基于Dijkstra-蚁群算法的泊车系统路径规划研究

汽车保有量的急剧增加,致使城市交通拥挤、停 车困难等社会问题不断涌现,严重影响了市民的居 住环境,因此,停车难已成为社会亟待解决的难题. 而基于自动导引小车(AGV)的平面移动式智能停 车库凭借占地面积少、有效停车数量多以及智能化 程度高等优点而备受社会各界广泛关注.研究平面 移动式智能停车库的核心,就是要解决 AGV 存取 车路径规划问题.车库路径规划的主要目的是让 AGV运行在有障碍物的未知环境中,根据某些评 价标准(如最短时间、最短距离或最少转弯次数),寻 找一条从预存停车位到目标停车位的最优无碰路 径,确保车辆在最短时间内完成存取,提高停车位利 用率,减少存取车等待时间,实现停车设备自动化管 理.针对路径规划问题,国内外学者已对其进行了深 入研究,并相继提出了多种算法,主要有可视图法、 图搜索法以及人工势场法等.随着智能算法的不断 发展, Dijkstra算法、 A*算法、遗传算法、粒子群算法 以及蚁群算法等也被广泛用于解决各领域路径规划 问题 [1 -2].

Dijkstra算法是一种典型的单源最短路径算 法,因其采用遍历搜索方式求解最短路径,故得到的 最短路径往往具有可靠性高、鲁棒性好的特点,但也 存在时间复杂度高、搜索效率低、占用内存大等缺 陷 [3].蚁群算法是一种新型的仿生算法,该算法凭借 并行性、强鲁棒性、全局最优以及易与其他启发式算 法相结合等优点,被广泛用于解决TSP问题、路由 问题、二次分配问题以及车间调度问题等,并取得了 不错的效果 [4 -9].Johnson等 [2]研究了蚁群算法中信 息素对车辆路径选择的影响,仿真结果显示在允许 时间范围内,蚁群算法可有效解决逆向物流车辆路 径规划问题;康冰等 [4]将折返蚂蚁策略应用到蚁群 算法中,极大地提高了算法的收敛速度;黄震等 [8]将 蚁群算法和遗传算法进行了有效融合,通过将时间 窗因素引入蚁群算法来产生初始种群,然后由遗传 算法对其进行交叉和变异操作,得到了更优路径; Chaari等 [9]针对机器人在静态环境中的路径规划问 题,提出将蚁群算法与遗传算法进行有效结合,并通 过仿真实验验证了算法的可行性和有效性;王美珍 等 [10]将粒子群算法和蚁群算法进行了有效融合,极 大地提高了算法的搜索效率,缩短了路径长度;何少 佳等 [11]利用 Dijkstra算法的优点对蚁群算法进行 了改进,解决了逃生路径规划问题.

针对 AGV 存取车路径规划问题,将 Dijkstra 算法和蚁群算法的优点结合起来,提出一种基于Dijkstra -蚁群(ACO)的混合算法.利用链接可视图 法建立环境模型,采用 Dijkstra算法规划出 AGV 的初始路径,通过节点随机选择机制及信息素局部 更新和全局更新相结合的方式对基本蚁群算法进行 优化改进,然后选用改进的蚁群算法对初始路径进 行优化,并通过仿真测试验证混合算法的可行性和 有效性.

1 问题描述及环境建模

1.1 问题描述

为实现算法在 AGV 路径规划中的应用,须对 运行环境作如下假设 [12]: 1)假设 AGV运行环境为 二维有限空间; 2)假设图中障碍物已知,位置确定, 以不规则多边形表示,且忽略其高度方向; 3)假设 AGV在运行环境中匀速行驶,忽略 AGV 的启动、 转向、制动以及液压系统举升操作等因素; 4)以 AGV实际尺寸为基准,适当扩大障碍范围,为便于 仿真,将 AGV视为质点.

1.2 环境建模

利用 AGV自带的摄像头、雷达传感器及红外 传感器等采集AGV运行环境信息,其包括AGV的 起始车位、目标车位、障碍物以及 AGV待充电位置 等,根据上述信息通过链接可视图法创建 AGV 运行环境模型.图1 所示为采用链接可视图法在 MATLAB环境下创建的环境模型,模型规格为250m×250m,模型用6个黑色凸多边形表示障碍物区 域.图中各障碍物区域以及边界区域顶点之间的虚 线为自由链接线,黑色实线为 AGV的可行路径,以V开头的序列数代表各链接线的中点, S和T为AGV的起点和终点位置.

图1 agv二维工作环境模型

图1 agv二维工作环境模型

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