【AMO三维路径规划】动物迁徙算法无人机避障三维航迹规划【含Matlab源码 3340期】

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⛄一、动物迁徙算法无人机避障三维航迹规划简介

1 无人机航迹规划问题的数学模型
建立三维航迹规划问题的数学模型时, 不但考虑无人机基本约束, 还考虑复杂的飞行环境, 包括山体地形和雷暴威胁区。

1.1 无人机基本约束
规划的无人机三维航迹, 通常需要满足一些基本约束, 包括最大转弯角、最大爬升角或下滑角、最小航迹段长度、最低和最高飞行高度, 以及最大航迹长度等约束。其中, 最大转弯角约束, 是指无人机只能在水平面内小于或等于指定的最大转弯角内转弯;最大爬升角或下滑角约束, 是指无人机只能在垂直平面内小于或等于指定的最大爬升角或下滑角内爬升或下滑;最小航迹段长度约束, 要求无人机改变飞行姿态之前, 按目前的航迹方向飞行的最短航程;最低和最高飞行高度约束, 要求无人机在指定的飞行高度区间飞行;最大航迹长度约束, 是指无人机的航迹长度小于或等于指定的阈值。

记q (x, y, z, θ, ψ) 为无人机的飞行位置与姿态, 其中, (x, y, z) 为无人机的位置, θ为无人机的水平转弯角, ψ为无人机的竖直爬升角或下滑角, 进而建立上述基本约束的数学表达式。

1.2 飞行环境障碍物和威胁区建模
在飞行环境中, 高耸的山体近似采用圆锥体等效表示, 用以e为底的自然指数图形生成, 那么, 山体地形可以通过多个位置不同的圆锥体叠加而成。若将参考海拔基准高度设置为xOy平面, 记 (x, y, z) 为山体地形中的点, 那么

式中:N为山体个数;xk0和yk0为第k座山体中心对称轴的横坐标和纵坐标;hk为第k座山体的最大高度;xki和yki为第k座山体的横向斜度和纵向斜度。

在飞行环境中, 山体附近通常存在雷暴等极端气象, 本文视为飞行威胁区, 并通过球体近似等效表示, 且记第k座山体附近飞行威胁区的球心坐标为 (xks0, yks0, zks0) , 半径为rk。

1.3 目标函数及航迹表示
在本文中, 执行任务的某型无人机, 其航迹规划的目标函数是生成一条由起始点到目标点的无碰撞可行航迹。采用q (x, y, z, θ, ψ) 表示无人机在飞行空域中某特定位置的特定姿态, 那么 (x, y, z) 则表示无人机所在航迹点, θ表示无人机的水平转弯角, ψ表示无人机的竖直爬升角或下滑角。采用r (q) 表示由起始点qinitial到目标点qgoal的无碰撞可行航迹, 那么航迹规划的过程可以写成如下形式:

2 动物迁徙算法
摘要：动物迁徙算法（Animal Migration Optimization，AMO）是李祥涛于2013年提出的一种用于求解优化问题的新型群智能优化算法。AMO算法突出优点是可调参数少，算法实现简单且精度相对较高
2.1 算法原理
动物迁徙行为是源于自然界中由于动物觅食、繁殖、气候等自然环境的变化而发生的自适应生存迁徙行为，动物的迁徙通常有一定的规律和路线，如当温度降低、食物缺乏时，动物就会往温度适宜、食物丰富的区域迁徙，这是自然界动物普遍存在的现象。同样的鸟类、哺乳动物、鱼类、爬行动物、两栖动物、昆虫和甲壳类动物都会进行迁徙，如北方的驯鹿冬季南移到能躲避大风雪的针叶林带，春季则北迁到食物丰富的苔原带；非洲的角马、斑马等在雨季来临时，迁往水草丰盛的地方，当雨季结束后，植物很快枯萎，它们又返回到往常的栖息地；白鶴、小编纹餘等多种餘类，常跟随作为它们食物的大鱼群迁徙；海巧、海狗等海兽类动物常有爬回到确定的生殖地点或冰块上去繁殖的习性。概括起来，动物喜欢在食物丰富，水源充足，气候条件适宜的地区生存，随着时间的推移，食物减少、水分减少，气候条件变化，生挣条件改变，不能满足动物生存需要时，动物种群便会迁往新的食物、水分丰富，气候条件适宜的区域，动物种群在迁徙的过程中，由于长途艰难爬涉，个别动物会离开迁徙种群体，在行进的过程中也会有新的动物加入到迁徙大军中。
动物迁徙算法是模拟上述动物行为的优化算法，动物迁徙算法主要分为种群迁徙过程和个体更新过程。为了便于描述动物迁徙优化算法，首先做以下2个理想假设：
（1）动物种群所处栖息地最优的动物个体将会保存到下一代。
（2）动物种群在迁徙过程中，有的动物会离开种群，同时有新的动物个体会加入种群，假设动物种群的规模是确定的，动物会依照概率Pa被新的个体所替代。

2.2 动物迁徙算法的步骤
step1：在搜索区域随机产生种群，并对邻居进行编号。
step2：计算各点的适应度，并记录最优值。
step3.动物根据式（4）更新种群位置。
step4.计算适应度值，并记录最优值。
step5.个体更新，设置Pa，如果rand>Pa且更新后个体适应度值比原来更优，则更新个体否则不更新。
step6.记录最优值。
step7.判断是否满足算法停止条件，如果满足则输出最优解，否则重复step3-7。

⛄二、部分源代码

%% 三维地图-无人机寻路
% 3D map - aircraft pathfinding
%% 这是使用原始算法的直接求解结果，添加专用于本问题的更新方式可以进一步提高精度
% This is the direct result of using the original algorithm,
% adding some specific update methods to this problem can further improve the accuracy
clc;
clear;
close all;
warning off

%% 载入数据
data.S=[1,950,12]; %起点位置
data.E=[950,1,1]; %终点点位置
data.Obstacle=xlsread(‘data.xls’);
data.numObstacles=length(data.Obstacle(:,1));
data.mapSize=[1000,1000,20]; %10m 地图尺寸
data.unit=[50,50,1]; %地图精度
data.S0=ceil(data.S./data.unit);
data.E0=ceil(data.E./data.unit);
data.mapSize0=data.mapSize./data.unit;
data.map=zeros(data.mapSize0);
figure
plot3(data.S(:,1),data.S(:,2),data.S(:,3),‘o’,‘LineWidth’,1,…
‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
‘MarkerSize’,8)
hold on
plot3(data.E(:,1),data.E(:,2),data.E(:,3),‘h’,‘LineWidth’,1,…
‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
‘MarkerSize’,8)
for i=1:data.numObstacles
x=1+data.Obstacle(i,1);
y=1+data.Obstacle(i,2);
z=1+data.Obstacle(i,3);
long=data.Obstacle(i,4);
wide=data.Obstacle(i,5);
pretty=data.Obstacle(i,6);
[V,F] = DrawCuboid(long, wide, pretty, x,y,z);
x0=ceil(x/data.unit(1));
y0=ceil(y/data.unit(2));
z0=ceil(z/data.unit(3));
long0=ceil(long/data.unit(1));
wide0=ceil(wide/data.unit(2));
pretty0=ceil(pretty/data.unit(3));
data.map(x0:x0+long0,y0:y0+wide0,z0:z0+pretty0)=1;
end
legend(‘起点’,‘终点’)
title(‘三维地形地图’)
grid on
axis equal
%%
% index=find(data.map==1);
% [p1,p2,p3] = ind2sub(size(data.map), index);
% figure
% plot3(data.S0(:,1),data.S0(:,2),data.S0(:,3),‘o’,‘LineWidth’,1,…
% ‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
% ‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
% ‘MarkerSize’,8)
% hold on
% plot3(data.E0(:,1),data.E0(:,2),data.E0(:,3),‘h’,‘LineWidth’,1,…
% ‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
% ‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
% ‘MarkerSize’,8)
% plot3(p1,p2,p3,‘.’,‘LineWidth’,1,…
% ‘MarkerEdgeColor’,‘k’,…
% ‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
% ‘MarkerSize’,10)
% legend(‘起点’,‘终点’)
% title(‘三维地形地图’)
% grid on
% axis equal
% xlabel(‘x（km）’)
% ylabel(‘y（km）’)
% zlabel(‘z（km）’)
%% 生成可移动方向
temp=[1,0,-1];
direction=[];
for i=1:3
for j=1:3
for k=1:3
direction=[direction;temp(i),temp(j),temp(k)];
end
end
end
position=find(direction(:,1)==0 & direction(:,2)==0 & direction(:,3)==0);
direction(position,:)=[];
data.direction=direction;

%% 算法参数设置 Parameters
% 基本参数
numAgent=20; %种群个体数 size of population，可自行修改
Max_iter=20; %最大迭代次数 maximum number of interation，可自行修改
lb=0;%下限，可自行修改
ub=1;%上限，可自行修改
dim=prod(data.mapSize0); % 优化变量个数
fobj=@(x) aimFcn(x,data);%目标函数，用以优化

%% 使用优化算法求解

Optimal_results{2,index}=recording;%迭代曲线
Optimal_results{3,index}=bestY;%最佳函数值
Optimal_results{4,index}=bestX; %最佳变量值
Optimal_results{5,index}=result; %优化结果
Optimal_results{6,index}=toc; %运行时间
index = index +1;

⛄三、运行结果

⛄四、matlab版本及参考文献

1 matlab版本
2014a

2 参考文献
[1]田疆,李二超.用于无人机三维航迹规划改进连接型快速扩展随机树算法[J].航空工程进展. 2018,9(04)

3 备注
简介此部分摘自互联网，仅供参考，若侵权，联系删除

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1 各类智能优化算法改进及应用
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2 机器学习和深度学习方面
卷积神经网络（CNN）、LSTM、支持向量机（SVM）、最小二乘支持向量机（LSSVM）、极限学习机（ELM）、核极限学习机（KELM）、BP、RBF、宽度学习、DBN、RF、RBF、DELM、XGBOOST、TCN实现风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断

3 图像处理方面
图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知

4 路径规划方面
旅行商问题（TSP）、车辆路径问题（VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等）、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、车辆协同无人机路径规划、天线线性阵列分布优化、车间布局优化

5 无人机应用方面
无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配

6 无线传感器定位及布局方面
传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化

7 信号处理方面
信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化

8 电力系统方面
微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置

9 元胞自动机方面
交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长

10 雷达方面
卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合