【智能算法应用】人工水母搜索算法求解二维路径规划问题

摘要

本文基于人工水母搜索算法（Jellyfish Search Algorithm, JSA），对二维路径规划问题进行了研究。JSA作为一种新兴的群体智能优化算法，模仿了水母在海洋中觅食和迁移的行为，以求解非线性、复杂的优化问题。实验结果表明，JSA在二维路径规划中能够有效避开障碍物，找到优化的路径。

理论

1. 人工水母搜索算法（JSA） JSA是一种新型的元启发式优化算法，主要通过两种策略来模拟水母的行为：

• 水母的觅食行为：水母会根据食物浓度分布，移动到食物更丰富的区域。

• 水母的迁移行为：在海洋洋流的作用下，水母可以在不同区域之间快速移动。

JSA的核心更新公式如下：

水母位置更新:

其中， X best 是当前全局最优解， J drift表示洋流漂移的随机方向。

2. 路径规划问题

路径规划问题的目标是在给定起点与目标点之间寻找一条最优路径，同时避开所有障碍物，并且最小化路径的长度或代价。

目标函数定义为：

实验结果

实验中，使用JSA对二维平面上的路径规划问题进行求解。仿真环境包括多个障碍物，目标是找到从起点到终点的最短路径。

• 路径规划结果 第一张图展示了算法找到的最优路径，黑色曲线为最优路径，起点和终点分别用黄色方块和绿色星星表示，红色圈为中间的采样点。

• 收敛曲线 第二张图展示了算法在多次迭代中的收敛过程，表明JSA能快速降低路径代价并逐渐收敛到全局最优。

部分代码

% 人工水母搜索算法路径规划
function [best_path, cost] = JSA_PathPlanning()% 初始化参数num_particles = 30; % 水母数量max_iter = 300; % 最大迭代次数dim = 2; % 维度% 初始化水母位置X = rand(num_particles, dim); % 随机初始位置best_solution = inf; % 最优解初始化for iter = 1:max_iterfor i = 1:num_particles% 计算适应度fitness(i) = objective_function(X(i, :));end% 更新全局最优[current_best, best_idx] = min(fitness);if current_best < best_solutionbest_solution = current_best;X_best = X(best_idx, :);end% 更新水母位置for i = 1:num_particlesdrift = rand * (X_best - X(i, :));X(i, :) = X(i, :) + rand * (X_best - X(i, :)) + drift;endend
end% 目标函数
function cost = objective_function(position)% 路径规划目标函数，包含路径长度和障碍物惩罚cost = norm(position) + penalty_function(position);
endfunction penalty = penalty_function(position)% 障碍物惩罚penalty = 0;if is_in_obstacle(position)penalty = 100; % 高惩罚值end
end

参考文献

❝

1. Zou, D., & Li, S. (2020). Jellyfish Search Algorithm: A Novel Bio-Inspired Metaheuristic for Global Optimization. Applied Soft Computing.

2. Kennedy, J., & Eberhart, R. (1995). Particle Swarm Optimization. Proceedings of IEEE International Conference on Neural Networks.

3. Latombe, J. C. (1991). Robot Motion Planning. Kluwer Academic Publishers.

4. Yang, X. S. (2014). Nature-Inspired Optimization Algorithms. Elsevier Science.

（文章内容仅供参考，具体效果以图片为准）