[发明专利]基于非均匀建模的改进蚁群路径规划算法

说明书

本发明涉及路径规划方法技术领域，具体的说是一种基于非均匀建模的改进蚁群路径规划算法，本发明考虑到均匀建模方案对复杂环境建模的不足，提出利用四叉树建模得到非均匀栅格模型，提出了基于非均匀栅格模型的改进蚁群路径规划算法，以非均匀栅格模型为基础对基本蚁群算法进行改进，在路径点选择时考虑节点与障碍物之间的距离，在进行路径点选择时考虑待选择节点与障碍物之间的距离，采用“ant‑cycle”的信息素更新方式，在全局信息素更新时限制信息素大小，仿真实验表明非均匀栅格模型相比较均匀栅格模型的优越性，改进蚁群算法相比较其他几种基本蚁群算法收敛速度更快，能够得到更符合复杂环境中水下航行器需要的路径。

技术领域：

本发明涉及路径规划方法技术领域，具体的说是一种考虑到均匀建模方案对复杂环境建模的不足，以非均匀栅格模型为基础对基本蚁群算法进行改进，能够得到更符合复杂环境中水下航行器需要的路径的基于非均匀建模的改进蚁群路径规划算法。

背景技术：

水下航行器路径规划是指在给定出发点和目标点之后，在水下环境中规划得到一条安全无碰撞且满足优化目标的路径。路径规划算法往往分成3步，第一步是环境建模，第二步是基于环境模型利用算法规划得到路径，第三步是路径优化。在以往研究中，环境建模往往采用均匀划分建模方案，例如栅格法、极坐标建模法等，这些建模方案在划分搜索空间过程中并没有考虑障碍物之间的分布信息，导致搜索算法基于这些建模方案得到的环境模型进行路径规划时存在不必要的计算量。当规划空间是简单环境时，基于这些方案的算法能求解得到解，但当规划空间为复杂环境时，基于均匀建模方案的算法效率低下甚至得不到解。

由于水下航行器运行在水下空间，海流对AUV的运行产生影响，因此对于水下航行器路径规划必须考虑海流的影响。流场信息可以通过远程观测获得，例如可以通过高频雷达(HF radar)测量和卫星观测得知，也可以通过系泊实地测量或数值预报模型获得。数值预报模型的一个例子是区域海洋模式系统(Regional Ocean Model System–ROMS)，它是一个开源的海洋模型程序，在整个海洋学和模拟社区得到广泛接受和支持。ROMS原本被用来研究美国西部沿海的海洋变化过程，分辨率从1公里到15公里不等。ROMS除了可以得到特定区域的流场之外，还可以利用解析方程模拟流场。Bluelink是另外一个流场预测模型，该模型可以生成澳大利亚周边海岸和大陆架地区未来七天的高分辨率的流场预测。Bluelink的使用主要针对大范围地区，例如数公里范围内的大型地区。因为粗略的流场地图对于数百米范围内的短程操作几乎没有用处，如果需要实际应用，需要插值来生成更高分辨率的海流地图。

水下航行器工作在湍流、杂乱的海洋环境中，海流对水下航行器的运动产生影响，顺流可以减少水下航行器的能量消耗，逆流会增大水下航行器的能量消耗，在以往关于水下航行器路径规划的研究中很多文章并没有考虑海流的影响，现阶段电池技术还未取得突破性进展，水下航行器的路径能耗是一个值得考虑的因素。

路径规划问题是一个典型的NP(Non-Deterministic Polynomial Problems)问题。近些年，进化算法已经被广泛应用到解决NP问题，并且进化算法已被证明是一种处理非确定性多项式时间难题的高效且有效的方法。蚁群算法是一种典型的进化算法，蚁群算法已经被广泛应用到路径规划中。

在复杂环境中，如U型障碍物，环形障碍物等(如图7所示)，蚂蚁在搜索路径时容易陷入死锁状态。所谓的死锁状态是指：蚂蚁到达某栅格之后，下一步无可选择的栅格，该栅格的邻域栅格要么是位于已走过的路径点之中，要么是障碍物栅格。

蚂蚁在搜索前期，由于搜索的盲目性，容易掉入死锁。如图8左图所示，蚂蚁在经过了栅格1、2、3、4到达了栅格5之后，下一步无可走栅格，陷入了死锁，其中灰色栅格为障碍物栅格。如图8右图所示，在非均匀栅格环境中，蚂蚁在经过栅格1、2到达栅格3之后，陷入死锁。