基于改进灰狼优化算法的无人机三维航迹规划（附源码）

数学建模加油站 2022-11-01 21:25:05

多无人作战飞机（UCAV）协同航迹规划是多 UCAV 协同作战的重要组成部分，对协同作战的结果有很多的指引作用。多UCAV协同航迹规划属于多峰值优化函数求解问题，其求解稳定性比较差。为解决多 UCAV 协同航迹规划求解稳定性较差的问题，首先在对影响多机协同约束条件研究分析的基础上，结合单机航迹规划求解中的核心指标，建立了多 UCAV 协同航迹优化函数；利用多种群灰狼算法（MP-GWO）在求解多峰值优化函数问题上比较稳定的特点进行求解。

1、部分代码

%%%   灰狼优化算法航迹规划   %%%
clc, close all


%--- 算法选择 1：GWO算法  2：MP-GWO算法  3：CS-GWO算法 
options = 2;


%--- 算法参数设置          
SearchAgents = 60;           % 搜索智能体个数/狼群数量/可行解的个数 （>= 20）
Max_iter = 145 ;                  % 最大搜索步数     


%--- 协同无人机设置
UAV = UAV_SetUp1;            % 在 UAV_SetUp.m 文件进行设置


%--- 灰狼算法
if options < 2
    solution = GWO(UAV, SearchAgents, Max_iter);  % GWO算法
elseif options < 3
    solution = MP_GWO(UAV, SearchAgents, Max_iter);  % MP-GWO算法
else
    solution = CS_GWO(UAV, SearchAgents, Max_iter);  % CS-GWO算法
end


%--- 绘图
IMG_AutoPlot(solution, UAV) % 自适应绘图（全自动绘图）
% IMG_Plot(solution, UAV) % 手动绘图（需手动添加无人机）

function UAV = UAV_SetUp
%UAV_SETUP 在此设置多无人机协同航迹规划任务
% 10个无人机协同突防


% 航迹点设置
% （每行为一个无人机的参数）
UAV.S = [ 1.5,        1.5,        15;
                  0,           1.5,       15;
                  1.5,        0,          15;
                  0,           3,          15; 
                  3,           0,          15;
                  
                  0,           0,          15;
                  0,           4.5,       15;
                  4.5,        0,          15;
                  1.5,        3,          15;
                  3,           1.5,       15;  ];     % 起点位置 (x,y)或(x,y,z)

UAV.G = [  20,       20,      4;
                   16,       20,      5;
                   20,       16,      5;              
                   18,       20,      4.5; 
                   20,       18,      4.5;
                   
                   18,       18,      5;
                   16,       18,      5.5;
                   18,       16,      5.5;
                   14,       20,      5.5;
                   20,       14,      5.5;  ];      % 目标位置 (x,y)或(x,y,z)

UAV.PointNum = [  30;
                                  26;
                                  24;  
                                  26;  
                                  24;
                                  
                                  30;
                                  24;
                                  24;
                                  24;
                                  24;  ];                 % 每个无人机导航点个数（起始点之间点的个数）

UAV.PointDim = size(UAV.S, 2);        % 坐标点维度 （由 起点 坐标决定）
UAV.num = size(UAV.S, 1);                 % UAV数量 （由 起点 个数决定）


% 威胁点设置 (x,y,r) 或 (x,y,z,r)
% （每行为一个威胁的坐标和半径）
UAV.Menace.radar = [   5,      5,    17,     2.5;
                                        15,    7,    10,     2;  
                                        17,    18,   8,      2; 
                                        8,      8,     0,      6.8;  
                                        8,      17,   8,      3;      ];   % 雷达威胁（数学模型和其余威胁不同）

UAV.Menace.other = [   4,     11,   12,      2.5;
                                        10,    2,     10,     2;
                                        5,      6,     10,     1.5;
                                        10,    8,     12,     1.8;
                                        11,   13,    13,     2.3;
                                        13,   14,     9,      1.8;  
                                        18,   13,    10,     2.2; 
                                        16,   16,     0,      4;     ];   % 导弹、火炮、气象等威胁


% 无人机约束设置（min,max)
% （可单独为每个无人机设置，每行为一个无人机约束的上下限）
UAV.limt.v = 0.34*repmat([0.3, 0.7], UAV.num, 1);                 % 速度约束 （0.3Ma ~ 0.7Ma）
UAV.limt.phi = deg2rad(repmat([-60, 60], UAV.num, 1));      % 偏角约束 （-60° ~ 60°）
UAV.limt.theta = deg2rad(repmat([-45, 45], UAV.num, 1));   % 倾角约束 （-45° ~ 45°）
UAV.limt.h = repmat([0.02, 20], UAV.num, 1);                         % 高度约束 （0.02km ~ 20km）
UAV.limt.x = repmat([0, 20], UAV.num, 1);                            % 位置x约束 （0 ~ 875km）
UAV.limt.y = repmat([0, 20], UAV.num, 1);                            % 位置y约束 （0 ~ 875km）
UAV.limt.z = UAV.limt.h;                                                            % 位置z约束 （忽略地球弧度）
UAV.limt.L = zeros(UAV.num, 2);                                              % 航程约束 （最短航迹片段2km，最大航程1.5倍起始距离）
for i =1:UAV.num
    zz.max = 1.6 * norm(UAV.G(i, :) - UAV.S(i, :));
    zz.min = 0.5;
    UAV.limt.L(i, :) = [zz.min, zz.max];
end


% 多无人机协同设置
% （说明略）
UAV.tc = 160;         % 协同时间 （单位s）
UAV.ds = 0.5;          % 安全距离 （单位km）


% 报错
ErrorCheck(UAV)
end





%% 程序自检
function ErrorCheck(UAV)

dim = UAV.PointDim; 
if dim ~= size(UAV.G,2) || dim ~= size(UAV.Menace.radar,2)-1 || dim ~= size(UAV.Menace.other,2)-1
    if dim ~= size(UAV.G,2)
        error('仿真维度为%d，但目标点坐标为%d维', dim, size(UAV.G,2))
    else
        error('仿真维度为%d，但威胁点坐标为%d维', dim, size(UAV.Menace.radar,2)-1)
    end
end

num = UAV.num;
if num ~= size(UAV.G,1) || num ~= size(UAV.limt.v,1) || num ~= size(UAV.limt.phi,1) ...
        || num ~= size(UAV.limt.theta,1) || num ~= size(UAV.limt.h,1) || num ~= size(UAV.limt.x,1) ...
        || num ~= size(UAV.limt.y,1) || num ~= size(UAV.limt.z,1) || num ~= size(UAV.limt.L,1)
    if num ~= size(UAV.G,1)
        error('无人机个数为%d, 但目标点有%d个', num, size(UAV.G,1))
    else
        error('约束条件个数与无人机个数不一致')
    end
end

if num ~= size(UAV.PointNum, 1)
    error('无人机个数为%d, 但为%d个无人机设置了导航点', num, size(UAV.PointNum, 1))
end

MaxPoint = floor(UAV.limt.L(:,2) ./ UAV.limt.L(:,1)) - 1;   % 每个无人机支持的最大航迹点数量
for i = 1 : UAV.num
    if UAV.PointNum(i) > MaxPoint(i)
        error('%d号无人机导航点个数超出任务需求，请尝试减少导航点个数', i)
    end
end

end

2、结果展示