A novel state transition algorithm with adaptive fuzzy penalty for multi-constraint UAV path planning

计算机科学 约束(计算机辅助设计) 路径(计算) 运动规划 惩罚法 模糊逻辑 数学优化 算法 国家(计算机科学) 人工智能 数学 机器人 几何学 程序设计语言
作者
Xiaojun Zhou,Zhong-Liang Tang,Nan Wang,Chunhua Yang,Tingwen Huang
出处
期刊:Expert Systems With Applications [Elsevier]
卷期号:: 123481-123481
标识
DOI:10.1016/j.eswa.2024.123481
摘要

Unmanned aerial vehicles (UAVs) require pre-planned flight paths that are energy-efficient, safe and smooth across their wide range of application scenarios. In this study, a novel UAV path planning method is proposed. Firstly, the UAV path planning under numerous obstacles is modelled as a continuous constrained optimization problem. The cost function is formulated as a linear combination of length, height variation, and smoothness, while the constraints include obstacle avoidance, height limitation, and the maneuverability of UAV. Subsequently, a novel constrained state transition algorithm with adaptive fuzzy penalty (AFSTA) is proposed to solve the optimization problem. In AFSTA, a novel adaptive fuzzy penalty function is designed to leverage expert knowledge to establish a reasonable mapping relationship from the fitness value and the degree of constraint violation to the penalty factor for a candidate solution. Meanwhile, the state transition algorithm (STA) is used as the search engine for both global and local search. Experimental results illustrate that the proposed method can find energy-efficient, safe, and maneuverable flight paths successfully with the superiority over other state-of-the-art metaheuristic algorithms.
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