基于改进型灰狼优化算法(GWO)的无人机路径规划

内容:

  • 基于改进型灰狼优化算法的无人机轨迹规划

GWO是一种群体智能优化算法,模仿灰狼的社会等级和狩猎行为。原始的GWO有一些局限性,比如容易陷入局部最优,收敛速度慢等,所以改进型的GWO可能通过不同的策略来优化这些问题,比如引入动态权重、混合其他算法(如粒子群优化、模拟退火)、多目标优化策略或分阶段搜索机制等,提升算法在复杂场景中的性能。

接下来,无人机路径规划本身是一个重要的研究领域,尤其是在军事和民用领域都有广泛的应用,比如侦察、物流、农业监测等。路径规划需要考虑障碍物、燃料消耗、时间效率、动态环境等因素。

原始程序:

基于改进型灰狼优化算法的无人机轨迹规划资源-优快云文库

程序说明:

  • matlab运行main.m
  • 自带三种UAV_SetUp.m仿真参数设置(也可自行设计仿真环境)
  • 同时支持2D无人机轨迹规划和3D无人机轨迹规划(取决于UAV_SetUp.m的参数设置)
  • 自带2种启发搜索算法(在main.m中选择)
  • 可在ObjFunc.m中调整目标函数权重等
  • 程序运行较慢,但有进度条显示,耐心等待

程序架构:

img

仿真结果:

img

参考文献:

[1]周瑞,黄长强,魏政磊,赵克新.MP-GWO 算法在多 UCAV 协同航迹规划 中的应用[J].空军工程大学学报(自然科学版),2017,18(05):24-29.

[2]胡中华,赵敏,姚敏,李可现,吴蕊.一种改进蚂蚁算法的无人机多目标三 维航迹规划[J].沈阳工业大学学报,2011,33(05):570-575.

[3]柳长安,王晓鹏,刘春阳,吴华.基于改进灰狼优化算法的无人机三维航迹 规 划 [J]. 华 中 科 技 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),2017,45(10):38- 42.DOI:10.13245/j.hust.171007.

matlab版本:

matlab >= R2021b

### MATLAB 实现改进灰狼算法进行路径规划 #### 灰狼优化算法简介 灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer, GWO)是一种基于群体智能的元启发式算法,其灵感来源于灰狼的社会结构及其捕猎行为。该算法通过模拟灰狼的角色分配(α、β 和 δ),以及它们协作围捕猎物的过程来解决复杂优化问题[^3]。 在实际应用中,为了提高传统 GWO 的性能并应对特定场景的需求,研究者们提出了多种改进方法。这些改进主要集中在增强局部搜索能力、加速收敛速度和提升鲁棒性等方面。例如,在多无人机协同路径规划领域,改进后的 GWO 可有效处理复杂的多峰环境中的路径优化问题[^2]。 --- #### 改进灰狼算法的核心思路 改进灰狼算法的关键在于引入新的机制以克服标准 GWO 存在的一些不足之处,比如早熟收敛或陷入局部最优等问题。常见的改进措施包括但不限于: 1. **自适应参数调整**:动态调节控制因子 \(A\) 和 \(C\),使算法能够在探索阶段和开发阶段之间取得更好的平衡。 2. **混合其他优化技术**:结合粒子群优化(PSO)、遗传算法(GA)等方法进一步改善寻优效果。 3. **加入混沌映射初始化种群**:利用混沌序列生成初始解集,从而增加多样性并减少随机性带来的影响。 4. **考虑约束条件**:针对具体应用场景设计相应的惩罚函数或者修复操作,确保所得方案满足实际需求。 对于路径规划而言,上述改进手段有助于找到更优甚至全局最佳路线,并能更好地适应诸如障碍规避之类的特殊要求[^1]。 --- #### 示例代码展示 以下是采用 MATLAB 编写的简单版本改进灰狼算法用于二维平面内静态环境下单机器人路径规划的一个例子: ```matlab % 参数设置 Max_iter = 500; % 迭代次数 nPop = 30; % 种群规模 Dim = 2; % 维度数 (x,y坐标) lb = [0, 0]; % 下界 ub = [100, 100]; % 上界 % 初始化种群 X = lb + rand(nPop, Dim).*(ub-lb); alpha_pos = zeros(1, Dim); alpha_score = inf; beta_pos = zeros(1, Dim); beta_score = inf; delta_pos = zeros(1, Dim); delta_score = inf; for t=1:Max_iter for i=1:nPop fitness = calculate_fitness(X(i,:)); % 计算个体适应值 if fitness < alpha_score delta_score = beta_score; delta_pos = beta_pos; beta_score = alpha_score; beta_pos = alpha_pos; alpha_score = fitness; alpha_pos = X(i,:); elseif fitness < beta_score && fitness >= alpha_score delta_score = beta_score; delta_pos = beta_pos; beta_score = fitness; beta_pos = X(i,:); elseif fitness < delta_score && fitness >= beta_score delta_score = fitness; delta_pos = X(i,:); end end a = 2 - t * (2/Max_iter); % 自适应系数a线性下降 A1 = 2*a*rand() - a; C1 = 2*rand(); D_alpha = abs(C1.*alpha_pos - X); X1 = alpha_pos - A1.*D_alpha; A2 = 2*a*rand() - a; C2 = 2*rand(); D_beta = abs(C2.*beta_pos - X); X2 = beta_pos - A2.*D_beta; A3 = 2*a*rand() - a; C3 = 2*rand(); D_delta = abs(C3.*delta_pos - X); X3 = delta_pos - A3.*D_delta; X = (X1+X2+X3)/3; % 更新位置向量 end disp('Optimal Path:'); disp(alpha_pos); function fval = calculate_fitness(pos) % 定义目标函数 (此处假设为距离起点到终点的距离最小化问题) start_point = [0, 0]; end_point = [100, 100]; distance = norm(end_point-pos) + norm(start_point-pos); fval = distance; end ``` 此段程序展示了基本框架下如何运用改进型GWO完成一次简单的路径寻找过程。其中`calculate_fitness()`定义了评估每条候选轨迹质量的标准——即总行程长度越短越好;而主循环部分则实现了核心更新逻辑。 --- #### 多目标扩展与三维空间推广 当面对更加复杂的任务设定时,如需兼顾多个相互冲突的目标或是处于更高维度的空间之中,则可以考虑借助多目标灰狼优化(MOGWO)[^4]来进行建模分析。此时除了常规的位置变量外还需额外记录各个体对应的不同属性权重分布情况,并据此构建帕累托前沿集合表示最终结果。 ---
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