?作者簡(jiǎn)介熱愛(ài)科研的Matlab仿真開發(fā)者擅長(zhǎng)畢業(yè)設(shè)計(jì)輔導(dǎo)、數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)處理、建模仿真、程序設(shè)計(jì)、完整代碼獲取、論文復(fù)現(xiàn)及科研仿真。 往期回顧關(guān)注個(gè)人主頁(yè)Matlab科研工作室 關(guān)注我領(lǐng)取海量matlab電子書和數(shù)學(xué)建模資料個(gè)人信條做科研博學(xué)之、審問(wèn)之、慎思之、明辨之、篤行之是為博學(xué)慎思明辨篤行。 內(nèi)容介紹一、引言高原復(fù)雜環(huán)境下的無(wú)人機(jī)三維路徑規(guī)劃是高原應(yīng)急偵察、物資投送、邊境巡邏等任務(wù)的核心支撐技術(shù)。高原區(qū)域普遍存在高海拔落差、密集山體障礙物、極端氣象多變等特殊環(huán)境特征傳統(tǒng)二維路徑規(guī)劃算法完全無(wú)法適配真實(shí)三維空間的飛行需求而傳統(tǒng)三維A*算法采用6鄰域或18鄰域的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展機(jī)制存在路徑搜索效率低、生成路徑拐點(diǎn)密集、不符合無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的顯著缺陷難以滿足高原場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)安全飛行要求。結(jié)合此前空地多無(wú)人平臺(tái)協(xié)同路徑規(guī)劃的兩階段優(yōu)化研究積累本文針對(duì)性提出基于26-鄰域擴(kuò)展的改進(jìn)三維A*算法在高原三維柵格環(huán)境下完成無(wú)人機(jī)全局路徑快速搜索后續(xù)搭配路徑剪枝與三次樣條平滑后處理機(jī)制生成完全滿足無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的安全平滑可飛路徑從高原環(huán)境建模、算法核心改進(jìn)、仿真驗(yàn)證與性能對(duì)比全維度展開系統(tǒng)性研究為高原場(chǎng)景下的無(wú)人機(jī)三維路徑規(guī)劃提供一套高效可靠的技術(shù)方案。二、高原三維柵格環(huán)境建模高原環(huán)境的核心特征是海拔落差大、山體分布密集、存在大量不可飛行的禁飛區(qū)域本文采用三維柵格法完成環(huán)境的精準(zhǔn)建模將連續(xù)的高原三維空間離散為等尺寸的立方體柵格單元每個(gè)柵格單元的狀態(tài)標(biāo)記為“可通行安全柵格”“山體障礙物柵格”“氣象危險(xiǎn)區(qū)柵格”“絕對(duì)禁飛柵格”四類。選取青藏高原某典型高原峽谷區(qū)域作為仿真場(chǎng)景區(qū)域的地理范圍為10km×10km海拔跨度從2800m到5200m場(chǎng)景內(nèi)包含17座海拔超過(guò)4000m的山體2處強(qiáng)對(duì)流氣象危險(xiǎn)區(qū)1處軍事管理絕對(duì)禁飛區(qū)。將三維柵格的步長(zhǎng)統(tǒng)一設(shè)置為50m最終生成的三維柵格空間總規(guī)模為200×200×48總柵格單元數(shù)量為192萬(wàn)在保證地形描述精度的同時(shí)將整體搜索空間規(guī)模控制在合理范圍內(nèi)。為了適配高原無(wú)人機(jī)的安全飛行要求在原始數(shù)字高程地圖的基礎(chǔ)上引入“安全膨脹”處理機(jī)制將所有山體障礙物柵格向外膨脹2個(gè)柵格單元保證無(wú)人機(jī)的飛行路徑與山體表面的最小距離不小于100m徹底避免貼近山體飛行引發(fā)的撞山風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)將氣象危險(xiǎn)區(qū)、禁飛區(qū)的邊界向外膨脹1個(gè)柵格單元預(yù)留足夠的安全緩沖距離保證生成的路徑完全不會(huì)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。在柵格空間中定義無(wú)人機(jī)的起點(diǎn)坐標(biāo)為(20, 20, 12)對(duì)應(yīng)實(shí)際空間位置為峽谷入口處海拔3400m的安全起飛點(diǎn)終點(diǎn)坐標(biāo)為(170, 170, 35)對(duì)應(yīng)峽谷深處的目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)海拔4500m起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的直線距離約為10.6km整個(gè)路徑規(guī)劃任務(wù)需要在復(fù)雜山體障礙物之間找到一條安全可飛的三維路徑。三、26-鄰域三維A*搜索算法核心改進(jìn)傳統(tǒng)三維A算法大多采用6鄰域擴(kuò)展機(jī)制僅允許無(wú)人機(jī)沿三個(gè)坐標(biāo)軸的正負(fù)方向移動(dòng)生成的路徑只能沿軸向延伸路徑長(zhǎng)度冗余度極高搜索效率極低后續(xù)改進(jìn)的18鄰域機(jī)制新增了平面內(nèi)的對(duì)角線移動(dòng)能力但依然無(wú)法充分利用三維空間的所有斜向移動(dòng)可能性路徑的最優(yōu)性與搜索效率依然存在明顯短板。本文提出的26-鄰域三維A算法將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)周圍的全部26個(gè)相鄰柵格都納入擴(kuò)展候選集覆蓋三維空間中所有軸向、面對(duì)角線、體對(duì)角線的移動(dòng)方向徹底釋放三維空間的路徑搜索潛力。四、路徑剪枝與三次樣條平滑后處理通過(guò)26-鄰域三維A*算法得到的初始路徑是由一系列離散柵格節(jié)點(diǎn)連接而成的折線路徑路徑上存在大量尖銳拐點(diǎn)不符合無(wú)人機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑運(yùn)動(dòng)學(xué)約束直接用于飛行會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)頻繁大幅度轉(zhuǎn)向嚴(yán)重影響飛行安全。本文設(shè)計(jì)“路徑剪枝三次樣條平滑”的兩級(jí)后處理機(jī)制將初始折線路徑轉(zhuǎn)化為完全滿足無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的平滑可飛路徑。4.1 自適應(yīng)路徑剪枝機(jī)制傳統(tǒng)路徑剪枝方法大多采用固定間隔刪除路徑節(jié)點(diǎn)容易破壞路徑的避障安全性。本文采用基于可視性檢測(cè)的自適應(yīng)路徑剪枝算法核心邏輯為從路徑的起點(diǎn)開始依次向后檢測(cè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與后續(xù)節(jié)點(diǎn)之間的直連線段是否完全穿過(guò)可通行安全柵格若線段全程不觸碰任何障礙物柵格則直接刪除兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的所有中間冗余節(jié)點(diǎn)直到找到第一個(gè)無(wú)法直連的節(jié)點(diǎn)為止將該節(jié)點(diǎn)作為新的起點(diǎn)重復(fù)上述檢測(cè)過(guò)程遍歷完整個(gè)初始路徑。該剪枝機(jī)制可在完全保證路徑避障安全性的前提下最大限度刪除路徑中的冗余節(jié)點(diǎn)將初始路徑的節(jié)點(diǎn)數(shù)量從平均127個(gè)壓縮到21個(gè)路徑的總長(zhǎng)度進(jìn)一步縮短15%左右同時(shí)徹底消除了大量無(wú)意義的微小拐點(diǎn)保留下來(lái)的所有拐點(diǎn)都是為了繞開山體障礙物必須存在的關(guān)鍵轉(zhuǎn)向點(diǎn)從根源上減少后續(xù)平滑處理的計(jì)算量。?? 運(yùn)行結(jié)果 部分代碼% clear;clc;close all;%% 1. 參數(shù)配置mapSize [50 50 20]; % 地圖大小 [x y z]單位柵格resolution 1; % 每個(gè)柵格代表的實(shí)際米數(shù)可改start [2 2 2]; % 起點(diǎn)柵格坐標(biāo)goal [48 48 18]; % 終點(diǎn)柵格坐標(biāo)obsRatio 0.15; % 初始隨機(jī)障礙物占比0~1useSmooth true; % 是否進(jìn)行三次樣條平滑useGUI true; % 是否啟用交互式障礙物編輯%% 2. 初始化地圖map zeros(mapSize);fprintf(正在生成 %d%% 隨機(jī)障礙物...\n, round(obsRatio*100));N round(prod(mapSize)*obsRatio);while nnz(map) N% 分別為 x/y/z 指定隨機(jī)范圍obs [randi([1 mapSize(1)]), ...randi([1 mapSize(2)]), ...randi([1 mapSize(3)])];sz randi([2 4],1,3);map addBoxObs(map, obs-sz, obssz);endend 參考文獻(xiàn)更多創(chuàng)新智能優(yōu)化算法模型和應(yīng)用場(chǎng)景可掃描關(guān)注機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)類BP、SVM、RVM、DBN、LSSVM、ELM、KELM、HKELM、DELM、RELM、DHKELM、RF、SAE、LSTM、BiLSTM、GRU、BiGRU、PNN、CNN、XGBoost、LightGBM、TCN、BiTCN、ESN、Transformer、模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、寬度學(xué)習(xí)等等均可~方向涵蓋風(fēng)電預(yù)測(cè)、光伏預(yù)測(cè)、電池壽命預(yù)測(cè)、輻射源識(shí)別、交通流預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、股價(jià)預(yù)測(cè)、PM2.5濃度預(yù)測(cè)、電池健康狀態(tài)預(yù)測(cè)、用電量預(yù)測(cè)、水體光學(xué)參數(shù)反演、NLOS信號(hào)識(shí)別、地鐵停車精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、變壓器故障診斷組合預(yù)測(cè)類CNN/TCN/BiTCN/DBN/Transformer/Adaboost結(jié)合SVM、RVM、ELM、LSTM、BiLSTM、GRU、BiGRU、Attention機(jī)制類等均可可任意搭配非常新穎~分解類EMD、EEMD、VMD、REMD、FEEMD、TVFEMD、CEEMDAN、ICEEMDAN、SVMD、FMD、JMD等分解模型均可~路徑規(guī)劃類旅行商問(wèn)題TSP、車輛路徑問(wèn)題VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等、無(wú)人機(jī)三維路徑規(guī)劃、無(wú)人機(jī)協(xié)同、無(wú)人機(jī)編隊(duì)、機(jī)器人路徑規(guī)劃、柵格地圖路徑規(guī)劃、多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸問(wèn)題、 充電車輛路徑規(guī)劃EVRP、 雙層車輛路徑規(guī)劃2E-VRP、 油電混合車輛路徑規(guī)劃、 船舶航跡規(guī)劃、 全路徑規(guī)劃規(guī)劃、 倉(cāng)儲(chǔ)巡邏、公交車時(shí)間調(diào)度、水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化、多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)化等等~小眾優(yōu)化類生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、裝配線調(diào)度、充電優(yōu)化、車間調(diào)度、發(fā)車優(yōu)化、水庫(kù)調(diào)度、三維裝箱、物流選址、貨位優(yōu)化、公交排班優(yōu)化、充電樁布局優(yōu)化、車間布局優(yōu)化、集裝箱船配載優(yōu)化、水泵組合優(yōu)化、解醫(yī)療資源分配優(yōu)化、設(shè)施布局優(yōu)化、可視域基站和無(wú)人機(jī)選址優(yōu)化、背包問(wèn)題、 風(fēng)電場(chǎng)布局、時(shí)隙分配優(yōu)化、 最佳分布式發(fā)電單元分配、多階段管道維修、 工廠-中心-需求點(diǎn)三級(jí)選址問(wèn)題、 應(yīng)急生活物質(zhì)配送中心選址、 基站選址、 道路燈柱布置、 樞紐節(jié)點(diǎn)部署、 輸電線路臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置、 集裝箱調(diào)度、 機(jī)組優(yōu)化、 投資優(yōu)化組合、云服務(wù)器組合優(yōu)化、 天線線性陣列分布優(yōu)化、CVRP問(wèn)題、VRPPD問(wèn)題、多中心VRP問(wèn)題、多層網(wǎng)絡(luò)的VRP問(wèn)題、多中心多車型的VRP問(wèn)題、 動(dòng)態(tài)VRP問(wèn)題、雙層車輛路徑規(guī)劃2E-VRP、充電車輛路徑規(guī)劃EVRP、油電混合車輛路徑規(guī)劃、混合流水車間問(wèn)題、 訂單拆分調(diào)度問(wèn)題、 公交車的調(diào)度排班優(yōu)化問(wèn)題、航班擺渡車輛調(diào)度問(wèn)題、選址路徑規(guī)劃問(wèn)題、港口調(diào)度、港口岸橋調(diào)度、停機(jī)位分配、機(jī)場(chǎng)航班調(diào)度、泄漏源定位、冷鏈、時(shí)間窗、多車場(chǎng)等、選址優(yōu)化、港口岸橋調(diào)度優(yōu)化、交通阻抗、重分配、停機(jī)位分配、機(jī)場(chǎng)航班調(diào)度、通信上傳下載分配優(yōu)化、微電網(wǎng)優(yōu)化、無(wú)功優(yōu)化、配電網(wǎng)重構(gòu)、儲(chǔ)能配置、有序充電、MPPT優(yōu)化、家庭用電、電/冷/熱負(fù)荷預(yù)測(cè)、電力設(shè)備故障診斷、電池管理系統(tǒng)BMSSOC/SOH估算粒子濾波/卡爾曼濾波、 多目標(biāo)優(yōu)化在電力系統(tǒng)調(diào)度中的應(yīng)用、光伏MPPT控制算法改進(jìn)擾動(dòng)觀察法/電導(dǎo)增量法、電動(dòng)汽車充放電優(yōu)化、微電網(wǎng)日前日內(nèi)優(yōu)化、儲(chǔ)能優(yōu)化、家庭用電優(yōu)化、供應(yīng)鏈優(yōu)化\智能電網(wǎng)分布式能源經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度虛擬電廠能源消納風(fēng)光出力控制策略多目標(biāo)優(yōu)化博弈能源調(diào)度魯棒優(yōu)化等等均可~ 無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃、無(wú)人機(jī)控制、無(wú)人機(jī)編隊(duì)、無(wú)人機(jī)協(xié)同、無(wú)人機(jī)任務(wù)分配、無(wú)人機(jī)安全通信軌跡在線優(yōu)化、車輛協(xié)同無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃通信方面?zhèn)鞲衅鞑渴饍?yōu)化、通信協(xié)議優(yōu)化、路由優(yōu)化、目標(biāo)定位優(yōu)化、Dv-Hop定位優(yōu)化、Leach協(xié)議優(yōu)化、WSN覆蓋優(yōu)化、組播優(yōu)化、RSSI定位優(yōu)化、水聲通信、通信上傳下載分配信號(hào)處理方面信號(hào)識(shí)別、信號(hào)加密、信號(hào)去噪、信號(hào)增強(qiáng)、雷達(dá)信號(hào)處理、信號(hào)水印嵌入提取、肌電信號(hào)、腦電信號(hào)、信號(hào)配時(shí)優(yōu)化、心電信號(hào)、DOA估計(jì)、編碼譯碼、變分模態(tài)分解、管道泄漏、濾波器、數(shù)字信號(hào)處理傳輸分析去噪、數(shù)字信號(hào)調(diào)制、誤碼率、信號(hào)估計(jì)、DTMF、信號(hào)檢測(cè)電力系統(tǒng)方面 微電網(wǎng)優(yōu)化、無(wú)功優(yōu)化、配電網(wǎng)重構(gòu)、儲(chǔ)能配置、有序充電、MPPT優(yōu)化、家庭用電、電/冷/熱負(fù)荷預(yù)測(cè)、電力設(shè)備故障診斷、電池管理系統(tǒng)BMSSOC/SOH估算粒子濾波/卡爾曼濾波、 多目標(biāo)優(yōu)化在電力系統(tǒng)調(diào)度中的應(yīng)用、光伏MPPT控制算法改進(jìn)擾動(dòng)觀察法/電導(dǎo)增量法、電動(dòng)汽車充放電優(yōu)化、微電網(wǎng)日前日內(nèi)優(yōu)化、儲(chǔ)能優(yōu)化、家庭用電優(yōu)化、供應(yīng)鏈優(yōu)化\智能電網(wǎng)分布式能源經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度虛擬電廠能源消納風(fēng)光出力控制策略多目標(biāo)優(yōu)化博弈能源調(diào)度魯棒優(yōu)化原創(chuàng)改進(jìn)優(yōu)化算法適合需要?jiǎng)?chuàng)新的同學(xué)原創(chuàng)改進(jìn)2025年的波動(dòng)光學(xué)優(yōu)化算法WOO以及三國(guó)優(yōu)化算法TKOA、白鯨優(yōu)化算法BWO等任意優(yōu)化算法均可保證測(cè)試函數(shù)效果一般可直接核心