基于彈性面域特性的虛擬管道優(yōu)化與設(shè)計(jì)

摘要： 針對(duì)集群路徑規(guī)劃中的運(yùn)算量大、擁堵和碰撞等造成非彈性虛擬管道可行域受限的問(wèn)題，提出一種基于彈性面域特性的虛擬管道模型。首先，提出彈性面域的概念，其彈性有界平面可作為虛擬管道的邊界，能夠有效利用脊曲線橫截面附近的空余空間來(lái)改變可行域范圍。其次，以管道內(nèi)部空間的脊曲線為基準(zhǔn)擴(kuò)展安全區(qū)域，改進(jìn)路徑規(guī)劃算法以適用于彈性面域虛擬管道。最后，通過(guò)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該模型及所提算法在不同環(huán)境下的適用性及優(yōu)越性。該研究對(duì)虛擬管道概念在集群路徑規(guī)劃領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 虛擬管道; 彈性面域; A*算法; 貝塞爾曲線; 路徑規(guī)劃

中圖分類號(hào)： TP 301.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.11.28

Optimization and design of virtual tube based on elastic area characteristics

WU Yinfei， LI Xinkai^*， ZHANG Hongli， CHEN Yingying， GONG Fengjin

（School of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830017， China）

Abstract： In view of the problem that the feasible domain of inelastic virtual tube is limited due to the large amount of computation， congestion and collision in cluster path planning， a virtual tube model based on elastic area is proposed. Firstly， the concept of elastic area is proposed， the elastic bounded plane can be used as the boundary of the virtual tube， and can effectively use the free space near the cross section of the ridge curve to change the scope of the feasible region. Secondly， the safety zone is extended based on the ridge curve of the inner space of the tube， and a path planning algorithm is improved to apply to the elastic area virtual tube. Finally， through comparative simulation experiments， the applicability and superiority of the model and the proposed algorithm in different environments are verified. This study has certain practical value for the application of virtual tube concept in cluster path planning.

Keywords： virtual tube; elastic area; A* algorithm; Bezier curve; path planning

0 引 言

近年來(lái)，隨著人工智能和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，單智能體受限于個(gè)體能力，面對(duì)復(fù)雜工況時(shí)無(wú)法高效、全面完成指定任務(wù)^［1］。因此，為了提高整體系統(tǒng)的性能和應(yīng)對(duì)未知環(huán)境的挑戰(zhàn)，將多個(gè)智能體進(jìn)行有效協(xié)作和互動(dòng)組成集群系統(tǒng)。由于集群系統(tǒng)的復(fù)雜性，多智能體如何快速穿越障礙物密集環(huán)境成了現(xiàn)代社會(huì)中一個(gè)重要且具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題^［2］。而集群路徑規(guī)劃是集群系統(tǒng)中基礎(chǔ)且必需的部分，尤其對(duì)于無(wú)人機(jī)這類高自由度、高動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的智能體，其重要性不言而喻。

集群路徑規(guī)劃旨在有效地規(guī)劃和優(yōu)化多個(gè)智能體（如機(jī)器人、車輛或飛行器等）在給定環(huán)境下的路徑曲線，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的同時(shí)避免碰撞、提高效率和保障安全性^［3-4］。目前，常用的集群路徑規(guī)劃方法歸類有集中式方法^［5-6］、分布式方法^［7-9］、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法^［10-12］和混合式方法^［13-14］。集中式方法只適用于小規(guī)模集群，能夠?qū)崿F(xiàn)全局優(yōu)化，對(duì)于大規(guī)模集群會(huì)面臨計(jì)算復(fù)雜度和通信開(kāi)銷的問(wèn)題，且不夠靈活^［15］，如集中式優(yōu)化算法^［16］、相對(duì)安全走廊^［17］等;分布式方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，能夠應(yīng)對(duì)部分信息缺失和多智能體之間的通信限制^［18］，然而不同智能體之間存在合作沖突，即各自追求個(gè)體利益而無(wú)法達(dá)成全局最優(yōu)解，如常用的算法包括勢(shì)場(chǎng)方法^［6］、群體智能^［19］、分布式搜索算法^［20］等。

現(xiàn)階段集群路徑規(guī)劃常用的仍然是單獨(dú)規(guī)劃所有智能體路徑，從而使多智能體成功抵達(dá)目的地的過(guò)程中避免撞到障礙物。這類方法耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算量大，需要大量通訊帶寬作為代價(jià)等缺陷。為解決復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問(wèn)題，有學(xué)者提出安全飛行走廊規(guī)劃方法^［21］，該類方法通過(guò)生成一條無(wú)障礙物的飛行區(qū)域來(lái)約束智能體的安全飛行，使得最優(yōu)控制問(wèn)題的規(guī)模完全獨(dú)立于環(huán)境的復(fù)雜性，從而提高路徑規(guī)劃的速度。然而，該方法沒(méi)有考慮到三維空間中的大規(guī)模集群快速通行情況，飛行走廊通過(guò)凸規(guī)劃出的區(qū)域并不都適用于多智能體的通行，其擁有死角、尖點(diǎn)等阻塞多智能體通行的不規(guī)則區(qū)域。為此，近期有學(xué)者提出基于虛擬管道的集群飛行概念及規(guī)劃方法^［22-24］，該方法的概念與安全走廊類似，均可為智能體統(tǒng)一規(guī)劃出無(wú)障礙物的安全區(qū)域。其區(qū)別在于虛擬管道不僅為智能體提供安全可行路徑，且管道內(nèi)均是可行域。虛擬管道能夠同時(shí)為多智能體提供前進(jìn)方向，且因其具有邊界光滑的特性更加適用于大規(guī)模集群快速通行。

正則虛擬管道^［22］方法能夠通過(guò)分布式集群路徑規(guī)劃的方法在規(guī)劃好的虛擬管道內(nèi)進(jìn)行多智能體穿越。該方法相比于其他集群路徑規(guī)劃，離線規(guī)劃時(shí)虛擬管道的集群路徑規(guī)劃計(jì)算量更小，其他集群路徑規(guī)劃由多個(gè)循環(huán)執(zhí)行，而虛擬管道只執(zhí)行一次;且對(duì)于多智能體而言，只需要共享一個(gè)虛擬管道和相對(duì)位置即可安全通行，可以不用占據(jù)無(wú)線帶寬，這些優(yōu)點(diǎn)可顯著降低計(jì)算復(fù)雜度。然而，在高度復(fù)雜的環(huán)境中構(gòu)建虛擬管道時(shí)，容易出現(xiàn)空間利用率不足的問(wèn)題。如面對(duì)非規(guī)則可行域時(shí)，虛擬管道的半徑僅按照可行域中最小可行半徑進(jìn)行規(guī)劃，忽視了其他方位可利用空間，減少了多智能體通行數(shù)量，增加了多智能體集群抵達(dá)任務(wù)地點(diǎn)的時(shí)間。因此，本文針對(duì)這一問(wèn)題提出一種改進(jìn)的虛擬管道規(guī)劃方法，該方法規(guī)劃的虛擬管道稱為彈性面域虛擬管道，對(duì)非彈性面域虛擬管道規(guī)劃中空間利用率不足的情況進(jìn)行優(yōu)化。

考慮彈性面域虛擬管道內(nèi)存在無(wú)數(shù)條可行路徑的情況，需要在規(guī)劃彈性面域虛擬管道主干脊曲線時(shí)，盡量避免與障礙物邊界或頂點(diǎn)重合，以確保脊曲線橫截面附近有足夠的規(guī)劃空間。A*算法^［25］作為路徑規(guī)劃算法中經(jīng)典的搜索方法，能夠在全局規(guī)劃中一次性找到全局最優(yōu)解，故本文以A*算法為例進(jìn)行彈性面域虛擬管道脊曲線的規(guī)劃，以尋找最短路徑，并對(duì)其規(guī)劃路徑方法中容易與障礙物頂點(diǎn)相遇的不足進(jìn)行改進(jìn)，以滿足彈性面域虛擬管道的規(guī)劃需求。

本文的主要工作歸納如下：

（1） 本文提出的基于彈性面域特性的虛擬管道可以通過(guò)主副雙變軸共同規(guī)劃虛擬管道可行區(qū)域，提升虛擬管道的最大橫截面積與管道體積，有效降低多智能體在虛擬管道內(nèi)穿越總時(shí)長(zhǎng)，提高可行區(qū)域;

（2） 本文在虛擬管道基礎(chǔ)上對(duì)彈性面域虛擬管道的定義進(jìn)行補(bǔ)充，限制主軸在三維空間中的相對(duì)角度，并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模及系統(tǒng)分析;

（3） 為使彈性面域虛擬管道內(nèi)部空間能以脊曲線為基準(zhǔn)擴(kuò)展安全區(qū)域，避免脊曲線與柵格障礙物頂點(diǎn)重合，對(duì)A*算法進(jìn)行改進(jìn)，以此適應(yīng)彈性面域虛擬管道的搭建，同時(shí)獲得起點(diǎn)和終點(diǎn)之間管道的最短管道路徑。

1 正則彈性面域虛擬管道的構(gòu)建

彈性面域虛擬管道由一條脊曲線和無(wú)數(shù)個(gè)垂直脊曲線的彈性有界平面組成。彈性有界平面可以根據(jù)環(huán)境狀況自適應(yīng)收放面積、扁窄度，從而改變可行域范圍，彈性有界平面的邊界作為彈性面域虛擬管道的邊界，約束管道內(nèi)智能體的通行范圍，將微分幾何^［26］融入該想法中，可得到一個(gè)基本彈性面域虛擬管道模型，如圖1所示。

設(shè)w（s）=［x（s），y（s），z（s）］為三維歐式空間中的曲線，弧長(zhǎng)范圍s∈［s₀，s_l］=I_s與時(shí)間t有關(guān)，現(xiàn)有I_s，I_θ，I_λR，存在彈性面域虛擬管道變量θ∈I_θ、λ∈I_λ，使彈性面域虛擬管道T在Frenet標(biāo)架^［27］下滿足：

式中：λ∈［λ_min（s），1］，λ_min（s）是關(guān)于s的實(shí)值函數(shù)，且為管道軸長(zhǎng)的最小系數(shù);θ∈［0，2π］=I_θ為管道內(nèi)各點(diǎn)到管道橫截面中心的連線與管道主半軸形成的夾角，規(guī)定逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?二階可微曲線w（s）為彈性面域虛擬管的脊曲線;?（s，θ）為管道內(nèi)各點(diǎn)到橫截面中心的距離;?_a（s，θ）和?_b（s，θ）分別為管道各點(diǎn)的主半軸長(zhǎng)和副半軸長(zhǎng)，且對(duì)s連續(xù);a（s）和b（s）分別是脊曲線w在w（s）點(diǎn)的主法向量和副法向量。

a（s）一般表達(dá)如下：

a（s）=w¨（s）w¨（s）（2）

由于三維曲線在某一點(diǎn)上的法向量并不唯一，且通過(guò)式（2）得到的主法向量a（s）繞w·（s）方向旋轉(zhuǎn)后仍為s點(diǎn)的主法向量。由于s是弧長(zhǎng)，故w·（s）=［x·（s），y·（s），z·（s）］具有單位長(zhǎng)度，引入其給定的切線指標(biāo)w：［0，l］→R³，較為方便理解a（s）的旋轉(zhuǎn)方式，如下所示：

a_r（s）=［x·（s），y·（s），0］·M_rx·（s）²+y·（s）²（3）

其中，旋轉(zhuǎn)矩陣M_r=［0，－1，0;1，0，0;0，0，1］，若a_r（s）=［0，0，0］，則a_r（s_i）=a_r（s_i－1）。

本文對(duì)旋轉(zhuǎn)后的a_r（s）進(jìn)行約束限制，使其旋轉(zhuǎn)至滿足下列條件：

（1） 非弧長(zhǎng)s起點(diǎn)處主法向量a_r（s）⊥［0，0，1］且a_r（s_i）·a_r（s_i－1）gt;0，i=1，2，…，l為弧長(zhǎng)s采樣點(diǎn)標(biāo)號(hào);

（2） 弧長(zhǎng)s上起點(diǎn)s₀處主法向量a_r（s₀）需滿足a_r（s₀）⊥［0，0，1］且a_r（s₀）·［0，1，0］gt;0;

（3） 若弧長(zhǎng)s上起點(diǎn)s₀處管道橫截面T（s₀，θ，λ）⊥［0，0，1］，即主法向量a_r（s₀）⊥［1，0，0］且a_r（s₀）⊥［0，1，0］，那么規(guī)定s₀處的主法向量a_r（s₀）=［0，1，0］。

b（s）如下所示：

b（s）=w·（s）w·（s）×a_r（s）（4）

為方便后文敘述，彈性面域虛擬管表面用T₁（s，θ）=T（s，θ，1）表示;彈性面域虛擬管T在點(diǎn)w（s₀）的橫截面用T_s0（θ，λ）=T（s₀，θ，λ）表示;彈性面域虛擬管T主半軸用?_a（s）=?（s，0°）表示，副半軸用?_b（s）=?（s，90°）表示。

定義 1 彈性面域虛擬管道的自交。如果彈性面域虛擬管橫截面T（s₁，θ₁，λ₁）內(nèi)存在另一組參數(shù)（s₂，θ₂，λ₂）對(duì)應(yīng)的管道面T（s₂，θ₂，λ₂），則彈性面域虛擬管道在w（s₁）點(diǎn)出現(xiàn)曲面自交區(qū)域，如下所示：

T_s1（θ₁，λ₁）=T_s2（θ₂，λ₂），s₁≠s₂（5）

自交有兩種不同的類型，一種是脊曲線上兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)的橫截面相交造成的全局自交，另一種是脊曲線局部高曲率或主副軸長(zhǎng)大于主副軸方向的曲率半徑造成的局部自交^［28］，如圖2所示。由于彈性面域虛擬管道曲面自交沒(méi)有具體明確的定義，因此本文對(duì)其進(jìn)行自定義。

定義 2 彈性面域虛擬管道的局部自交。設(shè)彈性面域虛擬管道存在自交點(diǎn)為w（s₁），當(dāng)給定小數(shù)?εgt;0，有θ₁，θ₂∈I_θ，λ₁，λ₂∈I_λ，s₂∈R使下式成立：

|s₁－s₂|lt;εT_s1（θ₁，λ₁）=T_s2（θ₂，λ₂）（6）

那么在w（s₁）點(diǎn)處存在的自交為彈性面域虛擬管的局部自交;否則，自交集就是全局的自交集。

由于彈性面域虛擬管的主軸和副軸變化可能出現(xiàn)相互交換長(zhǎng)度現(xiàn)象，故彈性面域虛擬管的橫截面收縮率定義為常規(guī)的體積或者橫截面積縮減率是不可行的。因此，本文在此定義彈性面域虛擬管的窄化率和扁化率，以此共同描述彈性面域虛擬管邊界的收縮率，避免主副軸長(zhǎng)度交換但面積不變的情況。

定義 3 彈性面域虛擬管道的窄化率和扁化率。窄化率定義為彈性面域虛擬管主軸長(zhǎng)度縮減速率;扁化率定義為彈性面域虛擬管副軸的長(zhǎng)度縮短速率。

定義 4 彈性面域虛擬管道表面為正則曲面。若對(duì)彈性面域虛擬管道表面T₁（s，θ）所有點(diǎn)處都連續(xù)可微，且對(duì)于常數(shù)v₁，v₂使得

v₁?T₁?s+v₂?T₁?θ=0， s∈R;θ∈I_θ（7）

有唯一解為v₁=v₂=0，那么該彈性面域虛擬管表面是正則曲面。

定義 5 彈性面域虛擬管道的橫截面是單連通的。如果在T_s（θ，λ）中的每一個(gè)封閉環(huán)路都可以連續(xù)變換或收縮到T_s（θ，λ）內(nèi)的一點(diǎn)，則彈性面域虛擬管的橫截面T_s（θ，λ）是單連通的。

為了適應(yīng)多智能體的一般運(yùn)動(dòng)方式，本文提出的彈性面域虛擬管道同樣需要滿足類似文獻(xiàn)［22］中提出的4個(gè)構(gòu)建原則。

原則 1 彈性面域虛擬管道表面是正則的。

原則 2 彈性面域虛擬管道擁有比較低的窄化率和扁化率。

原則 3 彈性面域虛擬管道的橫截面是單連通的。

原則 4 彈性面域虛擬管道沒(méi)有自交。

在彈性面域虛擬管道的規(guī)劃階段，一個(gè)正則彈性面域虛擬管道應(yīng)該滿足上述4個(gè)原則。為此，本文對(duì)正則彈性面域虛擬管道的定義進(jìn)一步完善。

定義 6 正則的彈性面域虛擬管道T（s，θ，λ）是具有最小收縮率η_min的彈性面域虛擬管道。若彈性面域虛擬管道窄化率和扁化率均滿足η_a，η_b≥η_min，管道表面光滑正則，其橫截面為單連通截面，且管內(nèi)無(wú)自交，則稱這類彈性面域虛擬管道為具有最小收縮率η_min的正則彈性面域虛擬管道。

2 正則彈性面域虛擬管道數(shù)學(xué)描述

2.1 正則曲面的彈性面域虛擬管道

若彈性面域虛擬管表面是正則曲面時(shí)，需要根據(jù)定義4，將式（1）代入式（7）得正則彈性面域虛擬管的約束條件^［22］，如下所示：

2.2 彈性面域虛擬管道的窄化率及扁化率

彈性面域虛擬管道中某一段的橫截面邊界驟然收縮會(huì)使多智能體穿越該段管道時(shí)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，因此本文設(shè)定一個(gè)值來(lái)標(biāo)明彈性面域虛擬管的窄化強(qiáng)度和扁化強(qiáng)度，稱為彈性面域虛擬管的最小窄化率和最小扁化率。本文對(duì)彈性面域虛擬管的主副軸分別設(shè)置相同的窄化率及扁化率，使該管道是具有最小收縮率限定值的彈性面域虛擬管道，以此來(lái)表述定義4中的窄化率和扁化率及定義7中的收縮率。

根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離公式，得到w（s₀）點(diǎn)的彈性面域虛擬管橫截面主軸和副軸的長(zhǎng)度如下所示：

式中：L_a是主軸長(zhǎng)度;L_b是副軸長(zhǎng)度。因此，彈性面域虛擬管道的主軸窄化率及副軸扁化率為

窄化率和扁化率只存在于彈性面域虛擬管道主軸與副軸對(duì)應(yīng)兩端光滑可微時(shí)，否則彈性面域虛擬管道若為直管道時(shí)不存在窄化率和扁化率。

由式（12）和式（13）可知，|η_a|越大，管道表面變化越大，主軸的窄化率與?_a（s）和?_s有關(guān)，?_a（s）與|?_s|越大，η_a越大，當(dāng)η_agt;0時(shí)，彈性面域虛擬管變寬;同理，副軸的扁化率與?_b（s）和?_s有關(guān)，?_b（s）和|?_s|越大，η_b越大，當(dāng)η_bgt;0時(shí)，彈性面域虛擬管道被縱向拉伸。當(dāng)主軸與副軸均在拉伸時(shí)，彈性面域虛擬管道膨脹，多智能體不會(huì)被管道壁阻塞;當(dāng)η_alt;0或η_blt;0時(shí)，彈性面域虛擬管道左右兩側(cè)或上下兩側(cè)收縮，多智能體會(huì)因彈性面域虛擬管快速縮小出現(xiàn)阻塞，故限制η_a，η_b的最小值可以有效緩解管道內(nèi)阻塞現(xiàn)象。

2.3 單連通的彈性面域虛擬管道

為使彈性面域虛擬管是單連通管道，文獻(xiàn)［29］提出一種偏置曲線局部和全局自交剪裁算法，并拓展至可變偏置距離的情況，文獻(xiàn)［30］將其結(jié)果推廣到偏置曲面的局部自交和全局自交的一般情況。經(jīng)過(guò)大量學(xué)者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示和分析，虛擬管道單連通需要w·（s）的方向與?T₁（s，θ）/?s方向相同^［31］，如下所示：

彈性面域虛擬管表面T₁（s，θ）中?s和?θ均滿足式（14）中的約束，則其為彈性面域虛擬管中單連通的橫截面。若管道為單連通管道，則管道無(wú)局部自交^［22］，因此為方便計(jì)算，現(xiàn)將式（14）進(jìn)一步簡(jiǎn)化^［32］為

2.4 無(wú)自交現(xiàn)象的彈性面域虛擬管道

為了簡(jiǎn)化約束條件和減少計(jì)算量，本文通過(guò)定義2中彈性面域虛擬管道自交的性質(zhì)，給出數(shù)學(xué)描述來(lái)簡(jiǎn)化無(wú)自交管道規(guī)劃的過(guò)程。

對(duì)于規(guī)劃中出現(xiàn)全局自交的情況，可以在規(guī)劃彈性面域虛擬管道時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置最大主副半軸長(zhǎng)度和合理規(guī)劃環(huán)境中的脊曲線來(lái)解決。完成彈性面域虛擬管道規(guī)劃后，通過(guò)全局搜索來(lái)檢測(cè)是否存在全局自交。在實(shí)時(shí)彈性面域虛擬管道規(guī)劃中，由于多智能體只需要關(guān)注局部的彈性面域虛擬管模型，因此不需要考慮全局自交問(wèn)題。

2.5 正則彈性面域虛擬管道的約束

本文規(guī)劃的彈性面域虛擬管道使用全局規(guī)劃生成脊曲線，因此主要考慮管道局部性質(zhì)，不考慮全局自交問(wèn)題。若滿足上述4個(gè)原則，則可得到適合集群控制規(guī)劃的彈性面域虛擬管道，稱為正則彈性面域虛擬管道，如圖3（b）所示。從圖3（b）中可以看到，正則規(guī)劃后的彈性面域虛擬管道對(duì)圖3（a）中管道表面不規(guī)則、自交區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，使其管道面無(wú)凸起、無(wú)阻塞點(diǎn)，這會(huì)更利于多智能體在管道內(nèi)的穿越。

對(duì)正則彈性面域虛擬管道的所有約束條件表達(dá)如下：

3 正則彈性面域虛擬管建模步驟

多智能體需要在彈性面域虛擬管道內(nèi)進(jìn)行快速穿越，而管道壁則是多智能體可行區(qū)域約束邊界，故本節(jié)對(duì)彈性面域虛擬管道表面進(jìn)行規(guī)劃即可。

規(guī)劃彈性面域虛擬管道表面總共分為兩個(gè)步驟，第1步先規(guī)劃彈性面域虛擬管道的脊曲線w（s），從而得出主法向量a（s）與副法向量b（s）;第2步根據(jù)第1步得到的脊曲線w（s）和兩個(gè)法向量a（s）、b（s）結(jié)合環(huán)境障礙物情況單獨(dú)規(guī)劃彈性面域虛擬管面主副雙變軸長(zhǎng)?_a（s，θ）和?_b（s，θ）。

3.1 彈性面域虛擬管道脊曲線的規(guī)劃

脊曲線的規(guī)劃同樣分為兩個(gè)步驟。首先，利用尋徑算法生成從起點(diǎn)到終點(diǎn)的離散路徑點(diǎn)，其次對(duì)路徑點(diǎn)之間的軌跡進(jìn)行連續(xù)平滑處理。

在設(shè)計(jì)彈性面域虛擬管道時(shí)，需要考慮管道內(nèi)存在無(wú)數(shù)條可行路徑，而不僅僅是單一可行路徑。因此，在規(guī)劃脊曲線時(shí)，需要避免與柵格障礙物頂點(diǎn)相交的問(wèn)題，故本文對(duì)傳統(tǒng)的A*算法進(jìn)行改進(jìn)。相比于傳統(tǒng)A*算法追求最短路徑，該算法更加兼顧彈性面域虛擬管表面構(gòu)造要求。改進(jìn)后的A*算法如下所示：

f*（n^）=g（n^）+h（n^）（17）

式中：f（n^）為節(jié)點(diǎn)n^的估價(jià)函數(shù)，表示從起點(diǎn)經(jīng)由節(jié)點(diǎn)n^到達(dá)終點(diǎn)的代價(jià)估計(jì)，其由起點(diǎn)到達(dá)節(jié)點(diǎn)n^的代價(jià)g（n^）和從節(jié)點(diǎn)n^到達(dá)終點(diǎn)的最短路徑的估計(jì)代價(jià)h（n^）組成。g（n^）采用歐氏距離法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

g（n^）=P_start－P_n^（18）

式中：P_start表示脊曲線的起點(diǎn)位置;P_n^表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)位置。

A*算法中常用曼哈頓距離、切比雪夫距離和歐氏距離作為啟發(fā)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在三維柵格地圖中，彈性面域虛擬管需要最大限度地減少?gòu)澱垲l率，減少多智能體脫離管道的情況。曼哈頓距離是通過(guò)計(jì)算兩點(diǎn)之間沿著網(wǎng)格線的距離來(lái)衡量的，在計(jì)算路徑時(shí)，只能朝上下前后左右6個(gè)方向計(jì)算;與之相對(duì)，歐氏距離可以在任意方向上移動(dòng);切比雪夫距離太過(guò)單一，通常適用于特定的用例。在考慮虛擬管道轉(zhuǎn)彎較少的情況下，曼哈頓距離更適合用于彈性面域虛擬管的脊曲線規(guī)劃。因此，本文采用曼哈頓距離來(lái)計(jì)算A*算法的啟發(fā)函數(shù)，以提高尋路效率，如下所示：

確定父節(jié)點(diǎn)n^后，子節(jié)點(diǎn)n^+1的三維空間選取序列如圖4所示。

從圖4中可以看到，本文對(duì)三維空間的柵格地圖進(jìn)行分層規(guī)劃，共分為3層，從所在層開(kāi)始遍歷，其次向上層遍歷，最后向下層遍歷。

非跨層子節(jié)點(diǎn)n^+1的選取及舍棄規(guī)則如圖5所示。圖5可視化展示子節(jié)點(diǎn)非跨層情況的選取情況，圖中黑色方塊為障礙物方塊，灰色方塊為封閉列表中的父節(jié)點(diǎn)n^－1，為已規(guī)劃后確認(rèn)的路徑節(jié)點(diǎn)。若開(kāi)放列表中的父節(jié)點(diǎn)n^與子節(jié)點(diǎn)n^+1之間的移動(dòng)路徑與靜態(tài)障礙物邊界最短距離為0，則舍棄該子節(jié)點(diǎn)重新選取另一子節(jié)點(diǎn)。

三維空間中子節(jié)點(diǎn)的具體選取規(guī)則如表1所示。其選取方法參照二維平面上子節(jié)點(diǎn)的選取方法，若直線路徑過(guò)程中與障礙物邊界相交則該路徑不可取，并刪除該子節(jié)點(diǎn)。

對(duì)離散的路徑點(diǎn)進(jìn)行平滑處理，本文采用貝塞爾曲線方法進(jìn)行路徑平滑^［33］，如下所示：

b_j（t）=c⁰_jB⁰_n（t）+c¹_jB¹_n（t）+…+cⁿ_jBⁿ_n（t）=∑ni=0cⁱ_jBⁱ_n（t）（20）

式中：{c⁰_j，c¹_j，…，cⁿ_j}是第j段貝塞爾曲線的控制點(diǎn)集，記為c_j;n是貝塞爾曲線階次;Bⁱ_n（t）是伯恩斯坦多項(xiàng)式，如下所示：

式中：Q是該式的二次項(xiàng)系數(shù)矩陣;i=0，1，…，n。

根據(jù)式（20）和式（21）可得到分段三階貝塞爾函數(shù)平滑后的彈性面域虛擬管道脊曲線，如下所示：

式中：F（t）=［F_x（t），F(xiàn)_y（t），F(xiàn)_z（t）］^T表示規(guī)劃后曲線上的點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo);cⁱ_γj=［cⁱ_γj，x，cⁱ_γj，y，cⁱ_γj，z］^T表示貝塞爾分段曲線中的三維控制點(diǎn)。

對(duì)于每一段三階貝塞爾曲線，分段起點(diǎn)和分段終點(diǎn)分別與第1個(gè)控制點(diǎn)c⁰_j和第4個(gè)控制點(diǎn)c³_j重合，因此只要確定剩余2個(gè)控制點(diǎn)c¹_j、c²_j，就可得到每一段彈性面域虛擬管道的脊曲線。

為使分段貝塞爾曲線在連接處速度近似連續(xù)，故設(shè)置如下的連接點(diǎn)約束：

dc³_j（t）dt_t=tm=dc⁰_j+1（t）dt_t=tm，m=1，2，…，j－1（23）

本文為使平滑后的脊曲線更加適合彈性面域虛擬管道的建模，因此設(shè)置如下所示的目標(biāo)函數(shù)：

弧長(zhǎng)s與時(shí)間t的關(guān)系為

s（t）=∫^t_t0|F·（t）|dt（25）

故由時(shí)間t規(guī)劃出一系列三維坐標(biāo)點(diǎn)F（t）可轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰￠L(zhǎng)s為自變量的脊曲線w（s）。

3.2 彈性面域虛擬管道主副半軸的規(guī)劃

本節(jié)在第3.1節(jié)規(guī)劃出來(lái)的脊曲線基礎(chǔ)上，對(duì)彈性面域虛擬管道的主副半軸長(zhǎng)進(jìn)行規(guī)劃，主要目的是使彈性面域虛擬管道的橫截面積和最終生成的管道體積足夠大，從而方便多智能體集群的穿越。

為方便目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算，在規(guī)劃彈性面域虛擬管道上各點(diǎn)的主副半軸長(zhǎng)時(shí)，將其進(jìn)行類似于式（22）分段式脊曲線的參數(shù)化。主半軸長(zhǎng)和副半軸長(zhǎng)參數(shù)分別如下所示：

式中：αⁱ_j（θ）=βⁱ_j（θ）=∑nk=0χⁱ_kθ^k表示第j段i階的主副半軸長(zhǎng)系數(shù)，χⁱ_k表示第k段i階的系數(shù)。

由于所需彈性面域虛擬管道需要滿足多智能體穿越的4個(gè)原則，故規(guī)劃其可行域時(shí)需要主副半軸長(zhǎng)最大化，且需要管道表面沒(méi)有較大起伏。為了全局規(guī)劃后的彈性面域虛擬管道不存在全局自交，因此需要對(duì)彈性面域虛擬管道的主副半軸長(zhǎng)進(jìn)行限制，設(shè)置最大主副半軸長(zhǎng)分別為?_amax和?_{b max}。若最大半軸長(zhǎng)內(nèi)沒(méi)有障礙物，則默認(rèn)當(dāng)前規(guī)劃虛擬管道的半軸長(zhǎng)為最大半軸長(zhǎng)，如下所示：

式中：?_{a min，i}和?_{b min，i}分別為脊曲線的第i段與障礙物的最小主副半軸距離;i=1，2，…i_j。

結(jié)合式（28）中的障礙約束、式（16）中的正則彈性面域虛擬管道約束和式（23）中的連續(xù)約束優(yōu)化主副半軸長(zhǎng)，將脊曲線w（s）與優(yōu)化后的主副半軸長(zhǎng)?_a（s，θ）和?_b（s，θ）相結(jié)合，規(guī)劃出正則彈性面域虛擬管道。

設(shè)置主副軸代價(jià)函數(shù)為

規(guī)劃彈性面域虛擬管道的目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為式（16）、式（23）和式（28）。

彈性面域虛擬管道完整的規(guī)劃過(guò)程如算法1所示。算法 1 正則彈性面域虛擬管道規(guī)劃步驟輸入：起點(diǎn)，終點(diǎn)，地圖，收縮率，管道最大半軸長(zhǎng)輸出：w（s），?_a（s，θ），?_b（s，θ），n（s），b（s）1使用改進(jìn)后的A*算法找到離散路徑點(diǎn)2

使用分段三階貝塞爾曲線優(yōu)化離散路徑點(diǎn)得出w（s），如式（22）、式（25）所示。3根據(jù)脊曲線w（s）得出n（s）和b（s）4for i≤j do5求w（s）到障礙物的最小距離?_{a min，i}和?_{b min，i}6if ?_{a min，i}gt;?_max then7 ?_{a min，i}=?_max8end9if ?_{b min，i}gt;?_max then10 ?_{b min，i}=?_max11end12end13優(yōu)化中加入障礙物約束、正則約束和連續(xù)約束14由式（26）和式（27）得主半軸?_a（s，θ）和副半軸?_b（s，θ）15T（s，θ）=w（s）+（?_a（s，θ）n（s）cos θ+?_b（s，θ）b（s）sin θ）

4 仿真結(jié)果

本節(jié)對(duì)所改進(jìn)的彈性面域虛擬管道進(jìn)行仿真，使用了配備Intel（R） Core i7-8750H處理器（主頻2.20 GHz）和16 GB內(nèi)存的電腦。本文使用二階智能體，采用文獻(xiàn)［34］中的控制器及參數(shù)模擬多智能體在彈性面域虛擬管內(nèi)進(jìn)行穿越，選擇的仿真步長(zhǎng)為0.01 s。

4.1 彈性面域虛擬管道規(guī)劃及可行域?qū)Ρ确抡?/p>

本節(jié)在10 m×10 m×3 m的柵格地圖中放置墻面障礙物，測(cè)試所提出的彈性面域虛擬管可行區(qū)域大小。在相同地圖中給定相同起點(diǎn)及終點(diǎn)的脊曲線;設(shè)置彈性面域虛擬管道主副半軸長(zhǎng)最大值和非彈性面域虛擬管半徑最大值均設(shè)置為1.3 m，利用相同估價(jià)函數(shù)及各項(xiàng)參數(shù)，比較了改進(jìn)前后的三維管道及脊曲線上11個(gè)不同位置的虛擬管道橫截面積大小，仿真結(jié)果如圖6～圖8和表2所示。

圖6與圖7對(duì)比了彈性面域虛擬管和非彈性面域虛擬管在柵格地圖中不同角度的管道形狀。從圖6與圖7中可以看出，在類似走廊、隧道中規(guī)劃管道時(shí)有一節(jié)狹窄段，該狹窄段使管道形成沙漏型，若狹窄段面積過(guò)小，會(huì)使通行的多智能體阻塞，延長(zhǎng)通行時(shí)間。在同樣環(huán)境中對(duì)虛擬管道進(jìn)行規(guī)劃，與非彈性面域虛擬管通行路徑始終保持圓截面不同，彈性面域虛擬管道兼容了更多可行空間，包含通道上下層領(lǐng)域，顯著增大了管道橫截面積，拓寬了多智能體可行范圍。

圖8對(duì)比了彈性面域虛擬管和非彈性面域虛擬管在柵格地圖中管道最小通行域大小?？梢钥吹?，非彈性面域虛擬管在狹窄段中最小通行域高度和寬度均只有0.8 m，而彈性面域虛擬管由于寬度受區(qū)域限制只有0.8 m以外，不受障礙物限制的高度可以達(dá)到規(guī)定最大限度，使彈性面域虛擬管道的橫截面積顯著大于非彈性面域虛擬管道。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，彈性面域虛擬管在類走廊中規(guī)劃的橫截面積均大于非彈性面域虛擬管規(guī)劃的面積，這增強(qiáng)了多智能體在其中的流通性和效率，降低了阻塞風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 改進(jìn)A*算法前后規(guī)劃對(duì)比仿真

本節(jié)在6 m×6 m×5 m的相同三維柵格環(huán)境中對(duì)改進(jìn)A*算法前后進(jìn)行相同虛擬管道仿真比較。設(shè)置非彈性面域虛擬管道和彈性面域虛擬管道的最大管道半徑均為0.7 m，設(shè)置相同管道起點(diǎn)與終點(diǎn)，使用的管道估價(jià)函數(shù)及參數(shù)均一致，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10中可以清晰地看到無(wú)論是否為彈性面域虛擬管道，在改進(jìn)后的A*算法規(guī)劃下均能成功建立起點(diǎn)至終點(diǎn)的虛擬管道模型。在A*算法改進(jìn)前，面對(duì)障礙物時(shí)算法會(huì)選擇對(duì)角線規(guī)劃，然而實(shí)際路線無(wú)法行進(jìn)，且無(wú)空間建立管道模型;同時(shí)，在未改進(jìn)算法規(guī)劃下的管道易出現(xiàn)規(guī)劃空間驟變，無(wú)法容納智能體通行的狀況。因此，在后續(xù)路徑中，管道模型均無(wú)法建立，從而致使管道無(wú)法規(guī)劃成功。

4.3 多智能體集群通行仿真

本節(jié)使用14個(gè)同性能多智能體在11 m×11 m×11 m的相同三維柵格環(huán)境中同時(shí)進(jìn)行管道穿梭模擬。設(shè)置14個(gè)多智能體在起點(diǎn)端管道內(nèi)不同懸停位置以記錄初始時(shí)刻位置，進(jìn)行了計(jì)時(shí)穿越，對(duì)比了多智能體在改進(jìn)A*算法規(guī)劃下的非彈性面域虛擬管道和彈性面域虛擬管道內(nèi)集群穿梭的各項(xiàng)結(jié)果。

受文獻(xiàn)［24］的避障理論啟發(fā)，本文選取0.3 m作為避障距離，0.15 m為避碰距離。在大量隨機(jī)樹林生成中選出了比較直觀的環(huán)境圖，并在該環(huán)境中進(jìn)行非彈性面域與彈性面域虛擬管道規(guī)劃。其次，使多智能體集群在這兩類管道內(nèi)模擬穿越，得到如圖11和圖12所示的仿真圖，圖中彩色方塊體及圓柱體是隨機(jī)生成的11棵樹;藍(lán)色透明面是生成的管道;紅色虛線是規(guī)劃的脊曲線;彩色實(shí)線是不同時(shí)刻多智能體的位置。

表3比較了多智能體在非彈性面域虛擬管道和彈性面域虛擬管道內(nèi)的穿越指標(biāo)，其中D_d表示多智能體之間最短距離;D_s表示多智能體與虛擬管道壁的最短距離;A_r表示多智能體成功穿越管道抵達(dá)管道另一端的抵達(dá)率。

從圖11（a）和圖12（a）中可以看到，多智能體集群在樹林環(huán)境下規(guī)劃出的虛擬管道內(nèi)穿梭;圖11（b）、圖12（b）和圖11（c）和圖12（c）分別顯示了虛擬管道在樹林環(huán)境中的規(guī)劃和多智能體在管道內(nèi)的穿越。可以看到，規(guī)劃管道遇到復(fù)雜密集障礙物時(shí)，彈性面域虛擬管道的可行空間遠(yuǎn)比非彈性面域可行空間大，如圖11（c）和圖12（c），這樣可以使多智能體集群在穿越復(fù)雜環(huán)境時(shí)的可行域擴(kuò)大，增強(qiáng)集群流通性。

從表3各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以看到，在相同的避障策略、路徑規(guī)劃、控制策略、智能體參數(shù)下，彈性面域虛擬管道與非彈性面域虛擬管道內(nèi)多智能體集群穿越管道時(shí)相互之間的最小間距均為0.14 m，與管道壁的最小距離均為0.27 m，均未出現(xiàn)多智能體碰壁及碰撞墜毀現(xiàn)象。若運(yùn)行總時(shí)間為7.35 s，在彈性面域虛擬管道內(nèi)的多智能體均成功穿越管道，而非彈性面域虛擬管道內(nèi)的多智能體只有92.8%完成穿越任務(wù);若運(yùn)行7.56 s，非彈性面域虛擬管道中的多智能體才全部穿越管道。相比于非彈性面域虛擬管道，運(yùn)行總時(shí)間為7.14 s時(shí)，彈性面域虛擬管道內(nèi)抵達(dá)管道終點(diǎn)的智能體數(shù)量已超過(guò)非彈性面域虛擬管道智能體數(shù)量的50%。

從上述的各項(xiàng)仿真可得，本文改進(jìn)后的彈性面域虛擬管道有效增大了多智能體在虛擬管道中的流通量，減少了多智能體穿越管道的時(shí)間，提高了智能集群系統(tǒng)的性能，提升了多智能體系統(tǒng)在管道內(nèi)的魯棒性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)正則虛擬管道進(jìn)行可行面域的改進(jìn)，提出彈性面域虛擬管道的概念，并對(duì)其定義進(jìn)行完善。首先，該彈性面域管道在原有的正則虛擬管道基礎(chǔ)上增加一個(gè)可變半徑，以雙半徑共同規(guī)劃虛擬管道，進(jìn)一步將三維空間中未被考慮到的空間利用規(guī)劃成為可行域。在走廊環(huán)境中進(jìn)行仿真，對(duì)比非彈性面域虛擬管道和彈性面域虛擬管道的可行域大小，結(jié)果證明彈性面域虛擬管道的可行域范圍顯著大于非彈性面域虛擬管道可行域范圍。其次，在復(fù)雜樹林環(huán)境中進(jìn)行14架多智能體穿越仿真，得到的結(jié)果均驗(yàn)證了彈性面域虛擬管道能夠有效擴(kuò)大多智能體在虛擬管道中流通量，減少集群穿越管道的總時(shí)間，提高智能集群系統(tǒng)的性能。在隨后的研究中，將會(huì)繼續(xù)深入研究多管道交叉的問(wèn)題，以便進(jìn)一步提高智能體在管道內(nèi)通行的效率。

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作者簡(jiǎn)介

吳尹菲（2000—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧褐悄荏w路徑規(guī)劃。

李新凱（1991—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榧簾o(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃與控制。

張宏立（1972—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榉蔷€性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、工業(yè)系統(tǒng)故障診斷、無(wú)人系統(tǒng)控制、機(jī)器學(xué)習(xí)、群智能優(yōu)化。

陳穎穎（2000—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎嘀悄荏w任務(wù)分配。

龔豐金（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫w移學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生、故障診斷。