基于改進(jìn)人工蜂群算法的滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃研究

王艷春，夏穎，房漢雄，李相敏，喬志博

基于改進(jìn)人工蜂群算法的滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃研究

王艷春，夏穎，房漢雄，李相敏，喬志博

（齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

針對(duì)傳統(tǒng)人工蜂群算法在求解機(jī)器人路徑規(guī)劃問題時(shí)存在的精度低、收斂速度慢等問題，提出了改進(jìn)的人工蜂群優(yōu)化算法解決滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃問題．改進(jìn)的算法通過完善適應(yīng)度評(píng)價(jià)機(jī)制和迭代更新參數(shù)提高算法適應(yīng)力．仿真結(jié)果表明，該算法可以有效平滑路徑，降低滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃時(shí)間，提高其路徑規(guī)劃效率．

路徑規(guī)劃；人工蜂群算法；滅火機(jī)器人

機(jī)器人路徑規(guī)劃是智能移動(dòng)機(jī)器人研究的核心內(nèi)容之一[1]．滅火機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一種，主要用于協(xié)助消防員進(jìn)行復(fù)雜、高危火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和滅火救援，以提高滅火的精度和效率．滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃使機(jī)器人能夠繞開障礙物，為機(jī)器人提供出一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的安全防碰、高效的運(yùn)動(dòng)路徑，代替消防員在危險(xiǎn)火災(zāi)環(huán)境下高效完成救援任務(wù)．常用的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法主要有人工勢(shì)場(chǎng)法、可視圖法、柵格法、拓?fù)浞ㄒ约跋伻核惴ā⑦z傳算法、粒子群算法、人工蜂群算法等群智能算法[2]．

人工蜂群算法（Artificial Bee Colony，ABC）作為一種群智能算法，具有收斂速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，也存在進(jìn)化速度慢、容易陷入局部最優(yōu)等不足[3]．為了克服這些缺點(diǎn)，研究人員根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)人工蜂群算法進(jìn)行了相應(yīng)的研究．目前，多數(shù)學(xué)者主要集中于對(duì)人工蜂群算法的性能改進(jìn)，而將該算法應(yīng)用于滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究尚不多見[4]．因此，本文以蜜源花香濃度為啟發(fā)信息，采用并行機(jī)制選擇策略，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)讓蜜蜂在路徑規(guī)劃過程中更傾向于朝著目標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了將改進(jìn)人工蜂群算法用于滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性和有效性．

1 傳統(tǒng)人工蜂群算法

1.1 傳統(tǒng)人工蜂群算法基本思想

人工蜂群算法通過模擬蜜蜂采蜜的過程，實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)的目的．該算法由引領(lǐng)蜂、非引領(lǐng)蜂和蜜源3個(gè)要素組成[5]，其中非引領(lǐng)蜂有跟隨蜂和偵察蜂2種．算法基本思想為：

（1）每個(gè)引領(lǐng)蜂選取一處蜜源；

（2）引領(lǐng)蜂對(duì)當(dāng)前蜜源進(jìn)行鄰近搜索，發(fā)現(xiàn)新蜜源，記錄蜜源位置、蜜量等信息；

（3）引領(lǐng)蜂搜索完成后以搖擺舞的形式將蜜源信息傳遞給蜂巢里的跟隨蜂，跟隨蜂根據(jù)引領(lǐng)蜂傳遞的蜜源信息，選擇一個(gè)蜜源進(jìn)行鄰域搜索；

（4）當(dāng)引領(lǐng)蜂在蜜源處進(jìn)行鄰域搜索達(dá)到一定的次數(shù)還沒有找到新的蜜源，該蜜源將被放棄，引領(lǐng)蜂轉(zhuǎn)變?yōu)閭刹榉?，隨機(jī)尋找新的蜜源．重復(fù)上述過程，直到滿足要求為止．

在求解優(yōu)化問題時(shí)，每個(gè)蜜源位置代表擬求解優(yōu)化問題的一個(gè)可行解，其它具體參量信息對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1．

表1 人工蜂群算法與優(yōu)化問題具體參量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 傳統(tǒng)人工蜂群算法實(shí)現(xiàn)步驟

人工蜂群算法按照以下步驟尋優(yōu)[6]：

2 改進(jìn)的人工蜂群算法

滅火機(jī)器人工作環(huán)境為復(fù)雜的障礙物環(huán)境，由于環(huán)境中存在大量連續(xù)障礙物和障礙物陷阱，機(jī)器人難以找到最優(yōu)路徑，甚至導(dǎo)致路徑規(guī)劃失?。畟鹘y(tǒng)人工蜂群算法的基礎(chǔ)上，對(duì)適應(yīng)度評(píng)價(jià)策略選擇及迭代更新方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)的滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃方法．

2.1 改進(jìn)算法的基本思想

改進(jìn)的人工蜂群算法基本思想：傳統(tǒng)人工蜂群算法適應(yīng)度評(píng)價(jià)采取輪盤賭選擇機(jī)制，改進(jìn)算法中新蜜源適應(yīng)度評(píng)價(jià)將輪盤賭機(jī)制和輪盤賭反向機(jī)制[7]相結(jié)合，采用并行選擇策略提高適應(yīng)度；改進(jìn)算法進(jìn)行迭代更新過程中以花香濃度[8]為啟發(fā)信息，蜜蜂可以按照花香濃度大小來搜素蜜源，這樣蜜蜂尋找優(yōu)良蜜源的概率變大，效率得以提高．

2.2 改進(jìn)人工蜂群算法實(shí)現(xiàn)步驟

2.2.2 鄰域搜索 引領(lǐng)蜂對(duì)所有的蜜源進(jìn)行鄰域搜索，按式（2）產(chǎn)生新蜜源．

3 基于改進(jìn)人工蜂群算法的路徑規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)

所選參數(shù)設(shè)置為：最大迭代次數(shù)MCN＝300，蜜蜂種群數(shù)N=20，則引領(lǐng)蜂和偵查蜂數(shù)量Ns=10，Ne=10，向量空間維數(shù)D=10，尋優(yōu)停滯閾值limit＝6．傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法路徑規(guī)劃仿真結(jié)果見圖1．

從圖1a可以看出，路徑經(jīng)過很多彎曲折線才到達(dá)最終的目的地；從圖1b可以看出，在同樣的仿真條件下改進(jìn)后的機(jī)器人路徑規(guī)劃明顯要優(yōu)于改進(jìn)前的路徑規(guī)劃．

圖1 2020優(yōu)化前后路徑對(duì)比

4 結(jié)語

本文對(duì)人工蜂群算法進(jìn)行一定的改進(jìn)，將蜜源花香濃度引入到人工蜂群算法中，采用并行選擇策略使滅火機(jī)器人進(jìn)行規(guī)劃路徑時(shí)更傾向于朝著目標(biāo)的方向運(yùn)動(dòng)，隨著迭代次數(shù)的增多，減小搜索區(qū)間，優(yōu)化局部值．通過實(shí)驗(yàn)證明，相比于傳統(tǒng)人工蜂群算法，改進(jìn)后的人工蜂群算法收斂更快，規(guī)劃出的路徑也更加平滑．

[1] 吳方圓．基于改進(jìn)蜂群算法的工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J]．電子測(cè)量技術(shù)，2019（7）：13-17

[2] 王艷春，馬馳，趙鑫，等．滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J]．信息通信，2018（1）：144-145

[3] Wu Bin，Qian Cunhua，Ni Weihong，et al．Hybrid harmony search and artificial bee colony algorithm for global optimization problems[J]．Computers & Mathematics with Applications，2012，64（8）：2621-2634

[4] Kong X，Liu S，Wang Z，et al．Hybrid artificial bee colony algorithm for global numerical optimization[J]．Journal of Compu-tational Information Systems，2012，8（6）：2367-2374

[5] Zhu G，Kwong S．Gbest-guided artificial bee colony algorithm for numerical function optimization[J]．Applied Mathematics and Computation，2010，217（7）：3166-3173

[6] 周國(guó)春，肖本賢．基于人工蜂群算法的機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J]．自動(dòng)化與儀表，2018，33（5）：48-52

[7] 倪郁東，李媛媛，沈吟東，等．基于改進(jìn)人工蜂群算法的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，42（11）：1570-1575

[8] 劉東林，陳銀銀．基于花香濃度的人工蜂群算法在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用[J]．華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016， 32（3）：375-381

Research on path planning of fire extinguishing robot based on improved artificial bee colony algorithm

WANG Yanchun，XIA Ying，F(xiàn)ANG Hanxiong，LI Xiangmin，QIAO Zhibo

（School of Communication and Electronic Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Aiming at the problems of low accuracy and slow convergence speed in the traditional artificial bee colony algorithm when solving the robot path planning problem，an improved artificial bee colony optimization algorithm is proposed to solve the path planning of the fire extinguishing robot．The algorithm improves the algorithm's adaptability by improving the fitness evaluation mechanism and iteratively updating parameters．Simulation results show that the algorithm can effectively smooth the path，effectively reduce the path planning time of the fire extinguishing robot，and improve its path planning efficiency．

path planning；artificial bee colony algorithm；fire extinguishing robot

TP242.6

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.10.006

1007-9831（2020）10-0023-04

2020-07-18

黑龍江省教育廳基本業(yè)務(wù)專項(xiàng)齊齊哈爾大學(xué)科研項(xiàng)目（135209237）；黑龍江省科學(xué)基金項(xiàng)目（QC2018045）

王艷春（1972-），女，黑龍江齊齊哈爾人，教授，從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人控制研究．E-mail：459671802@qq.com