[发明专利]一种应用遗传算法和编码进行三维航迹规划的优化方法

摘要

本发明提供了一种应用遗传算法进行三维航迹规划的编码方法，把三维空间分割成为不同四面体的集合，通过右手定则，利用已知的航迹确定编码，再通过已知的编码还原航迹，利用本发明提出的编码方法，把三维空间中的一条航迹用一行代码表示，还可以由一行代码在三维空间中还原出一条航迹，并且为遗传算法在三维空间内的有效使用搭建一个平台，使遗传算法这个效率高，效果好的优化算法成功应用在三维航迹规划领域。

主权项

1.一种应用遗传算法和编码进行三维航迹规划的优化方法，其特征在于包括下述步骤：(一)航迹已知，确定编码第1步：空间分割根据Delaunay三维分割方法，在威胁点位置已知的情况下，把三维空间分割成为不同四面体的集合并且分割后的结果是唯一的；第2步：确定穿越面的编码经过第1步，空间被分割成不同四面体的集合，空间中所有四面体可分为航迹穿过和航迹未穿过两种，航迹从一个四面体进入另一个四面体时必然要经过一个穿越面，穿越面为一个三角形，有三个顶点，定义穿越面的编码为(0，1，2)，即只有编码为(0，1，2)的面为穿越面，具体0、1、2赋值给穿越面的哪一个顶点可使用右手定则确定：右手握拳，竖起大拇指，拇指指向的方向为航迹前进的方向，其他手指旋转的方向为编码数值增大的方向0→1→2，根据航迹前进的方向，即可确定穿越面的编码，同理，根据穿越面的编码可以确定航迹前进的方向；第3步：确定穿越四面体的编码空间中所有四面体可分为航迹穿过和航迹未穿过两种，两种四面体的编码方式不同；对于编码有航迹穿过的四面体，穿入的穿越面编码已知为(0，1，2)，而四面体只有第四个顶点的编码未知，第四个未知编码的顶点位置由四面体的航迹穿出面决定，即穿出面和穿入面之间三角形共用的边两个顶点已知，由于每个顶点的编码均为0、1、2三个值中的一个，所以根据三角形共用边的顶点编码，即可得知第四个顶点的编码；如此，按照航迹前进的方向，所有穿越四面体顶点的编码可以确定；第4步：确定未穿越四面体的编码对航迹未穿过四面体的编码有先后顺序：对与穿越四面体相邻的四面体进行编码，因与穿越四面体相邻，所以与穿越四面体相邻的四面体有三个顶点是确定的，另一个编码未确定的顶点的数值与已知三个顶点中编码数量占优势的编码一致，由于编码只有三个数值，穿出面编码是(0，1，2)，非穿出面的三角形的三个顶点中必然有重复的编码值；第5步：对于与第4步已确定编码的四面体相邻的四面体，再遵循第四个顶点的数值与其他已知三个顶点中数量占优势的编码一致的原则，以此类推，可确定整个三维空间内所有四面体顶点的编码；(二)编码已知，确定航迹第1步：确定穿越面和穿越四面体因穿越四面体和未穿越四面体的编码不同，可对三维空间内所有四面体筛选，挑出所有穿越四面体；第2步：依次连接所有穿越四面体从起始点所在的四面体开始，按照右手定则，沿航迹的方向，依次穿过每一个穿越面，即可确定唯一的航迹；(三)经过步骤(一)和步骤(二)的编码后，计算获得航迹代价，并通过执行遗传算法程序，采用人工势场法对航迹进行平滑处理，即可得到优化后的航迹，详细步骤如下：首先根据Delaunay三维分割法则，根据威胁点的位置对三维空间进行分割，在本例的仿真环境内，整个空间分割成68个四面体；然后根据初始航迹的走向，按照本发明提出的编码理论对所有四面体的顶点(也就是威胁点)进行编码，得到的编码为(02110012100211022011)，计算得到初始的航迹代价为1256；接着对初始航迹的编码执行遗传算法程序，本例的遗传算法采用的交叉概率为0.6，变异概率为0.1，遗传繁衍1000代；为了满足飞机的动力学要求，本例在遗传算法优化之后采用人工势场法对航迹进行平滑处理；经过算法优化后的航迹编码为(10220012202010021200)，航迹代价为998；比较初始航迹代价和优化后的航迹代价，经过算法优化后的航迹相对于初始航迹有明显的提升。