[发明专利]一种基于萤火虫算法的舰船路径规划方法

权利要求书

1.一种基于萤火虫算法的舰船路径规划方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：根据任务信息确定路径的起始点和目标点，并根据起始点和目标点确定航行区 域；

航行区域为以路径起始点和终止点连线为对角线的矩形区域，航行区域的边界坐标为 X_min，X_max，Y_min，Y_max；

步骤二：以起始点为坐标原点，起始点和目标点的连线为横坐标建立新的坐标系；

在原坐标系中，一个点的位置由x，y两个点确定，以起始点S和目标点G的连线为横坐 标轴X′，过S的垂线为纵坐标轴Y′，建立新的坐标系S-X′Y′；

步骤三：将航行区域内的障碍物进行简化合并，生成禁航区；

具体为：

安全区：该区域中舰船航行没有任何危险；

禁航区：该区域存在不利于舰船安全航行的要素，会危及舰船航行安全；

步骤四：利用萤火虫算法进行最优路径搜索；

具体步骤如下：

步骤4.1：确定萤火虫种群的参数、最大迭代次数；

确定随机参数起始值α_b、随机参数终止值α_e、随机运动步长l、完全随机运动时的吸引 力β₀、吸收系数起始值γ_b、吸收系数终止值γ_e、维数n、最大迭代次数N；

步骤4.2：初始化萤火虫种群，并计算每个萤火虫的亮度值；

具体为：

一个萤火虫代表一条候选路径，一条候选路径由一系列路径点构成，萤火虫的各维分量 对应的实际含义是路径上的路径点的坐标；设萤火虫的维数为n，将线段SG进行n+1等分， 在每一个等分点作垂线，得到平行直线族(L₁，L₂，...，L_n-1，L_n)，它们与路径的交点即为可用路径 点序列(p₁，p₂，...，p_n-1，p_n)；设定起始点S为p₀和目标点G即为p_n+1，候选路径表示为可用路径 点的集合：p＝(p₁，p₂，...，p_n，p_n+1)；

由于平行直线族(L₁，L₂，...，L_n-1，L_n)相邻两条直线间的距离相同，路径点在S-X′Y′坐标系中 横坐标根据其所在直线序号确定，纵坐标为工作区域中的随机数，新坐标系中第i个路径点的 坐标为：

xi′=i·LSGn+1yi′=rand,(Y′min≤rand≤Y′max)]]>

其中：L_SG为起始点和目标点连线的直线长度，Y′_min和Y′_max分别为纵坐标的最小值和最大 值，rand为介于纵坐标最大值和最小值间的随机数；

将路径的评价函数设为萤火虫的亮度，萤火虫亮度的获取方法为：

采用路径长度作为路径的评价函数；对于一条含有n个航路点的路径来说，由n-1条路 径段组成，路径长度为将各个路径段的长度相加，即：

Elength=Σi=0n-1ΔLi]]>

ΔLi=(y′i-y′i-1)2+(x′i-x′i-1)2]]>

其中，ΔL_i表示第i个路径点和第i+1个路径点间的距离，x′_i，y′_i为第i个路径点的坐标， x′_i-1，y′_i-1为第i-1个路径点的坐标，1≤i＜n；

路径评价函数为：

Elength=LSP1+Σi=1n-1ΔLi+LPnG]]>

其中：为起始点与第一个路径点间的距离，ΔL_i为第i个路径点和第i+1个路径点间的 距离，为最后一个路径点与目标点间的距离；

将评价函数的倒数作为萤火虫的亮度值，即

Ii=1Ei]]>

其中：I_i表示第i个萤火虫的亮度值，E_i表示第i条候选路径的长度；

步骤4.3：将萤火虫种群按照亮度进行排序，找到最亮虫；

步骤4.4：判断当前迭代次数是否达到设定的最大迭代次数N，如果达到则执行步骤五， 否则转向步骤4.5；

步骤4.5：根据当前的迭代次数，确定吸收系数和随机参数；

吸收系数γ为：

第i次迭代的吸收参数γ为：

γ_i＝γ_b+(γ_e-γ_b)×i/N

其中：γ_e＞γ_b，γ_b为初始值，γ_e为最终值，N为总的迭代次数；

随机参数α为：

第i次迭代的随机参数α为：

α_i＝α_b+(α_e-α_b)×i/N

其中：α_e＜α_b，α_b为初始值，α_e为最终值，N为总的迭代次数；

步骤4.6：将非最亮萤火虫的位置进行更新；

假设萤火虫i被一个比它亮的萤火虫j吸引，它的新位置为：

x1i=x0i+β0×e-γrij2×(x0j-x0i)+α×l×(rand-12)]]>

其中：x_1i表示萤火虫i的新位置；

x_0i表示萤火虫i的当前位置；

由该萤火虫被其它临近虫看到的光强度决定；γ由步骤4.5得到；r_ij是萤火虫i和萤 火虫j之间的欧里几何距离，计算公式如下：

rij=||xi-xj||=Σk=1d(xi,k-xj,k)2]]>

x_i和x_j分别为萤火虫i和萤火虫j的位置，n为维数；

表示当前萤火虫的随机运动；α根据步骤4.5得到；rand是一个介于0 和1之间的随机数；

判断非最亮萤火虫的位置是否均更新完毕，如果是，则转向步骤4.7，否则，继续更新 非最亮萤火虫的位置；

步骤4.7：将最亮萤火虫的位置进行更新，并转向步骤4.3；

最亮虫的位置进行更新为：

xi′=xi+α×l×(rand-12)]]>

步骤五：将最优路径中各个路径点的坐标转换为O-XY下的坐标；

步骤六：得到舰船的最优路径，路径规划结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于萤火虫算法的舰船路径规划方法，其特征在于，禁 航区的信息用一个二维数组来表示，POINT Obstacle[M][N]，其中，M为禁航区的数目，N 为禁航区的最大顶点个数。