一种布谷鸟搜索算法解决uav多任务侦察决策问题的方法_2

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]步骤=:离散布谷鸟捜索算法初始参数设值;
[0051] 定义鸟窝数量m,巢主鸟能够发现外来鸟蛋的概率P。,巢主鸟是智能布谷鸟的概率 P。,最大迭代次数Maxit,由于要解决的问题可W看作经典TSP问题求解,应用整数编码随机 生成一个mX(n+l)的初始矩阵Xmx(wi);
[0052] 步骤四:计算初始值适应度;
[0053]W遍历全部侦察任务区飞行路径最短为适应度函数,计算每个鸟窝的适应度,逐 一比较选出最小值并记录相应的解;
[0054] 步骤五:判断巢主鸟是否具有监测功能;
[005引随机产生服从均匀分布0~1之间的数ri,并与概率P。进行比较,若ri< P。则证 明该布谷鸟具有自主监测能力,将此解的适应度/;^与随机选取的第j个解的适应度进行 比较,若货 >巧则将第i个解用第j个解替换,其中i,j=l,2,...,m且i声j。
[0056] 步骤六:新鸟窝的产生并择优保留;
[0057] 通过L6vy飞行产生一个0~1之间的值1,根据1值产生新鸟窝:
[005引当1 G [0, :0时,解进行一次2-opt扰动;
[005引当1G[化-1)Xi,kXU时,解进行k次2-opt扰动;
[0060] 当1G比Xi, 1)时,解通过double-bridge进行一次大的扰动;
[0061] 其中,i=1/Q+P),p为步数(一般提前规定),kG{2, . . . ,p},L6vy飞行产生值的 公式为:st巧=y/(|V|i/e),运里y和V服从正态分布,即:爲~A'(化。;;> ,/V(0,仔,2),
0v=1,r为标准的Gamma函数。然后,计算出新鸟窝的适 应度并与之前的进行比较,若if1 <《则用新的解替换,否则不变;
[0062] 步骤屯:是否抛弃较差鸟窝;
[006引随机产生服从均匀分布0~1之间的数。,并与概率P。进行比较,若r2<P。则抛 弃较差鸟窝并通过局部随机过程建立全新的鸟窝;否则,保持不变;将产生的新解与之前 的解进行比较保留最优解。
[0064] 步骤八:判断是否达到最大迭代次数,如果没有,迭代次数加1并返回步骤五;否 贝1J,退出并显示最优结果。
[0065] 步骤九:建立UAV侦察信息确定性指标模型;
[0066] 信息确定性指标主要跟UAV在任务区的侦察时间、侦察载荷的工作能力等有关, 如下式所示:
[0067]G(t) =G〇+Gi(l-e(et))
[006引式中,G。为侦察开始前UAV对任务区域已知信息,0《G。< 1,G1为UAV对任务区 域的信息不确定性部分,满足Gu+Gi=l。P为侦察载荷对任务区域的侦察能力指数,主要 由侦察载荷的固有能力与待侦察任务区的性质决定。
[0069] 步骤十:建立UAV多任务侦察收益模型;
[0070] W侦察收益最大为优化目标,建立如下表达式:
[0071]
[007引式中,Ci为任务区i的价值,W为UAV携带侦察载荷的扫描宽度;V为UAV的任务 飞行速度,设为固定值,Si第i个任务区域的面积,假定任务区为长方形区域,t1为第i个 任务区分配的侦察时间,其中ti= 0。
[0073] 步骤^^一 :基本布谷鸟捜索算法初始参数设值;
[0074] 定义鸟窝数量m,巢主鸟能够发现外来鸟蛋的概率P。,最大迭代次数Maxit,随机生 成一个mX(n-l)的初始矩阵Ymxhu;
[00巧]步骤十二:计算初始值适应度;
[0076] W多任务侦察收益为适应度函数,计算每个鸟群的适应度,逐一比较选出最大值 并记录相应的解;
[0077] 步骤十=:新鸟窝的产生并择优保留;
[0078] 通过L6vy飞行过程产生新的鸟窝,并将最好的鸟窝保留到下一代,鸟窝的更新公 式如下:
[0079]
[0080] 式中,巧;rP分表表示第t+1和第t代第i个鸟窝的位置,巧表示点对点乘 法,a>0为步长比例因子,〇<P《2,其余变量步骤六中已经描述。计算出新鸟窝的适 应度并与之前的进行比较,若则用新的解替换,否则不变;
[0081] 步骤十四:是否抛弃较差鸟窝;
[008引随机产生服从均匀分布0~1之间的数。,并与概率P。进行比较,若r3<P。则抛 弃较差鸟窝并通过局部随机过程建立全新的鸟窝;否则,保持不变;将产生的新解与之前 的解进行比较保留最优解。
[0083] 步骤十五:判断是否达到最大迭代次数,如果没有,迭代次数加1并返回步骤 十否则,退出并显示最优结果。
[0084] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0085] UAV多任务侦察规划示意图如图1所示,已知参数:无人机的最大续航工作时间, 巡航速度,携带的侦察载荷扫描宽度,起飞基地的坐标,任务区数量,任务区参数及侦察价 值系数、最大迭代次数。
[0086] 求解参数:决策变量Xi,、ti,总飞行距离Dmi。,最大侦察收益Gmax。
[0087] 方案实施过程如下:
[0088] 首先将整个规划过程分为两个阶段来求解,第一阶段进行侦察路径规划,求取到 UAV飞完所有侦察路径需要的任务时间。第二阶段进行任务区侦察时间分配,将UAV剩余的 任务飞行时间分配给相应的任务区。整个求解过程如图2所示。
[0089] 第一阶段:将UAV对多任务区侦察的最短任务路径问题归结为经典的TSP问题求 解,针对问题特点,建立如下数学模型:
[009引其中du为任务区i到任务区j的欧氏距离,(X1,yi)表示第i个任务区中屯、的位置坐标;\,为决策变量,当UAV先执行完任务i之后就执行任务j时值为1,否则为0;n表 示任务区数量(包括UAV起飞基地),Dmi。从基地起飞完成对所有任务区遍历飞行的最短航 路,M起飞基地与侦察任务区集合M={1,2, 3. . .n},tii为UAV从任务区i到任务区j需要 的飞行时间,ty=dy/v。
[0099] 如图3所示,离散布谷鸟捜索算法解决UAV对多任务区侦察的最短任务路径问题 包括W下步骤:
[0100] 步骤一:输入已知数据;
[0101] 将侦察任务区数量,各个任务区位置,W及任务面积、各任务区最小侦察收益、各 任务侦察价值、无人机的总飞行时间、无人机飞行速度作为初始数据输入系统。
[0102] 步骤二:建立UAV最短侦察路径规划优化目标;
[0103] W遍历全部侦察任务区飞行路径最短为优化目标,建立如下表达式:
[0104]
[0105] 步骤=:离散布谷鸟算法初始参数设值;
[0106] 定义鸟窝数量m,巢主鸟能够发现外来鸟蛋的概率P。,巢主鸟是智能布谷鸟的 概率P。,最大迭代次数Maxit,由于解决的是一个TSP问题,应用整数编码随机生成一个 mX(n+1)的初始矩阵Xmxhw;
[0107] 步骤四:计算初始值适应度;
[010引 W遍历全部侦察任务区飞行路径最短为适应度函数,计算每个种群的适应度,逐 一比较选出最小值并记录相应的解;
[0109] 步骤五:判断巢主鸟是否具有监测功能;
[0110]随机产生服从均匀分布0~1之间的数ri,并与概率P。进行比较,若ri<P。则证 明该布谷鸟具有自主监测能力,将此解的适应度/f与随机选取的第j个解的适应度进行 比较,乾货 > 务则将第i个解用第j个解替换,其中i,j= 1,2,...,m且i声j。
[0111] 步骤六:新鸟窝的产生并择优保留;
[0112] 通过L6vy飞行产生一个0~1之间的值1,根据1值产生新鸟窝:
[011引当1G[0, :0时,解进行一次2-opt移动;
[0114] 当1G[化-1)Xi,kXU时,解进行k次2-opt移动;
[0115] 当1G比Xi, 1)时,解通过double-bridge进行一次大的扰动;
[0116] 其中,i= 1/Q+P),p为步数(一般提前规定),kG{2, . . . ,p},L6vy飞行产生值的 公式为:st巧=y/(|V|i/e),运里y和V服从正态分布,即:兴脚讀),V~部0,相),
0v= 1,r为标准的Gamma函数。然后,计算出新鸟窝的适应 度并与之前的进行比较,若乂"1 </;f则用新的解替换,否则不变,2-opt与double-bridge属 于局部捜索算法,用于解决TSP问题,具体实现如图4、5所示;
[0117] 步骤屯:是否抛弃较差鸟窝;
[011引随机产生服从均匀分布0~1之间的数。,并与概率P。进行比较,若r2<P。则抛 弃较差鸟窝并通过局部随机过程建立全新的鸟窝;否则,保持不变;将产生的新解与之前 的解进行比较保留最优解。
[0119] 步骤八:判断是否达到最大迭代次数,如果没有,迭代次数加1并返回步骤五;否 贝1J,退出并显示最优结果。
[0120] 第二阶段:提出采用信息确定性指标衡量特定时间内对任务区的侦察收益,信息 确定性指标主要跟UAV在任务区域的侦察时间、侦察载荷的工作能力等有
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