摘要
针对基本蝴蝶优化算法(Butterfly optimization algorithm,BOA)在进行无人机(Unmanned aerial vehicle, UAV)三维航迹规划时存在的搜索速度慢、搜索精度低以及易陷入局部最优等问题,提出一种改进的蝴蝶优化算法(Improved butterfly optimization algorithm,IBOA)。在全局搜索阶段提出对数自适应惯性权重策略和动态更新调节策略,提高了算法全局搜索能力和搜索精度。同时,在局部搜索阶段,提出一种动态概率余弦选择策略,增加位置更新多样性,避免陷入局部最优。首先,为检验改进算法与基本算法的寻优性能,在部分标准多元函数上进行仿真对比。对比结果表明,改进算法对复杂函数具有较强的寻优能力,能在更短时间内找到全局最优解。然后,在二维路径规划仿真中对比了改进算法与PSO算法性能,从对比结果看,IBOA具有更优的规划效果。接着,利用山峰模拟函数对UAV三维航迹规划进行建模,将改进算法应用到航迹规划中,利用MATLAB仿真对比了不同复杂度环境下的航迹规划效果。仿真实验表明:相同实验条件下,该优化算法较BOA综合适应度值减小21.9%,具有搜索速度快、搜索精度高等优点,能够有效地指导UAV在三维环境中完成自主导航避障任务。
航迹规划是为运动物体从起点到终点找到一条避开各类威胁的最优飞行路径关键技术之一,可为复杂环境下的任务执行提供有效保障,被广泛应用于军民领域。如无人空中投递救灾物资、无人蜂群作战和无人空中探测
目前航迹规划方法多样,可分为诸如人工势场法、Dijkstra算法和A*算法等的传统经典算法和诸如遗传算法、粒子群算法和蚁群算法等的智能群体算法两大类。相较于经典算法,群智能算法具有规划速度快、收敛性好的特点,在UAV航迹规划和机器人路径规划中得到了广泛的应用。文献[
从上述关于航迹规划问题的近年文献来看,群体智能寻优算法在航迹规划中应用较多,尤其是粒子群算法及其改进算法、融合算法较多,但仍存在一些缺点,针对上述文献中所提方法的不足,提出一种基于改进蝴蝶优化算法(Improved butterfly optimization algorithm,IBOA)的UAV三维航迹规划方法。蝴蝶优化算法(Butterfly optimization algorithm,BOA)是将蝴蝶觅食行为进行抽象建模提出的一种新型群体智能搜索算法,具有良好的收敛速度和简单的数学表述,但是,目前在航迹规划中应用较少,其改进算法也较少,为了提高规划速度和精度,鉴于BOA算法的优良性能,将其应用于UAV航迹规划问题。
本文以基本BOA模型为基础,针对其缺点,提出对数自适应惯性权重调整策略、动态更新调节策略和动态概率余弦选择策略,并将3种策略应用到BOA的改进方案中,利用MATLAB仿真软件对所提IBOA算法和BOA算法模型进行了测试函数的性能对比验证,并将IBOA应用到UAV二维和三维航迹规划问题,仿真结果表明,IBOA所规划出来的航迹有效且可行,相比于BOA,规划效率更高。
航迹规划是UAV完成某项任务的重要环节,任务完成情况与航迹规划优劣息息相关。进行规划的目的就是在众多的路径中找出一条避开障碍区且满足约束的最优或次优可行路径,如

图1 UAV避障路径
Fig.1 UAV avoidance path
从上述航迹规划问题中可以看出,航迹规划时需要知道障碍物信息,将UAV面临的软硬杀伤等威胁均采用地形等效模拟,借鉴文献[
(1) |
式中:n为山峰总个数;(xk,yk)代表第k个山峰的中心坐标;hk为高度控制参数,控制威胁源的空间高度;xsk和ysk分别为第k个山峰沿x轴和y轴方向的衰减量,控制山峰坡度。

图2 三维空间威胁模型
Fig.2 3-D spatial threat model
蝴蝶觅食过程可描述为:每只蝴蝶在觅食过程中会产生并感应一定的香味浓度,并朝着区域内浓度更高的蝴蝶位置靠近,以此获得最佳食物。BOA即是对该过程进行数学建模并解决目标函数的最优化问题。每只蝴蝶产生的香味浓度数学模型可描述为
(2) |
式中:为第t次迭代过程中第i只蝴蝶产生的香味浓度;c为蝴蝶的感官模态因子;α 为蝴蝶幂指数;为第(t-1)次迭代过程中第i只蝴蝶在m个位置点(m≥1且m∈
BOA通过比较随机数r与开关转换概率P之间的大小关系来决定跳转方向,当r≥P(其中,P=(t/Maxiter
(3) |
式中:为当前迭代次数时第i只蝴蝶的位置向量;gbest为上次迭代中蝴蝶最优位置。
当r≤P时,蝴蝶将进行局部搜索,其数学模型可描述为
(4) |
式中:和为第j只蝴蝶和第k只蝴蝶在第t次迭代过程中的位置向量。
在位置更新完之后,还需要更新感官模态因子c,更新方式为
(5) |
式中:为第t次迭代过程中的感官模态因子;Maxiter为最大迭代次数。
BOA具有拓扑简单、收敛速度快等优点,在简单低维问题求解中具有良好的优势,但在进行多维复杂问题求解过程中,BOA算法易陷入局部最优,且搜索速度慢、寻优精度差,针对上述BOA在三维航迹规划中存在的问题,本文提出了IBOA。
惯性权重系数能够有效调节算法全局勘测与局部开采能
(6) |
式中:和分别为[0,1]、[-1,1]之间的均匀分布随机数;t为当前迭代次数。

图3 自适应惯性权重系数与进化代数关系曲线图
Fig.3 Relationship between adaptive inertia weight coefficient and evolutionary algebra
加入对数型自适应惯性权重调整策略之后的全局位置搜索方法更新为
(7) |
为了提高全局搜索能力,借鉴局部搜索过程中所使用的随机位置差分更新策略,在加入惯性权重之后引入动态调节策略ε,其数学表达式为
(8) |
式中betarnd为呈beta分布的随机数。
调整之后的全局搜索策略为
(9) |
为了防止算法陷入局部最优,在局部搜索阶段引入动态余弦概率选择策略,增强局部搜索过程中位置更新多样性,所提动态选择概率数学模型为
(10) |
式中:μ∈[0.85,0.95];rand∈[ 0,1]的均匀分布随机数。
当第i只蝴蝶对应的随机数ri≥pi时,位置更新遵从
(11) |
式中:,为呈伽马分布的随机数 。
综上所述,IBOA的算法流程如

图4 改进蝴蝶优化算法流程图
Fig.4 Flow chart of IBOA
Step 1 对算法参数进行初始化。
Step 2 初始化蝴蝶种群位置向量并计算相应位置。
Step 3 记录初始化种群中的最优适应度值及其对应的蝴蝶位置。
Step 4 根据
Step 5 判断计算机生成的均匀分布随机数r与全局/局部位置更新转换概率p之间的大小,若r<p,则执行步骤6~8,否则执行步骤9~11。
Step 6 根据
Step 7 根据
Step 8 根据
Step 9 根据
Step 10 根据
Step 11 根据
Step 12 在选择完位置更新方式后,按照
Step 13 判断当前迭代次数是否超出最大跌代次数限制,若超出则跳出循环,并输出待寻优函数的函数值;若未超出则重复执行步骤4~12,直到循环结束。
UAV最优航迹是指在多条可行航迹中全局跟随能力最强或次强的航迹。因此,本文设计了一种多目标融合的评估函数,用以选取UAV自主导航中的最优航迹。评估函数综合考虑了航迹长度约束函数fr,最小转弯半径约束函数fd和碰撞风险函数ft。多目标融合后的代价评估函数表示为
(12) |
式中:表示d只蝴蝶组成的适应度函数集合;为航迹长度向量;为转弯半径向量;为碰撞风险向量;w1、w2和w3分别为航迹长度向量、转弯半径向量和碰撞风险向量所对应的比例系数。
在飞行速度一定时,航迹长度与油耗、作战反应时间均呈正比关系,为了简述方便,本文采取欧拉距离来综合反映油耗与反应时
(13) |
式中: j为当前航点编号;m为总航点数,即单只蝴蝶位置点总个数;(xj,yj,zj)为航点坐标。
从安全角度出发,UAV在一定区域内飞行时高度不易过高或过低,高度约束为
j=1,2,3,…,m | (14) |
式中:Zj为第j个航迹点位置时的飞行高度;Zmin、Zmax分别为航迹规划的最低飞行高度和最高飞行高度,当为二维航迹规划时,Zmin=Zmax=0。
UAV在执行飞行任务时,很少仅沿直线飞行,因此需要考虑转弯半径约束。其目的是使UAV沿着规划的最优航迹飞行,并形成可飞的平滑航迹。通常,UAV飞行的转弯半径主要受以下约束:
(1)不超出UAV飞行的物理边界,比如速度、俯仰角等的变化范围。
(2)不超出UAV工作负荷极
本文基于上述两点约束,利用
(15) |
式中Vmin和nymax分别为UAV的最小飞行速度及最大法向过载。
UAV执行飞行任务时最重要的一点是需要避开航迹上的威
(16) |
式中:Lpq为该段的航路直线距离;dp、dq为航点Pp、Pq到所有威胁源的最短距离;dpq为航点Pp到航点Pq连线线段到所有威胁源的最短距离。当dp、dq和dpq的最小值趋近于0时,说明该段航路段即将与威胁区域相碰,此时安全代价函数值趋于无穷大。
生成出来的航迹点连线呈直线,航迹上存在不可导的点,容易使航迹发

图5 航迹拟合示意图
Fig.5 Schematic diagram of track fitting
本仿真实验的硬件环境为Inter(R)Core(TM) i7‑9750H CPU 2.60 GHz, RAM 16 GB, Win10操作系统,仿真软件为MATLAB R2022a。
基于上述仿真环境,采用上述算法模型,本文首先选取了4种多元复杂函数对IBOA算法与BOA算法的收敛速度、收敛精度等进行对比测试,并将改进算法应用到UAV航迹规划,分析了2种算法下航迹规划效果。
本文仿真分析了感官模态因子c为0,01,幂指数α为0.3,转换概率p为0.5,种群数量M为50,最大迭代次数Martix为100时,典型算法测试函数F1—F4的最优解、最差解和解方差。
序号 | 函数 | 最优值 | 寻优范围 |
---|---|---|---|
F1 | Alpine | 0 | [-10,10] |
F2 | Ackely | 0 | [-10,10] |
F3 | Zakharov | 0 | [-10,10] |
F4 | Sum of different power | 0 | [-10,10] |
函数 | 算法 | 最差解 | 最优解 | 解方差 |
---|---|---|---|---|
F1 | IBOA | 0 | 0 | 0 |
BOA | 1.402 7e-2 | 1.493 6e-3 | 1.655 7e-05 | |
F2 | IBOA | 4.440 9e-16 | 4.440 9e-16 | 0 |
BOA | 3.216 9e-2 | 4.895 1e-3 | 8.186 8e-05 | |
F3 | IBOA | 0 | 0 | 0 |
BOA | 1.020 7e-2 | 1.364 4e-05 | 1.057 1e-05 | |
F4 | IBOA | 0 | 0 | 0 |
BOA | 2.135 3e-3 | 1.369 7e-06 | 5.745 9e-07 |

图6 不同测试函数下的算法收敛速度曲线图
Fig.6 Algorithm convergence speed plot under different test functions
通过对比可以看出,引入的对数型自适应惯性权重调整策略、全局动态更新调节策略和动态余弦概率选择策略使得基本蝴蝶优化算法性能得到明显提升。
为了对比所提IBOA算法与PSO算法在二维路径规划中的性能,设定规划区域为6 km×6 km,起点坐标设置为(0,0),终点坐标设置为(6,6),威胁点坐标如
威胁 | 坐标 | 威胁半径/km |
---|---|---|
1 | (1.2,1.2) | 0.9 |
2 | (0,3) | 0.8 |
3 | (1.8,4.5) | 0.5 |
4 | (4,0.5) | 0.5 |
5 | (4,2.8) | 0.8 |
6 | (4.5,4.5) | 0.5 |
7 | (2.2,6.5) | 0.3 |
8 | (3.5,5.5) | 0.3 |
9 | (5.5,1.8) | 0.2 |
10 | (6,3) | 0.3 |

图7 两种算法路径规划对比图
Fig.7 Comparison chart of path planning of two algorithms
从
算法 | 最优路径 | 最差路径 | 平均路径 |
---|---|---|---|
PSO | 10.024 0 | 12.036 0 | 10.667 0 |
IBOA | 8.872 9 | 8.925 0 | 8.890 1 |
设定规划区域为100 km×100 km×50 km,分辨力为1 km,起点坐标设置为(1,1,1),终点坐标设置为(100,100,20),最低飞行高度Zmin≥1 km,最大飞行高度Zmax≤20 km,图

图8 15个威胁山峰搜索航迹图
Fig.8 Map of 15 threat mountain search tracks

图9 25个威胁山峰搜索航迹图
Fig.9 Map of 25 threat mountain search tracks
上述两种三维航迹规划仿真情景下,不同算法的耗时情况如
算法 | 15个威胁源 | 25个威胁源 |
---|---|---|
BOA |
20.252 |
26.577 |
IBOA |
14.637 |
22.842 |
为了提高UAV执行任务时的自主导航能力,本文以基本蝴蝶优化算法模型为基础,针对BOA算法现存缺点,引入对数自适应惯性权重调整策略、动态更新调节策略和动态概率余弦选择策略,提出了一种改进蝴蝶优化算法,得到结论如下:
(1) 相较于BOA算法,文中所提的IBOA算法性能更优,具有搜索速度快、搜索精度高的特点,更加适合应用于多维复杂目标函数寻优问题。
(2) 所提IBOA算法可提高航迹规划搜索效率,对二维或三维UAV、机器人等应用领域的航迹规划具有良好的指导作用。
参 考 文 献
陈侠,李光耀.基于改进算法的无人机航迹规划[J].科学技术与工程,2018,18(3): 79-84. [百度学术]
CHEN Xia, LI Guangyao. Path planing for unmanned aerial vehicles using improved evolutionary alglgorithm[J]. Science Technology and Engineering,2018,18(3): 79-84. [百度学术]
任鹏,高晓光.有限干预下UAV低空突防航迹规划[J].系统工程与电子技术,2014,36(4): 679-684. [百度学术]
REN Peng, GAO Xiaoguang. Human intervention flight path planning for UAV low-altitude penetration[J]. Systems Engineering and Electronics, 2014, 36(4): 679-684. [百度学术]
李琳,李双霖,高佩忻.基于DDPG的无人机航迹规划[J].兵器装备工程学报,2022,43(2): 176-180. [百度学术]
LI Lin, LI Shuanglin, GAO Pixin. Path planning of UAV based on DDPG[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2022, 43(2): 176-180. [百度学术]
熊华捷,蔚保国,何成龙. 基于改进粒子群算法的UAV航迹规划方法[J]. 计算机测量与控制,2020,28(2): 144-147. [百度学术]
XIONG Huajie, YU Baoguo, HE Chenglong. UAV path planning method based on improved PSO[J]. Coumputer Measurement & Control, 2020, 28(2):144-147. [百度学术]
巫茜,罗金彪,顾晓群,等. 基于改进PSO的无人机三维航迹规划优化算法[J]. 兵器装备工程学报,2021,42(8): 233-238. [百度学术]
WU Qian, LUO Jinbiao, GU Xiaoqun, et al. Optimization algorithm for UAV 3D track planning based on improved PSO method[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2021,42(8): 233-238. [百度学术]
黄龙杨,徐文辉,屈文秋. 基于改进蚁群算法的无人机城市低空航迹规划[J]. 航空计算技术,2020,50(3): 11-14. [百度学术]
HUANG Longyang,XU Wenhui,QU Wenqiu. UAVroute planning in urban low altitude based on improved ant colony algorithm[J]. Aeronautical Computing Technique, 2020,50(3): 11-14. [百度学术]
陈侠,艾宇迪,梁红利. 基于改进蚁群算法的无人机三维航迹规划研究[J]. 战术导弹技术, 2019, 2: 59-105. [百度学术]
CHEN Xia,AI Yudi,LIANG Hongli. Research on three-dimensional path planning of UAV based on improved ant colony algorithm[J]. Tactical Missile Technology, 2019, 2: 59-105. [百度学术]
黄长强,赵克新. 基于改进蚁狮算法的无人机三维航迹规划[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(7): 1532-1538. [百度学术]
HUANG Changqiang, ZHAO Kexin. Three dimensional path planning of UAV with improved ant lion optimizer[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(7): 1532-1538. [百度学术]
赵克新,黄长强,王渊,等. 基于混沌蚁狮算法的无人机航迹规划[J]. 飞行力学, 2018, 36(1): 93-96. [百度学术]
ZHAO Kexin,HUANG Changqiang,WANG Yuan,et al. UAV path planning based on chaos ant lion algorithm [J]. Flight Dynamics, 2018, 36(1): 93-96. [百度学术]
熊自明,万刚,吴本材.基于改进蚁群算法的无人机低空突防三维航迹规划[J].电光与控制,2011,18(12): 44-48. [百度学术]
XIONG Ziming, WAN Gang, WU Bencai. Improved ant colony algorithm based 3D route planning for UAVs in low-altitude penetration[J].Electronics Optics & Control, 2011, 18(12): 44-48. [百度学术]
刘景森,马义想,李煜.改进蝴蝶算法求解多维复杂函数优化问题[J].电子学报,2021,49(6): 1068-1076. [百度学术]
LIU Jingsen, MA Yixiang, LI Yu. Improved butterfly alogrithm for multi-dimensional complex function optimization problem[J]. Acta Electronica Sinca, 2021,49(6): 1068-1076. [百度学术]
陈涛,李由之,黄湘松.基于改进MOGOA的无人机群航迹规划研究[J].天津大学学报(自然科学版),2020,53(9): 967-975. [百度学术]
CHEN Tao, LI Youzhi, HUANG Xiangsong. UAVs path planning base on improved multi-objective grasshopper optimization algorithm[J]. Journal of Tianjian University(Science and Technology), 2020,53(9):967-975. [百度学术]
任新惠,武彤.基于配送模式的无人机城市配送航迹规划[J].科学技术与工程,2021,21(32): 13638-13649. [百度学术]
REN Xinhui, WU Tong. Urban distribution route planning of unmanned aerial vehicle based on distribution mode[J]. Science Technology and Engineering, 2021,21(32): 13638-13649. [百度学术]