无人机三维路径规划：成长优化算法（Growth Optimizer，GO）提供MATLAB代码

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一、无人机模型

无人机三维路径规划是无人机在执行任务过程中的非常关键的环节，无人机三维路径规划的主要目的是在满足任务需求和自主飞行约束的基础上，计算出发点和目标点之间的最佳航路。

1.1路径成本

无人机三维路径规划的首要目标是寻找起飞点和目标点之间最短路程的飞行路径方案。一般地，记无人机的飞行路径点为 W i j = ( x i j , y i j , z i j ) W_{i j}=left(x_{i j}, y_{i j}, z_{i j}right) Wij=(xij,yij,zij)即在第 i i i 条飞行路径中第 j j j个路径点的无人机三维空间位置，则整条飞行路径 X i X_{i} Xi 可表示为包含 n n n 个路径点的三维数组。将 2 个路径点之间的欧氏距离记作路径段 ∥ W i j W i , j + 1 → ∥ left|overrightarrow{W_{i j} W_{i, j+1}}right| WijWi,j+1 ，则与无人机飞行路径成本函数 F 1 F_{1} F1 为:
F 1 ( X i ) = ∑ j = 1 n − 1 ∥ W i j W i , j + 1 → ∥ F_{1}left(X_{i}right)=sum_{j=1}^{n-1}left|overrightarrow{W_{i j} W_{i, j+1}}right| F1(Xi)=j=1∑n−1 WijWi,j+1

1.2威胁成本

无人机通过躲避障碍物来确保安全作业航迹。设定障碍物威胁区为圆柱体形式，其投影如下图所示，记圆柱体中心坐标为 C k C_{k} Ck，半径为 R k R_{k} Rk，外围为碰撞威胁区 D D D，则无人机的避障威胁成本与其路径段 ∥ W i j W i , j + 1 → ∥ left|overrightarrow{W_{i j} W_{i, j+1}}right| WijWi,j+1 和障碍物中心 C k C_{k} Ck的距离 d k d_{k} dk 成反比。

将飞行环境下的障碍物威胁区集合记作 K K K，障碍物威胁成本惩罚系数记作 γ c γ_{c} γc ，则与无人机避障威胁相关的成本函数 F 2 F_{2} F2为:
F 2 ( X i ) = ∑ j = 1 n − 1 ∑ k = 1 K T k ( W i j W i , j + 1 → ) F_{2}left(X_{i}right)=sum_{j=1}^{n-1} sum_{k=1}^{K} T_{k}left(overrightarrow{W_{i j} W_{i, j+1}}right) F2(Xi)=j=1∑n−1k=1∑KTk(WijWi,j+1 )
其中：
T k ( W i j W i , j + 1 → ) = { 0 ( d k > D + R k ) γ c ( ( D + R k ) − d k ) ( R k < d k < D + R k ) ∞ ( d k < R k ) T_{k}left(overrightarrow{W_{i j} W_{i, j+1}}right)=left{begin{array}{ll} 0 & left(d_{k}>D+R_{k}right) \ gamma_{c}left(left(D+R_{k}right)-d_{k}right) & left(R_{k}<d_{k}<D+R_{k}right) \ infty & left(d_{k}<R_{k}right) end{array}right. Tk(WijWi,j+1 )=⎩ ⎨ ⎧0γc((D+Rk)−dk)∞(dk>D+Rk)(Rk<dk<D+Rk)(dk<Rk)

1.3飞行高度成本

无人机的飞行高度通常受到最小高度 h m i n h_{min} hmin 和最大高度 h m a x h_{max} hmax 的约束限制，如下图所示，其中 T i j T_{ij} Tij 为地形的高度， Z i j Z_{ij} Zij为无人机相对于海平面的高度。

将无人机在路径点 W i j W_{ij} Wij处距离基准地形地面的高度记作 h i j h_{ij} hij，即 Z i j Z_{ij} Zij和 T i j T_{ij} Tij 的差，则与无人机当前路径点 W i j W_{ij} Wij相关的成本函数 H i j H_{ij} Hij 为:
H i j = { γ h ( h i j − h max ⁡ ) ( h i j > h max ⁡ ) 0 ( h min ⁡ < h i j < h max ⁡ ) γ h ( h min ⁡ − h i j ) ( 0 < h i j < h min ⁡ ) ∞ ( h i j < 0 ) H_{i j}=left{begin{array}{ll} gamma_{h}left(h_{i j}-h_{max }right) & left(h_{i j}>h_{max }right) \ 0 & left(h_{min }<h_{i j}<h_{max }right) \ gamma_{h}left(h_{min }-h_{i j}right) & left(0<h_{i j}<h_{min }right) \ infty & left(h_{i j}<0right) end{array}right. Hij=⎩ ⎨ ⎧γh(hij−hmax)0γh(hmin−hij)∞(hij>hmax)(hmin<hij<hmax)(0<hij<hmin)(hij<0)
同时，将无人机飞行高度超出约束限制条件的惩罚系数记作 γ h γ_{h} γh，则与无人机飞行路径相关的成本函数 F 3 F_{3} F3为:
F 3 ( X i ) = ∑ j = 1 n H i j F_{3}left(X_{i}right)=sum_{j=1}^{n} H_{i j} F3(Xi)=j=1∑nHij

1.4飞行转角成本

无人机的飞行转角控制参数主要包括水平转弯角和竖直俯仰角，这 2 个参数变量必须符合无人机的实际转角约束限制，否则航迹规划模型无法生成具有可行性的飞行路径。如下图所示， ∥ W i j W i , j + 1 → ∥ left|overrightarrow{W_{i j} W_{i, j+1}}right| WijWi,j+1 和 ∥ W i j + 1 W i , j + 2 → ∥ left|overrightarrow{W_{i j+1} W_{i, j+2}}right| Wij+1Wi,j+2 表示无人机飞行路径中的 2 个连续路径段， W i j ′ W i , j + 1 ′ → overrightarrow{W_{i j}^{prime} W_{i, j+1}^{prime}} Wij′Wi,j+1′ 和 W i j + 1 ′ W i , j + 2 ′ → overrightarrow{W_{i j+1}^{prime} W_{i, j+2}^{prime}} Wij+1′Wi,j+2′ 是其在xoy 平面的投影。

记𝒌为轴正方向的单位向量，则 W i j + 1 ′ W i , j + 2 ′ → overrightarrow{W_{i j+1}^{prime} W_{i, j+2}^{prime}} Wij+1′Wi,j+2′ 的计算式和水平转弯角 α i j α_{ij} αij、竖直俯仰角 β i , j + 1 β_{i,j+1} βi,j+1 计算式为：
W i j ′ W i , j + 1 ′ → = k × ( W i j W i , j + 1 → × k ) α i j = arctan ⁡ ( W i j ′ W i , j + 1 ′ → × W i , j + 1 ′ W i , j + 2 ′ ‾ W i j ′ W i , j + 1 ′ → ⋅ W i , j + 1 ′ W i , j + 2 ′ ‾ ) β i j = arctan ⁡ ( z i , j + 1 − z i j ∥ W i j ′ W i , j + 1 ′ → ∥ ) begin{array}{c} overrightarrow{W_{i j}^{prime} W_{i, j+1}^{prime}}=boldsymbol{k} timesleft(overrightarrow{W_{i j} W_{i, j+1}} times boldsymbol{k}right) \ alpha_{i j}=arctan left(frac{overrightarrow{W_{i j}^{prime} W_{i, j+1}^{prime}} times overline{W_{i, j+1}^{prime} W_{i, j+2}^{prime}}}{overrightarrow{W_{i j}^{prime} W_{i, j+1}^{prime}} cdot overline{W_{i, j+1}^{prime} W_{i, j+2}^{prime}}}right) \ beta_{i j}=arctan left(frac{z_{i, j+1}-z_{i j}}{left|overrightarrow{W_{i j}^{prime} W_{i, j+1}^{prime}}right|}right) end{array} Wij′Wi,j+1′ =k×(WijWi,j+1 ×k)αij=arctan(Wij′Wi,j+1′ ⋅Wi,j+1′Wi,j+2′Wij′Wi,j+1′ ×Wi,j+1′Wi,j+2′)βij=arctan Wij′Wi,j+1′ zi,j+1−zij
同时，将无人机的水平转弯角和竖直俯仰角超出约束限制条件的惩罚系数分别记作 a 1 a_{1} a1和 a 2 a_{2} a2，则与无人机飞行转角相关的成本函数 F 4 F_{4} F4 为:
F 4 ( X i ) = a 1 ∑ j = 1 n − 2 α i j + a 2 ∑ j = 1 n − 1 ∣ β i j − β i , j − 1 ∣ F_{4}left(X_{i}right)=a_{1} sum_{j=1}^{n-2} alpha_{i j}+a_{2} sum_{j=1}^{n-1}left|beta_{i j}-beta_{i, j-1}right| F4(Xi)=a1j=1∑n−2αij+a2j=1∑n−1∣βij−βi,j−1∣

1.5无人机三维路径规划的飞行总成本函数

综合考虑与无人机飞行路径 X i X_{i} Xi 相关的最短路径成本、最小威胁成本，以及飞行高度成本和飞行转角成本等限制，基于多因素约束的飞行总成本函数 F F F 为:
F ( X i ) = ∑ k = 1 4 b k F k ( X i ) Fleft(X_{i}right)=sum_{k=1}^{4} b_{k} F_{k}left(X_{i}right) F(Xi)=k=1∑4bkFk(Xi)
式中 b k b_{k} bk为各因素的权重系数。
参考文献：
[1]吕石磊,范仁杰,李震,陈嘉鸿,谢家兴.基于改进蝙蝠算法和圆柱坐标系的农业无人机航迹规划[J].农业机械学报:1-19

[2]褚宏悦,易军凯.无人机安全路径规划的混沌粒子群优化研究[J].控制工程:1-8

[3]MD Phung, Ha Q P . Safety-enhanced UAV Path Planning with Spherical Vector-based Particle Swarm Optimization: 2021.

[4]陈明强,李奇峰,冯树娟等.基于改进粒子群算法的无人机三维航迹规划[J].无线电工程,2023,53(02):394-400.

[5]徐建新,孙纬,马超.基于改进粒子群算法的无人机三维路径规划[J].电光与控制:1-10

[6]骆文冠,于小兵.基于强化学习布谷鸟搜索算法的应急无人机路径规划[J].灾害学:1-10

二、成长优化算法GO

成长优化算法（Growth Optimizer，GO）由Qingke Zhang等人于2023年提出，该算法的设计灵感来源于个人在成长过程中的学习和反思机制。学习是个人通过从外部世界获取知识而成长的过程，反思是检查个体自身不足，调整个体学习策略，帮助个体成长的过程。

参考文献：

Qingke Zhang, Hao Gao, Zhi-Hui Zhan, Junqing Li, Huaxiang Zhang,Growth Optimizer: A powerful metaheuristic algorithm for solving continuous and discrete global optimization problems,Knowledge-Based Systems,261,2023

三、成长优化算法GO求解无人机路径规划

close all
clear
clc
dbstop if all error
global model
model = CreateModel(); % 创建模型
F='F1';
[Xmin,Xmax,dim,fobj] = fun_info(F);%获取函数信息
pop=100;%种群大小(可以自己修改)
maxgen=300;%最大迭代次数(可以自己修改)
[bestX5,fMin5,ConvergenceCurve5] = GO(pop, maxgen,Xmin,Xmax,dim,fobj);
cost=MyCost(bestX5,2);%'路径成本','威胁成本','高度成本','转角成本'
%% 保存各算法的目标函数值及收敛曲线
save fMin5 fMin5
save ConvergenceCurve5 ConvergenceCurve5
save cost cost
%% 计算航迹坐标
BestPosition5 = SphericalToCart(bestX5);

部分结果