。螢火蟲算法(FireFly Algorithom, FFA)是一種基于螢火蟲社會(huì)特性的優(yōu)化算法， 它由楊新社博士于2007年在劍橋大學(xué)提出。盡管該算法與其它基于群體智能的算法，例如著名的粒子群算法，人工蜂群算法有一些相似之處，但是相對(duì)而言該算法在理論和實(shí)現(xiàn)上較為簡單。另外，根據(jù)最近的文獻(xiàn)顯示該算法在解決很多優(yōu)化問題時(shí)非常有效并且可以超過其它傳統(tǒng)算法，例如遺傳算法等。在最近的研究中，該算法的穩(wěn)定性通過不同的標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)函數(shù)被證明優(yōu)于其它著名的優(yōu)化算法。它最突出的優(yōu)點(diǎn)是主要利用個(gè)體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)基于各個(gè)個(gè)體間的全局通訊。作為一種新的智能優(yōu)化算法，螢火蟲算法正在逐步被人們應(yīng)用在各種優(yōu)化領(lǐng)域，并取得了不錯(cuò)的效果。但截止到目前為止，還沒有被應(yīng)用在路徑規(guī)劃領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，將螢火蟲算法應(yīng)用到路徑規(guī)劃領(lǐng)域，提出一種基于螢火蟲算法的艦船路徑規(guī)劃方法。對(duì)基本螢火蟲算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了自適應(yīng)的吸收參數(shù)和隨機(jī)參數(shù)，提高了方法的運(yùn)行速度。結(jié)合路徑規(guī)劃的特點(diǎn)，完成了螢火蟲算法編碼、評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃方法設(shè)計(jì)。本發(fā)明的一種基于螢火蟲算法的艦船路徑規(guī)劃方法，具體包括以下幾個(gè)步驟步驟一根據(jù)任務(wù)信息確定路徑的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)確定航行區(qū)域。步驟二 以起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的連線為橫坐標(biāo)建立新的坐標(biāo)系。步驟三將航行區(qū)域內(nèi)的障礙物進(jìn)行簡化合并，生成禁航區(qū)。
步驟四利用螢火蟲算法進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索。步驟五將最優(yōu)路徑中各個(gè)路徑點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為O-XY下的坐標(biāo)。步驟六得到艦船的最優(yōu)路徑，路徑規(guī)劃結(jié)束。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用新的自然啟發(fā)算法螢火蟲算法作為優(yōu)化算法進(jìn)行艦船路徑規(guī)劃，方法執(zhí)行效率高，能夠規(guī)劃出滿足實(shí)際需要的航行路徑。


圖1為本發(fā)明的方法流程圖。圖2為本發(fā)明所述由規(guī)劃任務(wù)確定的新坐標(biāo)系圖。圖3為本發(fā)明所述改進(jìn)螢火蟲算法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種基于螢火蟲算法的路徑規(guī)劃方法，具體流程如圖1所示，包括以下幾個(gè)步驟步驟一根據(jù)任務(wù)信息確定路徑的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)確定航行區(qū)域。航行區(qū)域?yàn)橐月窂狡鹗键c(diǎn)和終止點(diǎn)連線為對(duì)角線的矩形區(qū)域，航行區(qū)域的邊界坐
fe^ ^min' ^max' Ymin' ^rnax0步驟二 以起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的連線為橫坐標(biāo)建立新的坐標(biāo)系。在原坐標(biāo)系中，一個(gè)點(diǎn)的位置由x，y兩個(gè)參數(shù)確定。為了簡化路徑點(diǎn)的表示方法， 減小計(jì)算量，將建立一個(gè)新的坐標(biāo)系S-X' Y'。新坐標(biāo)系以起始點(diǎn)S和目標(biāo)點(diǎn)G的連線為橫坐標(biāo)軸X'，過S的垂線為縱坐標(biāo)軸Y'，如圖2所示。步驟三將航行區(qū)域內(nèi)的障礙物進(jìn)行簡化合并，生成禁航區(qū)。影響艦船航行的障礙物主要有島嶼、島礁、淺水區(qū)、沉船。將航行區(qū)域中的障礙物、 淺水區(qū)、島嶼以多邊形形式進(jìn)行表達(dá)。多邊形圍成的區(qū)域?yàn)榻絽^(qū)，路徑不能通過，其他區(qū)域?yàn)榭尚杏颍窗踩珔^(qū)，路徑可以通過。具體為安全區(qū)該區(qū)域中艦船航行沒有任何危險(xiǎn)；禁航區(qū)該區(qū)域存在不利于艦船安全航行的要素，會(huì)危及艦船航行安全。禁航區(qū)的信息用一個(gè)二維數(shù)組來表示，POINT Obstacle [Μ] [N]，其中，M為禁航區(qū)的數(shù)目，N為禁航區(qū)的最大頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。步驟四利用螢火蟲算法進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索。螢火蟲算法的優(yōu)點(diǎn)在于原理簡單同時(shí)又有深刻的智能背景，既適合科學(xué)研究，又特別適合工程應(yīng)用。為了提高螢火蟲算法的收斂速度，提出一種參數(shù)可以隨迭代次數(shù)自適應(yīng)變化的參數(shù)調(diào)整策略。改進(jìn)后的方法能夠提高螢火蟲算法在早期搜索過程中的全局搜索能力，并最終促使算法在搜索的最終階段快速收斂于全局最優(yōu)解。參數(shù)為
(1)吸收系數(shù)Y吸收系數(shù)Y控制著光強(qiáng)度的減少，刻畫了吸引力的變化，在決定算法的收斂速度和行為方面起到非常重要的作用。理論上，Y e
權(quán)利要求
1. 一種基于螢火蟲算法的艦船路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟 步驟一根據(jù)任務(wù)信息確定路徑的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)確定航行區(qū)域；航行區(qū)域?yàn)橐月窂狡鹗键c(diǎn)和終止點(diǎn)連線為對(duì)角線的矩形區(qū)域，航行區(qū)域的邊界坐標(biāo)為 X X Y Y ·Ληι η' j^max‘ min' max ‘步驟二 以起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的連線為橫坐標(biāo)建立新的坐標(biāo)系； 在原坐標(biāo)系中，一個(gè)點(diǎn)的位置由x，y兩個(gè)點(diǎn)確定，以起始點(diǎn)S和目標(biāo)點(diǎn)G的連線為橫坐標(biāo)軸X'，過S的垂線為縱坐標(biāo)軸Y'，建立新的坐標(biāo)系S-X' Y'； 步驟三將航行區(qū)域內(nèi)的障礙物進(jìn)行簡化合并，生成禁航區(qū)； 具體為安全區(qū)該區(qū)域中艦船航行沒有任何危險(xiǎn)；禁航區(qū)該區(qū)域存在不利于艦船安全航行的要素，會(huì)危及艦船航行安全； 步驟四利用螢火蟲算法進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索； 具體步驟如下步驟4. 1 確定螢火蟲種群的參數(shù)、最大迭代次數(shù)；確定隨機(jī)參數(shù)起始值α b、隨機(jī)參數(shù)終止值α。隨機(jī)運(yùn)動(dòng)步長1、完全隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的吸引力、吸收系數(shù)起始值Yb、吸收系數(shù)終止值Y。維數(shù)η、最大迭代次數(shù)N; 步驟4. 2 初始化螢火蟲種群，并計(jì)算每個(gè)螢火蟲的亮度值； 具體為一個(gè)螢火蟲代表一條候選路徑，一條候選路徑由一系列路徑點(diǎn)構(gòu)成，螢火蟲的各維分量對(duì)應(yīng)的實(shí)際含義是路徑上的路徑點(diǎn)的坐標(biāo)；設(shè)螢火蟲的維數(shù)為η，將線段SG進(jìn)行η+1等分，在每一個(gè)等分點(diǎn)作垂線，得到平行直線族(L1, L2, ... , Llri，Ln)，它們與路徑的交點(diǎn)即為可用路徑點(diǎn)序列(P1, P2，. . .，Plri, Pn)；設(shè)定起始點(diǎn)S為ρ。和目標(biāo)點(diǎn)G即為ρη+1，候選路徑表示為可用路徑點(diǎn)的集合P = (P1, P2, ... , Pn, Ρη+1)；由于平行直線族(L”L2，. . .，Ln_1;Ln)相鄰兩條直線間的距離相同，路徑點(diǎn)在S-X' Y' 坐標(biāo)系中橫坐標(biāo)根據(jù)其所在直線序號(hào)確定，縱坐標(biāo)為工作區(qū)域中的隨機(jī)數(shù)，新坐標(biāo)系中第i 個(gè)路徑點(diǎn)的坐標(biāo)為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于螢火蟲算法的艦船路徑規(guī)劃方法，其特征在于，禁航區(qū)的信息用一個(gè)二維數(shù)組來表示，POINT Obstacle [Μ] [N]，其中，M為禁航區(qū)的數(shù)目，N為禁航區(qū)的最大頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于螢火蟲算法的艦船路徑規(guī)劃方法，具體包括以下幾個(gè)步驟步驟一根據(jù)任務(wù)信息確定路徑的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，并根據(jù)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)確定航行區(qū)域。步驟二以起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的連線為橫坐標(biāo)建立新的坐標(biāo)系。步驟三將航行區(qū)域內(nèi)的障礙物進(jìn)行簡化合并，生成禁航區(qū)。步驟四利用螢火蟲算法進(jìn)行最優(yōu)路徑搜索。步驟五將最優(yōu)路徑中各個(gè)路徑點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為O-XY下的坐標(biāo)。步驟六得到艦船的最優(yōu)路徑，路徑規(guī)劃結(jié)束。本發(fā)明利用新的自然啟發(fā)算法螢火蟲算法作為優(yōu)化算法進(jìn)行艦船路徑規(guī)劃，方法執(zhí)行效率高，能夠規(guī)劃出滿足實(shí)際需要的航行路徑。
文檔編號(hào)G05D1/02GK102360214SQ20111025795
公開日2012年2月22日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者劉廠, 李剛, 董靜, 趙玉新, 高峰 申請人:哈爾濱工程大學(xué)