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专利号: 2017102426572
申请人: 淮安信息职业技术学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-11-06
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于强化学习蟑螂算法的机器人路径规划方法,其特征是方法包括如下步骤:步骤1:对工作空间建模,生成栅格地图,并完成栅格地图初始化,包括起点单元格S、终点单元格T和每个单元格初始信息素浓度;对工作空间建模,具体包括:通过密度为X×Y的栅格对真实工作空间进行建模,生成栅格地图,完成栅格地图的初始化;栅格地图中的所有单元格cθ构成集合Map,Map={cθ|θ=1,2,…,X×Y};将栅格地图置于直角坐标系中,每个单元格cθ的空间位置由其左下角的坐标(x,y)唯一标记,这里x=1…X,y=1…Y;在栅格地图中,可行单元格标记为“1”,障碍物单元格标记为“0”;在栅格地图中标记出起点单元格S和终点单元格T;为每个单元格设置相同的初始信息素浓度,初始信息素浓度计算方法为:phθ=1/(X×Y),θ=1,2,…,X×Y;

步骤2:基于步骤1所建的栅格地图完成初始搜索,在栅格地图中的起点S生成一个规模为W的蟑螂种群,综合运用随机搜索与贪婪搜索,完成算法的初始搜索过程,并产生Q条可行路径;蟑螂群的初始搜索过程,具体包括:种群中第i只蟑螂个体被记为roachi,i=1,2…W,这里W为蟑螂群规模;roachi每一步向前行进一个单元格,在第t步时,也即行进了t个单元格,所行进的路径被记为有序集合Pi={pi1,pi2,…,pit};pit表示第i只蟑螂第t步所在的单元格;蟑螂下一步行进的单元格pit+1的计算方法为:where:

j=1,2...M;i=1,2...W

其中,Fit表示roachi在t步时的可行域集合,Fit由roachi当前位置单元格pit相邻的九个单元格中的可行单元格fj构成,但不包含单元格pit-1;集合Fit表示为:Fit={fj|j=1…M,M≤8,fj≠pit-1}

r0是一个随机产生的阈值,且r0~U(0,1),蟑螂个体每行进一步r0都被从新计算;

Min{cθ|cθ∈Fit}属于贪婪搜索,表示pit+1将选择可行域集合Fit中距离起点位置T欧式距离最短的单元格;

Rand(cθ|cθ∈Fit)表示pit+1将随机选择可行域集合Fit中的一个单元格;

当Fit中包含终点单元格T则一条可行路径被发现;

当整个种群寻找到Q条可行路径时,算法初始搜索完成;

步骤3:根据步骤2所产生的Q条可行路,更新栅格地图中的信息素浓度;信息素浓度更新,具体包括:根据生成的Q条可行路径,更新栅格地图中单元格的信息素浓度;单元格的信息素浓度由经过该单元格的最短路径长度计算得出;假设经过单元格cθ的最短路径长度为ω,那么,cθ的信息素浓度phθ的更新方法为:步骤4:蟑螂个体通过强化学习策略,完成路径搜索;蟑螂个体记录其搜索到的当前最优的个体路径,根据最优个体路径动态实时更新栅格地图信息素浓度;通过个体最优路径实时更新种群最优路径;种群搜索过程中,引入淘汰机制,对于一定步数内仍未发现可行路径的蟑螂,其本次搜索行为将被终止,该蟑螂从起点从新搜索;使用强化学习策略完成最优路径搜索,具体包括:整个种群发现的当前种群最优路径被记录为Pbest,roachi发现的当前个体最优路径被记录为Pathi;Pbest的计算方法为:Pbest=Opt{Pathi|i=1…W}

初始搜索的步骤2和信息素更新的步骤3完成后,整个种群通过强化学习策略完成最优路径搜索,蟑螂个体roachi的t+1步行进策略如下式所示:where:

j=1,2M...M;i=1,2...W

其中r1~U(0,1),Rein{cθ|cθ∈Fit}表示通过强化学习策略得到一个单元格作为pi’t+1;

具体计算过程为:按信息素浓度由低到高依次对Fit中的M个单元格设置权重,其中信息素浓度最低的权重设置为:δ1=10,第二低的权值为:δ2=20,余下的值通过斐波那契数列计算得出,排序为n的单元格权重δn=δn-1+δn-2;

根据单元格权重,计算其各自的权重空间,s1=10,排序为n的单元格的权重空间为sn=δn–δn-1;

按权重排序,最后一个单元格的权重为δM,在1到δM之间取一个随机整数r2=rand(1,δM);如果r2∈sn,则sn单元格被选择作为下一步行进的单元格;

roachi从起点S到终点T的爬行过程中,如果Pi中的单元格数量大于Pathi中单元格的数量,则引入淘汰机制,roachi的当前搜索被终止,返回起点S从新爬行搜索;

roachi从起点S到终点T爬行完毕后,此时Pi中的单元格数量应小于或等于Pathi中单元格的数量,意味着一条可行路径Pi被发现;如果Pi优于roachi的个体最优路径Pathi,则Pathi被更新,过程如下:Pathi=Opt{Pi,Pathi}

当Pathi被更新,则比较Pathi和Pbest,完成Pbest更新,过程如下:Pbest=Opt{Pbest,Pathi}

当Pathi被更新,则Pathi路径上的所有单元格信息素浓度需完成动态更新,假设Pathi更新后的路径长度为τ,更新公式为:where

θ=1,2,...,X×Y

在算法执行过程中,整个Map信息素被动态实时更新;

步骤5:输出种群最优路径作为机器人的最终行进路径。