基于改進(jìn)魚群算法的牧場巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃研究

摘要：針對傳統(tǒng)人工魚群算法（AFSA）在牧場巡檢路徑規(guī)劃的過程中易陷入局部最優(yōu)解、規(guī)劃的最優(yōu)路徑較長等問題，提出一種改進(jìn)人工魚群算法融合遺傳算法（GA）得到的遺傳魚群算法（GFSA）。GFSA在AFSA基礎(chǔ)上通過優(yōu)化視野和步長，加快算法在求解過程中的收斂速度和精度；通過設(shè)計(jì)分段式擁擠度因子、引入遺傳算法中的變異操作，避免算法在迭代過程中過早聚集在局部最優(yōu)解周圍。將GFSA搭載在牧場巡檢機(jī)器人上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在消融試驗(yàn)中，GFSA規(guī)劃的路徑長度均低于對比算法，其最優(yōu)路徑長度中位數(shù)為23.2 m；在多算法對比試驗(yàn)中，與對比算法相比，GFSA的路徑最短且轉(zhuǎn)彎幅度??；在不同障礙物率地圖的路徑規(guī)劃中，GFSA的最優(yōu)路徑長度初始值、增長斜率均小于對比算法，具有更好的魯棒性和適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：牧場；巡檢機(jī)器人；遺傳算法；人工魚群算法；路徑規(guī)劃

中圖分類號：S951 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0202?07

Research on path planning of pasture inspection robot based on

improved fish swarm algorithm

Gao Jinzhe1， Kou Zhiwei1， 2， Xu Hanqi1， Duan Kehe1， Ma Jiayin1

（1. College of Electric Power， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， 010051， China;

2. Inner Mongolia Key Laboratory of Electromechanical Control， Hohhot， 010051， China）

Abstract： Aiming at the problems that traditional Artificial Fish Swarm Algorithm （AFSA） is easily falling into the local optimal solution and the planned optimal path is too long in the process of pasture inspection path planning， an improved Artificial Fish Swarm Algorithm integrated with Genetic Algorithm （GA） is proposed to obtain a Genetic Fish Swarm Algorithm （GFSA）. On the basis of AFSA， GFSA accelerates the convergence speed and accuracy during the solving process by optimizing the vision and step length. Additionally， the algorithm avoids premature convergence around local optimal solution during iterations by designing a segmented crowding factor and incorporating mutation operations from Genetic Algorithm （GA）. Genetic Fish Swarm Algorithm （GFSA） was implemented on a pasture inspection robot for experimental validation. The results showed that in ablation experiments， the path lengths planned by GFSA were consistently shorter than those of the comparison algorithms， with a median optimal path length of 23.2 m. In multi?algorithm comparison experiments， GFSA achieved the shortest paths and smaller turning angles compared to the other algorithms. In path planning on maps with different obstacle rates， GFSA's initial value and growth slope of the optimal path length were both lower than those of the comparison algorithms， demonstrating better robustness and adaptability.

Keywords： ranch; inspection robots; Genetic Algorithm （GA）; Artificial Fish Swarm Algorithm（AFSA）; path planning

0 引言

目前在牧場管理上，人工巡檢的方式仍占據(jù)主導(dǎo)地位，效率低、耗時(shí)長，難以滿足快速、高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求[1]。采用機(jī)器人進(jìn)行牧場巡檢已經(jīng)成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)[2， 3]。但牧場巡檢機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題仍是一個(gè)尚待解決的難題。

目前較為廣泛采用的技術(shù)路線是使用智能優(yōu)化算法尋找路徑[4， 5]。但這類方法容易陷入局部最優(yōu)解，計(jì)算復(fù)雜度相對較高[6]。Tian等[7]設(shè)計(jì)出一種基于模糊自適應(yīng)遺傳算法的艦船避障路線規(guī)劃模型，測試結(jié)果顯示，該模型規(guī)劃出的路徑避障能力優(yōu)于傳統(tǒng)模型。Zhang等[8]設(shè)計(jì)了一種基于各向異性快速行進(jìn)算法的橋梁限制區(qū)內(nèi)自主船舶路徑規(guī)劃方法，測試結(jié)果顯示，在橋梁限制區(qū)內(nèi)，該算法所規(guī)劃的路徑較傳統(tǒng)方法更合理，且計(jì)算時(shí)間更短，為內(nèi)陸橋梁區(qū)域自主船舶路徑規(guī)劃提供了重要參考。Xue等[9]提出了一種基于準(zhǔn)反射的正弦余弦粒子群優(yōu)化算法，用于船舶路徑規(guī)劃以避免觸地，仿真測試結(jié)果顯示，該算法相較于經(jīng)典粒子群算法具有更快的收斂速率和更高的計(jì)算精度。Yan等[10]提出一種基于鯨魚優(yōu)化算法的立體路徑規(guī)劃方法，結(jié)果顯示，該算法在規(guī)劃效率、執(zhí)行時(shí)間、收斂速度和解決精度等方面表現(xiàn)出色，對水下立體空間路徑規(guī)劃任務(wù)具有顯著效果。Zhang等[11]提出了一種改進(jìn)的局部粒子群優(yōu)化算法，以解決移動機(jī)器人路徑規(guī)劃中局部最小值、過早收斂和低效率等問題，結(jié)果表明，該算法在路徑長度、運(yùn)行時(shí)間、路徑優(yōu)化性和穩(wěn)定性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，證明了其有效性、穩(wěn)健性和可行性。Zhao等[12]提出了一種改進(jìn)的人工魚群算法（Artificial Fish Swarm Algorithm，AFSA），引入方向操作符、概率權(quán)重因子、自適應(yīng)操作符和路徑平滑器來提高自主表面艦艇路徑規(guī)劃的效率和質(zhì)量，結(jié)果表明，該算法在效率和路徑質(zhì)量方面優(yōu)于其他算法，適用于實(shí)際應(yīng)用。Li等[13]提出了一種基于約束理論的并行AFSA，用于解決傳統(tǒng)AFSA在搜索最優(yōu)解時(shí)耗時(shí)長、容易陷入局部最優(yōu)的問題，結(jié)果表明，與串行AFSA相比，該算法能夠有效減少搜索時(shí)間，并提高復(fù)雜多模態(tài)函數(shù)優(yōu)化問題的搜索性能。

綜上所述，前人針對不同應(yīng)用場景設(shè)計(jì)了多種高效路徑規(guī)劃模型，以提升規(guī)劃路徑的避障能力、效率或路徑長度。本文針對牧場環(huán)境下路徑規(guī)劃的過程中易陷入局部最優(yōu)解、規(guī)劃的最優(yōu)路徑較長的問題，提出一種改進(jìn)人工魚群算法融合遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）得到的遺傳魚群算法（Genetic Fish Swarm Algorithm，GFSA），GFSA在AFSA基礎(chǔ)上通過優(yōu)化視野和步長、設(shè)計(jì)分段式擁擠度因子、引入遺傳算法中的變異操作，從而有效改善在牧場環(huán)境中路徑規(guī)劃過程中易陷入局部最優(yōu)解、規(guī)劃的最優(yōu)路徑較長的問題，從而提高牧場巡檢機(jī)器人的路徑規(guī)劃效果。

1 牧場巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)與原理

牧場巡檢機(jī)器人的軟件框架方面，使用GMapping（Grid?based FastSLAM Mapping）作為雷達(dá)數(shù)據(jù)建圖工具。但該工具只能用于二維雷達(dá)數(shù)據(jù)建圖，因此出現(xiàn)三維雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，使用ROS（Robot Operating System）的開源工具包Pointcloud_to_laserscan將數(shù)據(jù)形式降為二維。同時(shí)出于讓GMapping建圖更加準(zhǔn)確的目的，還需要對二維LaserScan數(shù)據(jù)開展運(yùn)動畸變矯正處理。設(shè)計(jì)出的牧場巡檢機(jī)器人軟件、硬件運(yùn)行框架示意圖如圖1所示。

巡檢機(jī)器人的運(yùn)動行為是由主控板控制的，而主控板通過與電腦端的無線連接，獲取電腦端的運(yùn)動指令。在電腦端輸出的移動指令通過本文設(shè)計(jì)的混合GA的改進(jìn)AFSA尋優(yōu)得到。而路徑規(guī)劃所需的核心數(shù)據(jù)為巡檢機(jī)器人激光雷達(dá)系統(tǒng)收集到的環(huán)境信息以及根據(jù)這些信息生成的抽象圖像信息。這種抽象的圖像信息保留了有關(guān)路徑規(guī)劃的關(guān)鍵信息，比如障礙物、可移動范圍等，同時(shí)去除了對于路徑規(guī)劃無用的冗雜信息。

2 ROS和GSFA融合的路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

在能夠處理路徑規(guī)劃問題的智能算法中，AFSA具備搜索速度快、尋優(yōu)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但易陷入局部最優(yōu)解[14]。GA擁有優(yōu)良的全局搜索能力，但也存在過于依賴初始種群的缺點(diǎn)[15]。嘗試將AFSA與GA結(jié)合起來，構(gòu)建牧場巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃智能模型。

2.1 融合遺傳算法的改進(jìn)人工魚群算法

本文中AFSA被用于優(yōu)化輸出GA的初始種群，這也是兩者結(jié)合的方式。分析AFSA算法中魚群的行為特點(diǎn)，并從中引出該算法需要改進(jìn)的方面。AFSA算法中魚群的行為分為覓食行為、聚群行為、追尾行為、隨機(jī)行為[16， 17]。覓食行為也即魚群自動聚集在食物密度最大區(qū)域的行為。

[Xti]為編號i的魚在t時(shí)刻的位置，Xj為魚群感知范圍內(nèi)的選擇狀態(tài)，Xj計(jì)算如式（1）所示。

[Xj=Xti+Vis?Rand] （1）

式中： Rand（）——生成隨機(jī)數(shù)，取值范圍為[[0，1）]；

[Vis]——魚能看到的視野。

令[Y=f（x）]代表當(dāng)前人工魚所處區(qū)域的食物濃度，Yi、Yj分別為人工魚當(dāng)前所處區(qū)域的食物濃度、Xj位置的食物濃度，則人工魚在水下覓食行為描述為：若Yi<Yj，魚類向Yj位置移動，計(jì)算如式（2）所示。

[Xt+1i=Xti+Xj-XtiXj-Xti?Step?Rand] （2）

式中： Step——魚的移動步長；

[Xt+1i]——編號i的魚在t+1時(shí)刻的位置。

如果Yi<Yj不成立，會隨機(jī)選擇一個(gè)狀態(tài)，并繼續(xù)狀態(tài)分析比較。多次對比后評定條件仍然不滿足，人工魚群將進(jìn)行隨機(jī)移動行為。

假設(shè)當(dāng)前視野中的人工魚數(shù)量為[nf]、中心位置為Xc、中心位置對應(yīng)食物濃度為Yc，擁擠度因子為δ。則群居行為可以描述為：當(dāng)中心點(diǎn)食物濃度高且魚較少，也即滿足[Yc/nf>δYi]，魚會向著視野中心移動，這時(shí)[Xt+1i]計(jì)算如式（3）所示。

[Xt+1i=Xti+Xc-XtiXc-Xti?Step?Rand] （3）

如果人工魚Xj位置的食物濃度最高，為Yj，且[Yc/nf>δYi]，人工魚開始追尾行為，這時(shí)[Xt+1i]按式（2）計(jì)算。魚群在隨機(jī)行為下，[Xt+1i]計(jì)算如式（4）所示。

[Xt+1i=Xti+Vis?Step] （4）

AFSA在多次迭代后，收斂速度會大幅度降低，容易陷入局部最優(yōu)解中，因此這里嘗試從多個(gè)方面改進(jìn)該算法。首先優(yōu)化AFSA的視野和步長，因?yàn)檫@兩個(gè)因素的選擇會影響魚的游動行為。傳統(tǒng)AFSA中視野和步長是固定的，導(dǎo)致算法迭代到后期尋優(yōu)性能會衰減[18]。將視野和步長改為可變形式。改進(jìn)后的視野計(jì)算如式（5）所示。

[Vis=α×Vis0+（1-α）Vismin] （5）

式中： [Vis0]——初始視野；

[Vismin]——最小視野；

α——中間變量。

[α=exp[-20（ddmax）5]] （6）

式中： d——當(dāng)前迭代次數(shù)；

[dmax]——最大迭代次數(shù)。

改進(jìn)后的步長計(jì)算如式（7）所示。

[Step=α?Step+0.3] （7）

式（7）組成結(jié)構(gòu)是通過多次調(diào)試得到的。按以上方法，算法訓(xùn)練的早期，步長和視野會更大，以保證算法搜索能力，訓(xùn)練后期則可以通過較小的視野與步長以提升求解精度。

在擁擠度因子方面，采用分段方式設(shè)計(jì)擁擠度，試驗(yàn)后得到的分段擁擠度d計(jì)算如式（8）所示。

[δ=δε>εdtanh（ε-1）nfε<εd] （8）

式中： δ——擁擠度因子；

ε——收斂誤差；

[εd]——收斂誤差閾值。

當(dāng)ε向0收斂時(shí)，[tanh（ε-1）]收斂于1，則δ數(shù)值也將收斂于1。這時(shí)擁擠度因子幾乎不會發(fā)揮作用，以便防止訓(xùn)練早期算法陷入局部解。訓(xùn)練后期，魚群密度則不會受到限制，以縮短算法訓(xùn)練時(shí)間，提升尋優(yōu)效率。

式（8）應(yīng)用雙曲正切函數(shù)[tanh（ ）]，計(jì)算如式（9）所示。

[tanh（w）=ew-e-we-w+ew] （9）

式中： w——輔助展示的變量符號。

AFSA迭代過程中，人工魚可能會聚集在極值點(diǎn)周圍，落入局部最優(yōu)解，因此再對算法中的變異策略進(jìn)行改進(jìn)，使用式（10）更新變異概率m。

[m=mmin×cdmax] （10）

式中： [mmin]——變異概率的初始值；

c——當(dāng)前公告牌未被更新次數(shù)。

再將改進(jìn)的AFSA與GA融合從而得到GFSA兩者結(jié)合后的計(jì)算流程見圖2。

2.2 GFSA搭載ROS的路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃工作離不開地圖搭建，考慮到試驗(yàn)場地的可獲取性以及地形相似性，本文選定的試驗(yàn)區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的體育場。因?yàn)轶w育場和多數(shù)牧場一樣，均為平面地形，且都具有因?yàn)椴荼局参锘蛉嗽焯畛湮飵淼牡乇砟Σ镰h(huán)境。在生成抽象地圖或環(huán)境模型之前，需要設(shè)置一些規(guī)則。首先兩個(gè)障礙物之間的間距小于機(jī)器人的通行距離，這兩個(gè)障礙物應(yīng)該被當(dāng)作一個(gè)障礙物。其次對機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃研究時(shí)，為方便計(jì)算，將機(jī)器人看為質(zhì)點(diǎn)，選用實(shí)用且規(guī)劃結(jié)果查看簡單的柵格法構(gòu)建地圖?？紤]到學(xué)校體育場的日常運(yùn)營需求、試驗(yàn)的計(jì)算量、場地條件，從內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)體育場中選取15 m×15 m的正方形區(qū)域構(gòu)建試驗(yàn)地圖。柵格法將選定的試驗(yàn)場地劃分為多個(gè)邊長為1 m的正方形，便于確定障礙物的位置和大小信息。柵格地圖中的所有柵格編號方式分為序號標(biāo)識法與直角坐標(biāo)法，前者即從研究場地左上角的柵格開始，依次按照從左到右、從上到下的順序編號。設(shè)柵格直角坐標(biāo)法編號中，以從左到右、從上到下順序作為水平軸、垂直軸的正方形，將整個(gè)柵格地圖左上角作為原點(diǎn)。構(gòu)建出的試驗(yàn)地圖見圖3。

直角坐標(biāo)法與序號標(biāo)識法的轉(zhuǎn)換方法如式（11）、式（12）所示。

[n=15y+x+1] （11）

式中： n——序列號變量；

（x，y）——柵格所處的坐標(biāo)。

[x=mod（n，15）-1y=int（n/15）] （12）

考慮到此次研究選取的試驗(yàn)區(qū)域較大，柵格較多，選用序號更加簡潔的序號標(biāo)識法更為合適。再對組成路徑規(guī)劃模型的GA算法模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。GA算法是一種成熟的智能優(yōu)化算法，這里僅對其中需要特別關(guān)注的要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。選用式（13）來判斷插入柵格后兩柵格是否符合連續(xù)條件。

[D=maxabs（xi+1-xi），abs（yi+1-yi）] （13）

式中： xi、yi——柵格Ni在直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值；

xi+1、yi+1——Ni+1的坐標(biāo)值；

D——柵格連續(xù)判斷變量。

如果式（13）中D為1，代表兩柵格是連續(xù)的，反之則說明兩者不連續(xù)，需要使用中值法插入柵格，如式（14）所示。

[xi'=int（xi+xi+1）/2yi'=int（yi+yi+1）/2Ni'=xi'+n12yi'+1] （14）

式中： [Ni']——按中值法計(jì)算出的插入柵格；

[xi']、[yi']——該柵格的對應(yīng)坐標(biāo)。

其次此次研究的問題為路徑規(guī)劃類型，將路徑長度作為評價(jià)路徑方案好壞的指標(biāo)較為合適。因此設(shè)計(jì)出如式（15）所示的適應(yīng)度函數(shù)[19]。

[L=1+1Ud（gi，gi+1）] （15）

式中： U——路徑段總數(shù)量；

d（gi，gi+1）——相鄰兩柵格之間的距離。

至此本文將GFSA搭載到ROS融合的巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，其整體運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 路徑規(guī)劃試驗(yàn)與分析

為測試本文設(shè)計(jì)的牧場巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的使用性能，設(shè)計(jì)并開展一項(xiàng)路徑規(guī)劃試驗(yàn)。試驗(yàn)中路徑規(guī)劃的地圖為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)體育場中選出的15 m×15 m的正方形區(qū)域。

3.1 GFSA性能對比結(jié)果分析

試驗(yàn)共分為兩部分，第一部分是消融試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的GFSA在路徑規(guī)劃任務(wù)處理上的效果。第二部分是對比試驗(yàn)，目的是對比分析此次設(shè)計(jì)的GFSA與其余不同類型的常用路徑規(guī)劃算法在規(guī)劃性能上的區(qū)別。消融試驗(yàn)中選擇的所有算法方案分別有傳統(tǒng)的GA、傳統(tǒng)的AFSA、使用改進(jìn)AFSA優(yōu)化GA初始種群的算法（以下簡稱AFSA+GA）、AFSA+GA中僅添加可變視野與步長改進(jìn)的算法（以下簡稱AFSA1+GA）、AFSA+GA中僅添加擁擠因子改進(jìn)的算法（以下簡稱AFSA2+GA）、AFSA+GA中僅添加改進(jìn)變異方法的算法（以下簡稱AFSA3+GA）以及包含以上三種改進(jìn)的方案（以下簡稱GFSA）。對比試驗(yàn)中選取的對比算法A-star算法（A*）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）、快速擴(kuò)展隨機(jī)樹算法（Rapidly exploring random tree， RRT）。試驗(yàn)中涉及的全部算法參數(shù)均通過在常見設(shè)置范圍內(nèi)，按二分法多次試運(yùn)行取最優(yōu)方案的方式取得。試運(yùn)行得到此次研究設(shè)計(jì)的GFSA方案的參數(shù)見表1。

試驗(yàn)開始后，試驗(yàn)區(qū)域?qū)凑照系K物占比或稱障礙率，隨機(jī)擺放障礙物，用以模擬牧場巡檢機(jī)器人在使用中可能遇到的巖石、植物等障礙。每次試驗(yàn)的路徑規(guī)劃起點(diǎn)與終點(diǎn)均為試驗(yàn)區(qū)域的左上角第一個(gè)柵格與右下角最后一個(gè)柵格。

3.2 路徑規(guī)劃效果試驗(yàn)分析

消融試驗(yàn)后得到不同算法方案的訓(xùn)練過程統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見圖5。

由圖5可知，訓(xùn)練開始后，各算法的最優(yōu)路徑長度不斷減小并趨于穩(wěn)定，而GFSA方案收斂后的最優(yōu)路徑長度最短。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到100次時(shí)，GA、AFSA、AFSA+GA、AFSA1+GA、AFSA2+GA、AFSA3+GA、GFSA的最優(yōu)路徑長度分別為31.7 m、29.8 m、27.6 m、25.0 m、26.3 m、26.1 m、23.7 m。

對比各算法方案的規(guī)劃路線，如圖6所示?？紤]到算法每次運(yùn)行的結(jié)果不一致，因此每種算法均重復(fù)運(yùn)行50次。由圖6可知，GA、AFSA、AFSA+GA、AFSA1+GA、AFSA2+GA、AFSA3+GA、GFSA的最優(yōu)路徑長度中位數(shù)分別為29.9 m、29.6 m、27.3 m、26.3 m、26.2 m、26.5 m、23.2 m。

從圖5和圖6的分析結(jié)果可知，結(jié)合了可變視野與步長、擁擠因子改進(jìn)、變異方法的GFSA規(guī)劃出的路線最短，在這種巡檢方式下，機(jī)器人的巡檢效率最高，因此后續(xù)試驗(yàn)均選擇GFSA與其余類型算法對比。使用GFSA開展多算法對比試驗(yàn)，得到它們在訓(xùn)練過程中的最優(yōu)路徑長度與平均路徑長度數(shù)據(jù)，如圖7所示。

由圖7可知，與圖5類似的是，隨著迭代次數(shù)的增長，各算法最優(yōu)路徑長度仍然呈現(xiàn)先減小后收斂的變化規(guī)律，說明算法訓(xùn)練正常。A*收斂速度最快，在迭代24次后，即完成訓(xùn)練。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到70次后，認(rèn)為各模型均完成訓(xùn)練，這時(shí)A*、PSO、RRT、GFSA的最優(yōu)路徑長度分別為26.2 m、24.8 m、25.3 m、23.5 m。再從優(yōu)化后的具體路徑角度定性分析各算法，隨機(jī)選出一次測試結(jié)果的柵格地圖，如圖8所示。

由圖8可知，此次研究設(shè)計(jì)的GFSA規(guī)劃的路徑總長度最小，且整體轉(zhuǎn)彎幅度也明顯小于其余算法，可以減少由于大幅度轉(zhuǎn)彎帶來的減速效果，從而有利于減少設(shè)備的使用損耗和故障，提高牧場巡檢機(jī)器人的巡檢效率。

試驗(yàn)均為在貼近牧場實(shí)際地形狀態(tài)的障礙率條件下取得，為驗(yàn)證算法在不同復(fù)雜地形條件下的路徑規(guī)劃能力，再調(diào)整地圖中的障礙率多次試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖9。

為提升統(tǒng)計(jì)精度，每種試驗(yàn)方案重復(fù)運(yùn)行5次。圖9中灰色區(qū)域?yàn)閷?yīng)算法規(guī)劃的最優(yōu)路徑長度最大值與最小值組成的，各線條為五次平行試驗(yàn)最優(yōu)路徑的均值繪制而成。由圖9可知，隨著地圖障礙率增長，A*最優(yōu)路徑長度出現(xiàn)加速增長變化趨勢，且規(guī)劃結(jié)果的極值波動范圍也在增長。其余三種算法最優(yōu)路徑長度隨地圖障礙率增長呈現(xiàn)的是線性變化規(guī)律。且GFSA的最優(yōu)路徑長度初始值、增長斜率均小于對比算法。說明GFSA的魯棒性和適應(yīng)性較好。最后對比各算法在不同地圖障礙率條件下的運(yùn)行耗時(shí)與占用內(nèi)存，數(shù)據(jù)按照“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”形式展示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可知，A*與RRT在各種障礙率下的計(jì)算耗時(shí)與占用內(nèi)存均較低，這主要是因?yàn)檫@兩種算法的計(jì)算復(fù)雜度較低。而GFSA的計(jì)算耗時(shí)與占用內(nèi)存高于對比模型。例如在障礙率為50%條件下，A*、PSO、RRT、GFSA的計(jì)算耗時(shí)與占用內(nèi)存均值分別為115 ms、116 ms、129 ms、134 ms與11.2 MB、15.9 MB、10.3 MB、29.3 MB。

4 結(jié)論

為提高牧場巡檢機(jī)器人的路徑規(guī)劃效果，針對AFSA算法在牧場巡檢路徑規(guī)劃的過程中易陷入局部最優(yōu)解、規(guī)劃的最優(yōu)路徑較長等問題，提出一種改進(jìn)AFSA算法融合GA算法得到的GFSA算法，將所提算法搭載到牧場巡檢機(jī)器人上進(jìn)行試驗(yàn)。

1） 在消融試驗(yàn)中，GFSA算法能夠顯著降低路徑規(guī)劃的最優(yōu)路徑長度。試驗(yàn)過程中使用不同的優(yōu)化方法對算法性能的提升有所差異，其中使用結(jié)合可變視野與步長、擁擠因子改進(jìn)、變異方法的GFSA規(guī)劃出的路線最短，其最優(yōu)路徑長度中位數(shù)為23.2 m。采用其他改進(jìn)方法的算法最優(yōu)路徑長度中位數(shù)均有所增加，其中傳統(tǒng)AFSA和GA算法路徑規(guī)劃的效果最差。

2） 在對比試驗(yàn)中，與其他算法相比，GFSA算法在路徑規(guī)劃方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的效果，規(guī)劃出的路徑整體轉(zhuǎn)彎幅度顯著較小，有助于降低由于大幅度轉(zhuǎn)彎引起的速度減緩效應(yīng)，從而有利于減少設(shè)備的使用損耗和故障風(fēng)險(xiǎn)，提高牧場巡檢機(jī)器人的運(yùn)行效率。

3） 鑒于牧場復(fù)雜環(huán)境和牲畜活動等因素可能對路徑規(guī)劃精度造成影響，在接近牧場實(shí)際地形狀態(tài)的障礙率條件下，通過調(diào)整地圖中的障礙率來考察不同算法的適應(yīng)性。隨著地圖障礙率增加，GFSA算法的增長斜率均小于對比算法，表明GFSA算法具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。

設(shè)計(jì)的GFSA算法規(guī)劃出的路徑最短且路線轉(zhuǎn)彎幅度小，有利于減少設(shè)備的損耗，提高牧場巡檢的效率。其缺點(diǎn)在于GFSA算法計(jì)算耗時(shí)長，內(nèi)存占用高，對硬件要求較高。為改進(jìn)此問題，后續(xù)研究可以考慮對算法進(jìn)行優(yōu)化，如采用算法參數(shù)優(yōu)化、優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)、并行化計(jì)算等方式，在保證牧場環(huán)境下路徑規(guī)劃準(zhǔn)確可靠的同時(shí)，盡可能地減少算法的計(jì)算耗時(shí)和內(nèi)存占用。

參 考 文 獻(xiàn)

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