[发明专利]一种基于萤火虫算法的舰船路径规划方法

摘要

本发明公开了一种基于萤火虫算法的舰船路径规划方法，具体包括以下几个步骤：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。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。步骤三：将航行区域内的障碍物进行简化合并，生成禁航区。步骤四：利用萤火虫算法进行最优路径搜索。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。本发明利用新的自然启发算法萤火虫算法作为优化算法进行舰船路径规划，方法执行效率高，能够规划出满足实际需要的航行路径。

主权项

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。