中图分类号:
学校代码:10856
学号:
M020215123
上海工程技术大学硕士学位论文
基于 ROS 的多种群自适应蚁
群算法及其应用研究
评阅人:
韩建民,陈强
答辩委员会
主席:顾辛生
成员:张莉萍,宋万清,李媛媛
杨明来,王宇嘉
作者姓名: 许明乐
指导教师: 游晓明
专 业: 机械电子
学 院:电子电气工程学院
申请学位: 工学硕士
完成时间: 2017 年 11 月
University Code:10856
Student ID:M020215123
MULTI AND ADAPTIVE ANT
COLONY SYSTEM BASED ON
ROS AND ITS APPLICATION
AND RESEARCH
Candidate:
Mingle Xu
Supervisor:
Xiaoming You
Major:
Mechatronic
Engineering
School of Electronic and Electrical Engineering
Shanghai University of Engineering Science
Shanghai, P.R. China
May, 2018
上海工程技术大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:所递交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行
研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任
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贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明
的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
日期: 2018 年 月 日
上海工程技术大学
学位论文版权使用授权书
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保密□,在 年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
(请在以上方框内打“√”)
学位论文作者签名: 指导教师签名:
日期: 年 月 日 日期: 年 月 日
基于 ROS 的多种群自适应蚁群算法及其应用研究
摘 要
移动机器人是提高生产力、解放劳动力,提高人类生活水平的重要手
段;路径规划是移动机器人重要技术之一。蚁群算法是 20 世纪末出现的一
种模仿自然界的智能算法,最先被用于解决 TSP,然后被用来解决多种问
题。本文先从理论方面,研究了蚁群优化算法用于解决 TSP;再从实践方
面,利用蚁群优化算法解决移动机器人路径规划问题。
首先,为了理解蚁群优化算法的基本原理及其经典版本的优秀思想,
本文分析了三种传统和两种较优的蚁群算法。其中,以第一个蚁群算法—
—AS 为对象,论述了从自然界的蚂蚁行为到算法的几个重要特征,包括启
发式信息、信息素增量模型和初始信息素与信息素增量的关系,以及算法
的停滞行为。另外,以 EAS 和 RAS 为对象,分析了算法中多样性和收敛速
度的关系和特性、蚂蚁的探索和开发能力及对应方法。此外,以 ACS 和
MMAS 算法为对象,先以信息素的变化与不同路径上信息素的差别为线索,
单独分析了算法的技术及其特点;再对比分析了这两类优秀算法的特性和
共性;并 得出结论:信息素的限制和初始化对提高多样性有重要作用,利用
当前最优路径对提高算法收敛速度有显著意义。
其次,为了平衡蚁群优化算法在大规模 TSP 中的多样性和收敛速度,
提出了一种启发式协同的异构双种群蚁群算法。启发式协同策略是一种间
接的交流策略;它将一个种群积累的信息素作为另一个种群的启发式,而
不直接参与信息素的更新;因为降低了不同种群信息素表趋同的可能性,
所以有助于算法的多样性。异构双种群有助于平衡算法的多样性和收敛速
度,因为一个子群负责算法的多样性,而另一个子群由自然界中蚁群的自
适应能力得到启发而兼顾收敛速度和多样性。此外,还利用正交设计分析
基本参数的作用,并得到一组优化的参数进行实验;还分析了本算法参数
对性能的影响。在 MATLAB 中的仿真实验说明了本算法对于提高较大规模
问题的性能有一定效果。
最后,针对蚁群算法用于解决移动机器人路径规划时遇到的启发式效
果不足又易使算法陷入局部最优、难以跳出局部最优解的缺陷,提出了一
种基于最大熵的自适应随机蚁群算法。为了提高启发式的效果,设计了一
种等比启发式信息;使得启发式不再与环境有关且保持一定的方向启发效
果;这有利于提高启发式在大规模问题中对算法的指导作用,也有利于维
持算法一定的收敛速度。根据最大熵原理,使得算法随机决定是否使用启
发式;这有利于提高算法前期的多样性。此外,当 检测到算法停滞后,以单
个栅格为对象随机进行局部信息素初始化;既能提高算法跳出局部最优的
能力,又能够保留先前蚂蚁积累的经验。在 MATLAB 中仿真实验证明了改
进算法在机器人路径规划中的有效性。随后,基于 TurtleBot2 机器人及当
前流行的机器人操作系统(ROS)中的插件机制,实现了蚁群算法在实际机
器人路径规划中的应用,证明了改进算法的有效性。
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