一种应用遗传算法进行三维航迹规划的编码方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维空间航迹规划领域，尤其是遗传算法。
【背景技术】
[0002]目前遗传算法在轨迹规划中的应用主要在二维领域，用一行数字代码来表示航迹，然后进行遗传算法搜索运算，技术已经相当成熟和全面:
[0003]“一种改进遗传算法在UCAV快速航迹规划中的应用” 一一顾潮琪，火力与指挥控制，2015，Vol.40N0.2。该论文使用改进遗传算法进行二维环境内进行航迹规划研宄，并增强了算法应对突发威胁的能力。
[0004]“基于遗传算法的实时航迹规划的研宄” 一一唐晓东，弹箭与制导学报，2015，Vol.34N0.1。该论文使用遗传算法在二维环境内对多无人机协同航迹规划进行研宄，并满足了任务实时性的要求。
[0005]“Pareto Genetic Path Planning Hybridized with Multi objective DijkstraAlgorithm，，，Lavinia Ferariu, Proceedings of the 18th Internat1nal Conference onSystem Theory, Control and Computing, Sinaia, Romania, October 17-19，2014。该论文使用遗传算法和图论知识相结合的航迹规划研宄。
[0006]以上文献说明，遗传算法在二维航迹规划领域是一种切实有效的方法。但实际飞行环境是复杂的三维空间，二维航迹规划实用性但是在三维空间内，由于没有一套合理的编码方式能够完美的表示航迹，所以目前遗传算法在三维航迹规划中的应用有很大局限性。
[0007]“基于遗传算法的多约束三维航迹规划方法研宄”--彭建亮，Proceedings of
the 270 Chinese Control Conference, July 16—18，2008，Kunming，Yunnan，China。该论文首先限定了无人机的飞行高度，然后在固定高度上利用遗传算法对航迹进行优化。这种方法由于高度信息不能改变，考虑的并不全面。
[0008]上述文献必须在高度一定的情况下才能由编码确定航迹，极大的限制了遗传算法的搜索空间，得到的结果不是全局最优解。
[0009]所以在三维航迹规划领域，还没有一套编码理论能够完成由编码到航迹，再有航迹到编码的转换。本专利提出的编码方法填补了这一区域的空白。
【发明内容】
[0010]遗传算法是一种效率高，效果好的优化算法，在二维航迹规划领域的应用已十分广泛，但目前在三维航迹规划领域的应用还有很大局限性。主要原因是在三维环境内，还没有一套编码理论能够完美的表示运动轨迹，而遗传算法主要内容是对“染色体”和“基因”进行交叉算子和变异算子。作为“染色体”和“基因”的编码不能完美的表示航迹，所以遗传算法在三维空间的使用有很大的局限性。
[0011]为了克服现有技术的不足，本发明提出的三维空间编码理论，利用已知的威胁位置对三维空间进行分割和建模，把空间分割成紧密相连四面体的组合，这些四面体的顶点组成了一个三维空间网络框架，再根据航迹的位置定义框架上每一个节点的编码。这样三维航迹就可以用一行代码完美的表示。为遗传算法在三维空间的航迹优化中的应用搭建了一个平台。
[0012]本发明
【发明内容】
分为两部分，第一部分为已知的航迹确定编码，第二部分为已知的编码还原航迹，两部分使用的编码理论相同。
[0013]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0014](一 )航迹已知，确定编码
[0015]第I步:空间分割
[0016]根据Delaunay三维分割方法，在威胁点位置已知的情况下，把三维空间分割成为不同四面体的集合并且分割后的结果是唯一的；
[0017]第2步:确定穿越面的编码
[0018]经过第I步，空间被分割成不同四面体的集合，空间中所有四面体可分为航迹穿过和航迹未穿过两种，航迹从一个四面体进入另一个四面体时必然要经过一个穿越面，穿越面为一个三角形，有三个顶点，定义穿越面的编码为(0，1，2)，即只有编码为(0，1，2)的面为穿越面，具体0、1、2赋值给穿越面的哪一个顶点可使用右手定则确定:
[0019]右手握拳，竖起大拇指，拇指指向的方向为航迹前进的方向，其他手指旋转的方向为编码数值增大的方向O — I — 2，根据航迹前进的方向，即可确定穿越面的编码，同理，根据穿越面的编码可以确定航迹前进的方向；
[0020]第3步:确定穿越四面体的编码
[0021]空间中所有四面体可分为航迹穿过和航迹未穿过两种，两种四面体的编码方式不同；
[0022]对于编码有航迹穿过的四面体，穿入的穿越面编码已知为(0，1，2)，而四面体只有第四个顶点的编码未知，第四个未知编码的顶点位置由四面体的航迹穿出面决定，即穿出面和穿入面之间三角形共用的边两个顶点已知，由于每个顶点的编码均为0、1、2三个值中的一个，所以根据三角形共用边的顶点编码，即可得知第四个顶点的编码；
[0023]如此，按照航迹前进的方向，所有穿越四面体顶点的编码可以确定；
[0024]第4步:确定未穿越四面体的编码
[0025]对航迹未穿过四面体的编码有先后顺序:对与穿越四面体相邻的四面体进行编码，因与穿越四面体相邻，所以与穿越四面体相邻的四面体有三个顶点是确定的，另一个编码未确定的顶点的数值与已知三个顶点中编码数量占优势的编码一致，由于编码只有三个数值，穿出面编码是(0，1，2)，非穿出面的三角形的三个顶点中必然有重复的编码值；
[0026]第5步:对于与第4步已确定编码的四面体相邻的四面体，再遵循第四个顶点的数值与其他已知三个顶点中数量占优势的编码一致的原则，以此类推，可确定整个三维空间内所有四面体顶点的编码；
[0027]( 二)编码已知，确定航迹
[0028]第I步:确定穿越面和穿越四面体
[0029]因穿越四面体和未穿越四面体的编码不同，可对三维空间内所有四面体筛选，挑出所有穿越四面体；
[0030]第2步:依次连接所有穿越四面体
[0031]从起始点所在的四面体开始，按照右手定则，沿航迹的方向，依次穿过每一个穿越面，即可确定唯一的航迹。
[0032]对于步骤(二)部分所述的编码，本发明将(0，1，2)数值组成的编码分为两类:有效编码和无效编码；
[0033]有效编码是指能对应一条航迹的编码，有效编码和三维航迹是一一对应的映射关系O
[0034]无效编码是指按照编码进行还原，无法组成有效连续的航迹的编码。无效编码主要分为两种:
[0035]1，航迹穿出了四面体的集合，即在边界的四面体的边界面的编码为(0，1，2)，而航迹穿出后未进入下一个四面体，导致航迹中断；
[0036]2，航迹在四面体集合的内部形成了死循环，如四面体AB⑶、四面体ABDE和四面体ABEC这三个四面体环绕线段AB构成了一个封闭空间。若AB的编码为(0，I)，⑶E的编码为2，这样航迹就在这三个四面体内形成了死循环，无法从这三个四面体穿出。
[0037]本发明的有益效果是利用本发明提出的编码方法，可以把三维空间中的一条航迹用一行代码表示，还可以由一行代码在三维空间中还原出一条航迹，并且为遗传算法在三维空间内的有效使用搭建一个平台，使遗传算法这个效率高，效果好的优化算法成功应用在三维航迹规划领域。目前遗传算法在二维航迹规划领域应用很广泛，和其他算法相结合已产生了很多技术。本发明提出的编码方法等于说是开放了一个平台，使这些技术可以完美移植到三维航迹规划领域。
【附图说明】
[0038]图1是本发明的空间分割图。
[0039]图2是本发明的编码穿越面示意图。
[0040]图3是本发明的右手定则图。
[0041]图4是本发明的穿越四面体的编码图。
[0042]图5是本发明的未穿越四面体的编码图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0044]本专利
【发明内容】
分为两部分，第一部分为已知的航迹确定编码，第二部分为已知的编码还原航迹，两部分使用的编码理论相同。
[0045](一 )航迹已知，确定编码
[0046]第I步:空间分割
[0047]根据Delaunay三维分割方法，在威胁点位置已知的情况下，把三维空间分割成为不同四面体的集合并且分割后的结果是唯一的；
[0048]第2步:确定穿越面的编码
[0049]经过第I步，空间被分割成不同四面体的集合，空间中所有四面体可分为航迹穿过和航迹未穿过两种，航迹从一个四面体进入另一个四面体时必然要经过一个穿越面，穿越面为一个三角形，有三个顶点，定义穿越面的编码为(O，1，2)，即只有编码为(0，1，2)的面为穿越面，具体0、1、2赋值给穿越面的哪一个顶点可使用右手定则确定:
[0050]右手握拳，竖起大拇指，拇指指向的方向为航迹前进的方向，其他手指旋转的方向为编码数值增大的方向O — I — 2，根据航迹前进的方向，即可确定穿越面的编码，同理，根据穿越面的编码可以确定航迹前进的方向；
[0051]第3步:确定穿越四面体的编码
[0052]空间中所有四面体可分为航迹穿过和航迹未穿过两种，