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一、蚯蚓算法无人机避障三维航迹规划简介

1 无人机航迹规划问题的数学模型
建立三维航迹规划问题的数学模型时, 不但考虑无人机基本约束, 还考虑复杂的飞行环境, 包括山体地形和雷暴威胁区。

1.1 无人机基本约束
规划的无人机三维航迹, 通常需要满足一些基本约束, 包括最大转弯角、最大爬升角或下滑角、最小航迹段长度、最低和最高飞行高度, 以及最大航迹长度等约束。其中, 最大转弯角约束, 是指无人机只能在水平面内小于或等于指定的最大转弯角内转弯;最大爬升角或下滑角约束, 是指无人机只能在垂直平面内小于或等于指定的最大爬升角或下滑角内爬升或下滑;最小航迹段长度约束, 要求无人机改变飞行姿态之前, 按目前的航迹方向飞行的最短航程;最低和最高飞行高度约束, 要求无人机在指定的飞行高度区间飞行;最大航迹长度约束, 是指无人机的航迹长度小于或等于指定的阈值。

记q (x, y, z, θ, ψ) 为无人机的飞行位置与姿态, 其中, (x, y, z) 为无人机的位置, θ为无人机的水平转弯角, ψ为无人机的竖直爬升角或下滑角, 进而建立上述基本约束的数学表达式。

1.2 飞行环境障碍物和威胁区建模
在飞行环境中, 高耸的山体近似采用圆锥体等效表示, 用以e为底的自然指数图形生成, 那么, 山体地形可以通过多个位置不同的圆锥体叠加而成。若将参考海拔基准高度设置为xOy平面, 记 (x, y, z) 为山体地形中的点, 那么

式中:N为山体个数;xk0和yk0为第k座山体中心对称轴的横坐标和纵坐标;hk为第k座山体的最大高度;xki和yki为第k座山体的横向斜度和纵向斜度。

在飞行环境中, 山体附近通常存在雷暴等极端气象, 本文视为飞行威胁区, 并通过球体近似等效表示, 且记第k座山体附近飞行威胁区的球心坐标为 (xks0, yks0, zks0) , 半径为rk。

1.3 目标函数及航迹表示
在本文中, 执行任务的某型无人机, 其航迹规划的目标函数是生成一条由起始点到目标点的无碰撞可行航迹。采用q (x, y, z, θ, ψ) 表示无人机在飞行空域中某特定位置的特定姿态, 那么 (x, y, z) 则表示无人机所在航迹点, θ表示无人机的水平转弯角, ψ表示无人机的竖直爬升角或下滑角。采用r (q) 表示由起始点qinitial到目标点qgoal的无碰撞可行航迹, 那么航迹规划的过程可以写成如下形式:

2 蚯蚓算法
蚯蚓优化算法（Earthworm Optimisation Algorithm, EOA）是一种启发式算法，灵感来源于蚯蚓在自然界中的行为模式。蚯蚓优化算法主要模仿了蚯蚓在寻找食物和逃避天敌时的行为策略。以下是蚯蚓优化算法的几个关键特征和步骤：
（1）搜索食物：蚯蚓通过伸缩身体在土壤中移动寻找食物。在算法中，这一行为被模拟为在解空间中搜索最优解。

（2）避免天敌：当蚯蚓感受到天敌的威胁时，它会迅速改变位置。这在算法中对应于避开局部最优解，寻找全局最优解。

（3）群体协作：蚯蚓在自然界中通过群体协作来提高生存机会。算法中的蚯蚓个体也会相互协作，共享信息，以达到更好的搜索效果。

（4）随机行为和局部搜索：蚯蚓在搜索食物时会表现出一定的随机行为，这有助于它们探索新的区域。在算法中，这被模拟为随机的搜索步骤，有助于跳出局部最优解。

（5）适应性：蚯蚓会根据环境变化调整其行为。在算法中，这意味着根据搜索过程中的反馈调整搜索策略，以适应问题的特性。

蚯蚓优化算法用于解决优化问题，如函数优化、工程设计优化等。它的优势在于能够有效避免陷入局部最优解，同时保持较好的全局搜索能力。此外，算法的群体协作特性有助于提高搜索效率和解的质量。

二、部分源代码

%% 三维地图-无人机寻路
% 3D map - aircraft pathfinding
%% 这是使用原始算法的直接求解结果，添加专用于本问题的更新方式可以进一步提高精度
% This is the direct result of using the original algorithm,
% adding some specific update methods to this problem can further improve the accuracy
clc;
clear;
close all;
warning off

%% 载入数据
data.S=[1,950,12]; %起点位置
data.E=[950,1,1]; %终点点位置
data.Obstacle=xlsread(‘data.xls’);
data.numObstacles=length(data.Obstacle(:,1));
data.mapSize=[1000,1000,20]; %10m 地图尺寸
data.unit=[50,50,1]; %地图精度
data.S0=ceil(data.S./data.unit);
data.E0=ceil(data.E./data.unit);
data.mapSize0=data.mapSize./data.unit;
data.map=zeros(data.mapSize0);
figure
plot3(data.S(:,1),data.S(:,2),data.S(:,3),‘o’,‘LineWidth’,1,…
‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
‘MarkerSize’,8)
hold on
plot3(data.E(:,1),data.E(:,2),data.E(:,3),‘h’,‘LineWidth’,1,…
‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
‘MarkerSize’,8)
for i=1:data.numObstacles
x=1+data.Obstacle(i,1);
y=1+data.Obstacle(i,2);
z=1+data.Obstacle(i,3);
long=data.Obstacle(i,4);
wide=data.Obstacle(i,5);
pretty=data.Obstacle(i,6);
[V,F] = DrawCuboid(long, wide, pretty, x,y,z);
x0=ceil(x/data.unit(1));
y0=ceil(y/data.unit(2));
z0=ceil(z/data.unit(3));
long0=ceil(long/data.unit(1));
wide0=ceil(wide/data.unit(2));
pretty0=ceil(pretty/data.unit(3));
data.map(x0:x0+long0,y0:y0+wide0,z0:z0+pretty0)=1;
end
legend(‘起点’,‘终点’)
title(‘三维地形地图’)
grid on
axis equal
%%
% index=find(data.map==1);
% [p1,p2,p3] = ind2sub(size(data.map), index);
% figure
% plot3(data.S0(:,1),data.S0(:,2),data.S0(:,3),‘o’,‘LineWidth’,1,…
% ‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
% ‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
% ‘MarkerSize’,8)
% hold on
% plot3(data.E0(:,1),data.E0(:,2),data.E0(:,3),‘h’,‘LineWidth’,1,…
% ‘MarkerEdgeColor’,‘g’,…
% ‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
% ‘MarkerSize’,8)
% plot3(p1,p2,p3,‘.’,‘LineWidth’,1,…
% ‘MarkerEdgeColor’,‘k’,…
% ‘MarkerFaceColor’,‘g’,…
% ‘MarkerSize’,10)
% legend(‘起点’,‘终点’)
% title(‘三维地形地图’)
% grid on
% axis equal
% xlabel(‘x（km）’)
% ylabel(‘y（km）’)
% zlabel(‘z（km）’)
%% 生成可移动方向
temp=[1,0,-1];
direction=[];
for i=1:3
for j=1:3
for k=1:3
direction=[direction;temp(i),temp(j),temp(k)];
end
end
end
position=find(direction(:,1)==0 & direction(:,2)==0 & direction(:,3)==0);
direction(position,:)=[];
data.direction=direction;

%% 算法参数设置 Parameters
% 基本参数
numAgent=20; %种群个体数 size of population，可自行修改
Max_iter=20; %最大迭代次数 maximum number of interation，可自行修改
lb=0;%下限，可自行修改
ub=1;%上限，可自行修改
dim=prod(data.mapSize0); % 优化变量个数
fobj=@(x) aimFcn(x,data);%目标函数，用以优化

%% 使用优化算法求解

Optimal_results{2,index}=recording;%迭代曲线
Optimal_results{3,index}=bestY;%最佳函数值
Optimal_results{4,index}=bestX; %最佳变量值
Optimal_results{5,index}=result; %优化结果
Optimal_results{6,index}=toc; %运行时间
index = index +1;

三、运行结果

四、matlab版本及参考文献

1 matlab版本
2014a

2 参考文献
[1]田疆,李二超.用于无人机三维航迹规划改进连接型快速扩展随机树算法[J].航空工程进展. 2018,9(04)

3 备注
简介此部分摘自互联网，仅供参考，若侵权，联系删除

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传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化

7 信号处理方面
信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化

8 电力系统方面
微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置

9 元胞自动机方面
交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长

10 雷达方面
卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合