專利名稱：一種考慮目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)效性的多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種考慮搜索機(jī)器人目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)效性的多目標(biāo)路徑規(guī)劃裝置和方法，尤其涉及一種考慮目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)效性和路徑消耗的多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
和完全自主的搜索機(jī)器人相比，有操作者監(jiān)督的自主機(jī)器人在一些搜索場(chǎng)景下可以發(fā)揮更好的表現(xiàn)。采用適當(dāng)而有效的操作者交互框架，搜索機(jī)器人可以得到有用的高層協(xié)助，如任務(wù)級(jí)的目標(biāo)點(diǎn)選擇和重要的任務(wù)執(zhí)行確認(rèn)等。在有監(jiān)督的機(jī)器人的環(huán)境探索和救援任務(wù)中，經(jīng)常需要考慮任務(wù)的多目標(biāo)優(yōu)化。在這些任務(wù)中，除了總路徑消耗的優(yōu)化目標(biāo)之外，交通環(huán)境，訪問順序，資源的利用率等也需要考慮在內(nèi)。許多用于解決該問題的方法曾被提出。這些方法可以歸納為求解多目標(biāo)優(yōu)化的MOTSP (multiple objectivestraveling salesman problem)問題。MOTSP問題基于傳統(tǒng)的TSP問題，在其基礎(chǔ)上考慮具有多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化問題。其中傳統(tǒng)的TSP問題可以歸納為:已知η個(gè)節(jié)點(diǎn)V=Iv1, V2,...vj以及任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離d(Vi，Vj)，求一條經(jīng)過且只經(jīng)過V中所有節(jié)
點(diǎn)一次的閉合n (V= Iv1, V2，...V1J )，使得總行程
權(quán)利要求
1.一種考慮搜索機(jī)器人節(jié)點(diǎn)時(shí)效性的多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃裝置，所述路徑規(guī)劃裝置包括地圖加載模塊(400)、目標(biāo)點(diǎn)選擇模塊(401)、目標(biāo)點(diǎn)權(quán)重設(shè)置模塊(402)、狀態(tài)顯示模塊(403),操作者監(jiān)督模塊(404 )、節(jié)點(diǎn)時(shí)效性計(jì)算模塊(405 )、節(jié)點(diǎn)間消耗值數(shù)據(jù)庫(kù)(406 )、路線規(guī)劃模塊(407)和路徑生成模塊(408)，其中所述目標(biāo)點(diǎn)選擇模塊、所述目標(biāo)點(diǎn)權(quán)重設(shè)置模塊、所述狀態(tài)顯示模塊和所述操作者監(jiān)督模塊位于操作者界面模塊410內(nèi)； 其特征在于: 所述地圖加載模塊，加載機(jī)器人執(zhí)行搜索任務(wù)的簡(jiǎn)易地圖，為機(jī)器人提供搜索區(qū)域的障礙物信息和可行區(qū)域信息，為狀態(tài)顯示模塊提供全局地圖數(shù)據(jù)； 所述目標(biāo)點(diǎn)選擇模塊，讀取操作者選擇的目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，為多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)定節(jié)占號(hào).所述目標(biāo)點(diǎn)權(quán)重設(shè)置模塊，讀取操作者設(shè)定的不同節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值，并根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)選擇模塊提供的節(jié)點(diǎn)號(hào)存儲(chǔ)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值； 所述狀態(tài)顯示模塊，在交互界面上顯示搜索任務(wù)的全局地圖，當(dāng)前機(jī)器人的位置信息、路線規(guī)劃結(jié)果、路徑生成結(jié)果以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)效值； 所述操作者監(jiān)督模塊，根據(jù)當(dāng)前的機(jī)器人狀態(tài)，執(zhí)行對(duì)機(jī)器人的初始化連接和遙控操作； 所述節(jié)點(diǎn)時(shí)效性計(jì)算模塊，計(jì)算每個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)效性值，該模塊同時(shí)接收系統(tǒng)初始化時(shí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)效性 值和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)效性衰減速率； 所述節(jié)點(diǎn)間消耗值數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，存儲(chǔ)目標(biāo)點(diǎn)間的路徑消耗和時(shí)間消耗值； 所述路線規(guī)劃模塊，求解滿足多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的路線序列； 所述路徑生成模塊，在路線規(guī)劃模塊規(guī)劃出可執(zhí)行的路線序列后，該模塊規(guī)劃并生成路線序列中相鄰兩點(diǎn)之間的路徑。
2.一種考慮搜索機(jī)器人目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)效性的多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟: 加載機(jī)器人需要搜索的空間的簡(jiǎn)易地圖； 選擇目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和權(quán)重； 進(jìn)行考慮路徑消耗和節(jié)點(diǎn)時(shí)效性兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的路線規(guī)劃； 如果生成可執(zhí)行的路線規(guī)劃序列,進(jìn)行生成的路線序列中相鄰節(jié) 點(diǎn)間的路徑生成； 如果所生成的路徑存在，返回最優(yōu)解。
3.如權(quán)利要求2所述的多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其中所述進(jìn)行考慮路徑消耗和節(jié)點(diǎn)時(shí)效性兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的路線規(guī)劃進(jìn)一步包括: Ca)讀取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置和權(quán)重； (b)判斷步驟(a)中的權(quán)重是否為默認(rèn)值，若是，轉(zhuǎn)入步驟(i)，若不是，轉(zhuǎn)入步驟(c)； (C)讀取節(jié)點(diǎn)的時(shí)效值和衰減系數(shù)； Cd)在讀取的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中，隨機(jī)選取目標(biāo)點(diǎn)對(duì)(i，j); (e)計(jì)算時(shí)間消耗估計(jì)函數(shù)的值； Cf)基于改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行路線規(guī)劃； (g)判斷是否存在路線規(guī)劃的解，若存在，轉(zhuǎn)入步驟(h)，若不存在，轉(zhuǎn)入步驟(k); (h)返回路線規(guī)劃的最優(yōu)解；(i)采用傳統(tǒng)的旅行商問題算法(TSP)生成路線； (j)判斷該路線規(guī)劃是否存在解，若是，轉(zhuǎn)入步驟(h)，若不存在，轉(zhuǎn)入步驟(k); (k)返回不存在解時(shí)的錯(cuò)誤代碼。
4.如權(quán)利要求3所述的多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其中所述基于改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行路線規(guī)劃進(jìn)一步包括: Cf.1)染色體編碼，將步驟(a)中讀取的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，每條染色體代表一個(gè)經(jīng)過這些目標(biāo)點(diǎn)并滿足傳統(tǒng)的旅行商(TSP)問題約束的路線序列的解，其中染色體編碼格式為: χ = Rand{I, 2,…，η} 其中χ代表染色體，由(a)中讀取的η個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的序號(hào)產(chǎn)生的隨機(jī)序列組成； Cf.2)產(chǎn)生種群個(gè)數(shù)為N的隨機(jī)初始化的初始種群，其中種群中的N個(gè)染色體均由Cf.0隨機(jī)初始化得到； Cf.3)初始化繁殖代數(shù)，將i置為I ; Cf.4)使用適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度fm ； (f.5)進(jìn)行個(gè)體的選擇，根據(jù)步驟(f.4)中得到的每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，從種群中篩選符合要求的個(gè)體； Cf.6)進(jìn)行個(gè)體間的雜交，其中雜交表示通過改變?nèi)旧w中部分節(jié)點(diǎn)序號(hào)的排序，進(jìn)而獲得新的個(gè)體； Cf.7)進(jìn)行變異操作，即在本過程中通過隨機(jī)選取染色體中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行交換來實(shí)現(xiàn)染色體的變異； Cf.8)判斷遺傳代數(shù)是否大于給定的最大允許代數(shù)I，若是，則轉(zhuǎn)入步驟(f.9)，若不是，則轉(zhuǎn)入步驟(f.10)； Cf.9)輸出最優(yōu)個(gè)體，即輸出規(guī)劃出的最優(yōu)的路線序列的解； Cf.10)遺傳代數(shù)增加1，同時(shí)轉(zhuǎn)入步驟(f.4)； 其中(f.4)中用到的適應(yīng)度函數(shù)具體表示為:
5.如權(quán)利要求4所述的多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其中所述ε的值由以下時(shí)效性方程確定:C (t) = C0-V0 β t 其中Ctl是初始的節(jié)點(diǎn)時(shí)效值，Vtl是默認(rèn)的衰減速率，β是衰減速率影響因子，代表時(shí)效性衰減速率的變化情況，令β = ε將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)效性和節(jié)點(diǎn)的權(quán)重聯(lián)系起來。
6.如權(quán)利要求4所述的多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法，其中為了使步驟(f.4)中的適應(yīng)度函數(shù)更加適用于在不知道兩個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間確定的時(shí)間消耗值的情況下進(jìn)行時(shí)效性規(guī)劃，采用以下時(shí)間消耗估計(jì)函數(shù)用于計(jì)算兩個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間消耗:
全文摘要
一種考慮搜索機(jī)器人目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)效性的多目標(biāo)路徑規(guī)劃裝置和方法，通過包含路線規(guī)劃和路徑生成在內(nèi)的兩階段解耦，使用多目標(biāo)遺傳算法來實(shí)現(xiàn)考慮路徑消耗和節(jié)點(diǎn)時(shí)效性兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的路線規(guī)劃，從而有助于提高有操作者監(jiān)督的移動(dòng)機(jī)器人的搜索性能，特別是在路徑搜索需要考慮節(jié)點(diǎn)時(shí)效性問題時(shí)可以獲得更好的搜索表現(xiàn)。
文檔編號(hào)G06N3/12GK103198366SQ20131012159
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者熊光明, 劉鵬, 龔建偉, 姜巖, 陳慧巖 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)