基于改进蚁群算法的农业机器人多田块路径规划方法与试验

[目的]针对丘陵地区因田块碎片化和障碍物影响农业机器人作业的情况,提出一种基于改进蚁群算法和A算法相结合的多田块路径规划方法。[方法]通过无人机构建农田遥感影像,利用栅格法对农田进行环境建模,再进行子区的划分与合并,在蚁群算法中引入区域启发函数,对不同区域内的移动代价作区分,通过人工增加最优路径中的信息素浓度并建立自适应信息素挥发系数,对信息素更新方法进行改进,以此求解作业子区间的最优遍历顺序,利用具有启发式搜索功能的A算法进行子区连接路径规划,最终实现多田块路径规划。[结果]MATLAB仿真试验结果表明,在子区数量为40时,采用改进蚁群算法进行规划的平均路径长度比传统的蚁群算法减少了3.19%,平均迭代收敛次数减少了79.5%;在路径遍历仿真试验中,农业机器人遍历路径覆盖率能达到100%,路径重复率为6.48%。利用农田无人机遥感影像和田间作业参数进行自然环境的仿真试验,进一步验证了该方法的有效性。[结论]本研究提出的方法能有效解决丘陵地区农业机器人多田块路径规划问题,可为丘陵地区农业机器人大面积作业提供路径参考与技术支持。

基于相对强度算法和参数遍历试验的地震预测回溯性检验——以中国川滇地区为例

探索地震活动的时空分布对于地震风险评估,尤其是对于中国川滇地区这样的地震频发区和强震危险区而言具有重要意义。相对强度算法(RI)基于统计学理论,使用过去的地震强度评估预测同一地点的未来地震强度。其原理简单,已多次在国内外强震预测的实践应用中取得了良好的效果。目前,经过多年的发展完善,该方法的预测性能愈加突出。为了辅助川滇地区的地震活动性预测工作,文中使用相对强度算法(RI)和参数遍历试验(PTT)进行了全面的参数分析,深入研究了RI算法在中国川滇地区的适用性,结果表明:由于参数选择合理(包括网格大小、异常学习时间窗长度、预测时间窗起始时间和预测时间窗长度),RI和PTT的组合研究表现出了明显优于随机猜测的预测效果,揭示了川滇地震危险区地震预测的有效参数区间。相对强度算法能够对川滇地区的地震活动进行预测,文中成果丰富了地震危险区地震趋势预测的参考依据。

基于图结构的空间同位模式挖掘

空间同位模式反映了不同地理要素分布的依存关系,是地理学第一定律的体现,也符合空间大数据分析重在揭示事物关联特征的目标。空间同位模式挖掘需要顾及空间分布耦合机制,探测空间邻近关系及基于支持度等指标分析高频共生模式。现有方法多在判定邻近关系的同时搜索共生模式,导致在挖掘高阶共生模式时需要实时修正几何邻近关系,在复杂系统下丧失计算过程的灵活性。考虑到图数据蕴含的拓扑连接信息与空间同位模式相契合,本文提出一种基于图结构的空间同位模式挖掘方法。该方法一步完成几何上的邻近关系探测,然后在图数据库中通过子图搜索完成逻辑上的同位模式判别。首先,基于Delaunay三角网构建自适应邻接图,利用自适应邻接过滤器删除无效连接。然后,通过候选子图的不断连接、剪枝、生长,逐步从N元递推获取N+1元候选同位模式。最后,通过计算支持度指标并与预定义阈值比较以确定空间同位模式。本文基于不断生长迭代的图遍历思想提升了空间同位模式挖掘面向更复杂的空间场景的普适性。试验表明本文方法具备高效的挖掘能力,相较传统算法,在多元空间同位模式的挖掘任务中效果更优。

复杂三维CAD装配模型特征信息提取技术研究

针对飞机、大型输送机等复杂三维CAD装配模型具有装配零件多,配合复杂,在提取装配体特征信息过程中,有信息提取不完整、深度不够的问题,提出一种复杂产品装配特征信息提取的方法,该方法以CATIA软件为平台,采用构件的应用编程(Component Application Architecture,CAA),二次开发快速提取特征信息功能。结合多叉树前序列遍历思想,深度优先搜索的算法,逐层深入,可以完整提取多层嵌套的复杂装配体的配合和约束信息,充分利用复杂三维CAD装配模型特征信息,更有力的支持装配工艺规划。同时,通过选择输送某种民航飞机机翼的输送机为例,验证此方法的可行度。

Application of Genetic Algorithm in Estimation of Gyro Drift Error Model

Extended Kalman Filter(EKF)algorithm is widely used in parameter estimation for nonlinear systems.The estimation precision is sensitively dependent on EKF’s initial state covariance matrix and state noise matrix.The grid optimization method is always used to find proper initial matrix for off-line estimation.However,the grid method has the draw back being time consuming hence,coarse grid followed by a fine grid method is adopted.To further improve efficiency without the loss of estimation accuracy,we propose a genetic algorithm for the coarse grid optimization in this paper.It is recognized that the crossover rate and mutation rate are the main influencing factors for the performance of the genetic algorithm,so sensitivity experiments for these two factors are carried out and a set of genetic algorithm parameters with good adaptability were selected by testing with several gyros’experimental data.Experimental results show that the proposed algorithm has higher efficiency and better estimation accuracy than the traversing grid algorithm.

基于改进A^(*)算法和DFS算法的割草机器人遍历路径规划

针对割草机器人大面积作业时遍历路径规划覆盖率低、重复率高、普适性弱的问题,提出一种改进A^(*)算法与DFS算法相结合的遍历路径规划算法。首先,根据已知环境全局信息,通过牛耕式分解法将目标区域划分成多个不含障碍物的子区域;然后,根据子区域的邻接关系构建无向图,使用DFS算法规划子区域的遍历顺序;最后,采用改进A^(*)算法进行跨区域路径转移并且往复式遍历各子区域的内部。仿真试验结果表明:该遍历算法的覆盖率达到100%,遍历重复率为0,改进A^(*)算法所规划的跨区域转移路径长度和转向次数比A^(*)算法分别减少3.26%和62.5%。所提出的遍历算法具有覆盖率高、重复率低、普适性强的特点,改进A^(*)算法通过路径平滑性优化和添加防碰撞安全间距对A^(*)算法进行改进,使之规划的路径更平滑、更安全,路径长度更短。该研究结果旨在为割草机器人遍历路径规划提供理论参考。

基于二分法和控制信息素量的改进蚁群算法

为弥补蚁群算法易陷入局部最优、收敛速度较慢等不足,提出一种基于二分法和控制信息素量的改进蚁群算法。在每次迭代结束时,利用二分法放弃行走路程较远的半数蚁群的信息素,使收敛速度得到提高;利用3-opt局部优化方法提高解的精度;通过控制信息素量动态调整蚁群选择路径的概率,避免算法早熟;将改进的算法应用于旅行商问题。实验结果表明,该算法在寻优能力、可靠性、收敛速度以及稳定性方面均表现出明显的优越性。

基于区间比较的适宜渔获环境条件的确定方法

为进一步诠释渔场学之“适宜环境条件”准确定义,提高渔场预报的精准度,以2013年上半年和2014年上半年赴南沙生产的灯光罩网船的鸢乌贼(Symplectoteuthis oualaniensis)生产数据为例,采用保本产量值为前提基准,设计了基于A、B两区间比较的遍历搜索算法,比较了最大μA、最大A区间累计产量占比、最大A区间作业频次占比、最大优选指数等4个区间择出标准的差异。结果表明:是否设定保本产量值对区间比较搜索结果影响显著,最大优选指数是4个区间择出标准中最值得推荐的择区标准,因为它在相对窄的区间内择出了日产量均值、A区产量占比和A区频次占比最大的最优组合。研究结果确认了应对“适宜环境条件”的定义进行限定,精确到“某海域某渔具某鱼种的渔场适宜环境条件”,避免与生态学上的相近概念混淆,并从生产实践角度为改善渔场预报提供了一个新视角。

基于数字化技术的明代官式建筑快速建模研究

提出了一种借助少量考古信息的明代官式建筑的快速建模方法,首先依据明代官式建筑的营造法式总结出明代官式建筑的营造规则,分析考古参数对建筑型制等级规则、构件参数、构件属性约束及营造规则的影响;根据用户设置的参数构造以所有建筑构件为节点的参数强连通图,使用广度优先遍历算法遍历图中的全部节点并进行节点间的规则判断,得到符合规则的有向无环图拓扑序列,实现明代官式建筑的快速智能重建;最后以安徽省凤阳县明中都皇城遗址为例进行建模。该方法无需用户具备明代官式建筑领域知识,就能够快速、高效地重建出理想的明代官式建筑模型。

盾构下穿施工对高速铁路无砟轨道变形影响的解析算法及验证

为更准确地反映盾构施工扰动下高速铁路无砟轨道的变形,采用给出假定、公式推导、数值验证相结合的方法:(1)将路基-轨道的变形传递假定为3个阶段,即无变形阶段、沉降槽形成阶段、轨道下沉阶段,认为轨道结构最终是否发生脱空取决于路基沉降槽的大小;(2)基于假定,结合梁的挠曲线方程、弹性地基梁理论以及Peck公式推导相应的解析计算方法,并应用在典型地层条件中计算上部CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道的最大沉降值;(3)建立相应的地层-路基-轨道三维数值模型,计算轨道最大沉降值,并与同工况下的解析计算结果进行比较。结果表明,相较于数值仿真结果,主体砂卵石、主体泥岩2种地层条件下轨道最大沉降值的解析计算结果误差分别为12%和5%,说明了假定的合理性和解析方法的可行性。

基于可通行度估计的无人履带车辆路径规划

针对现有路径规划方法对地形特征考虑不足的问题,以无人履带车辆为研究对象,提出一种基于可通行度估计的路径规划方法。基于卷积长短期记忆(Conv LSTM)网络,从连续轨迹上提取激光雷达点云的空间特征和时间关联特征,融合车辆运动特征,估计地形可通行度。基于地形可通行度,改进A算法的节点扩展方式和代价函数,输出满足无碰撞约束和低可通行代价的离散路点;使用无梯度迭代平滑算法减小路径松弛度和可通行度代价;再使用三次B样条曲线对离散路径进行拟合,输出平滑参考路径。以参考路径建立Frenet坐标系,构建基于可通行度代价的安全走廊,在满足无碰撞约束、低可通行度代价的前提下,在走廊内生成满足车辆运动学约束的平滑路径。试验结果表明,所提出的方法能够充分考虑地形特征,提升路径规划结果的稳定性和可通行性。

属性公平的异质信息网络上的社区搜索算法

近年来,异质信息网络上的社区搜索问题已经吸引了越来越多的关注,而且被广泛应用在图数据分析工作中.但是现有异质信息网络上的社区搜索问题都没有考虑子图上属性的公平性.将属性的公平性与异质信息网络上的kPcore挖掘问题相结合,提出了基于属性公平的异质信息网络上的极大core挖掘问题.针对该问题,首先提出了一个子图模型FkPcore.当对FkPcore进行枚举时,基础算法Basic-FkPcore遍历了所有路径实例,并枚举了大量k Pcore及其子图.为了提高算法效率,提出了Adv-FkPcore算法,以避免在枚举FkPcore时对所有的kPcore及其子图进行判断.另外,为了提高点的P_neighbor的获取效率,提出了结合点标记的遍历方法(traversalmethod with vertex sign, TMS),并基于TMS算法提出了FkPcore枚举算法Opt-FkPcore.在异质信息网络数据集上进行的大量实验证明了所提方法的有效性和效率.

基于Floyd和改进遗传算法的丘陵地区农田遍历路径规划

[目的/意义]本研究针对丘陵地区的农田环境下农业机器人遍历多个田块的遍历路径问题,提出了一种Floyd算法与改进遗传算法相结合的遍历路径规划方法。[方法]首先建立田块间的连通关系以及路网图;然后利用Floyd算法获得任意两个田块间覆盖路径端点距离,再将该距离代价作为变量带入改进遗传算法进行求解,最终得到优化后的田块遍历顺序以及每个田块的进出口分布。[结果和讨论]仿真结果表明,与传统遗传算法相比,本研究提出的改进遗传算法平均最短路径缩短13.8%,算法收敛迭代次数更少,并表现出较好的跳出局部最优解的能力。利用真实的农田数据和田间作业参数进行仿真试验,通过本研究方法得到的田块遍历顺序和进出口的排布能够有效地减少转移路径的长度和路径的重复率。[结论]本研究在农机多田块遍历路径规划上的优越性和可行性,算法输出的轨迹坐标能为农机驾驶员或无人农机在大面积作业时提供路径参考。本研究可为农业机器人遍历路径规划提供技术支持。

基于无序导线数据的井巷三维自动建模新方法及其应用

提出一种基于无序导线数据自动提取井巷结点的井巷三维自动建模方法,克服了现有井巷建模方法存在的原始导线数据提取复杂,具有复杂斜坡道、竖井、多水平井巷难以进行数据集成,无法同步建模等问题。首先提出基于Bentley-Ottmann算法的三维空间线段求交算法,获取三维井巷各类结点单元信息;然后根据所求结点单元使用广度优先遍历算法进行标准化井巷网络图构建,形成井巷结点单元的空间几何结构;最后通过中线结点单元信息及邻接矩阵数据集,采用多源画线框算法构建基本三维井巷模型,并利用布尔运算技术处理井巷交岔点、竖井、斜坡道等复杂建模情况。结果表明:该算法可以通过无序导线快速生成任意方位三维井巷模型,并结合多源画线框算法与布尔运算算法的优点提高了井巷结点建模连通性处理的速度和效果。本文的研究成果已经在甘肃某矿区采场稳定性安全监测平台得到应用,其自动化生成的井巷模型能够为安全监测数据分析提供实时的可视化信息服务。

利用LEO卫星的最小误差矢量合成定位算法

针对利用低地球轨道(LEO)卫星信号进行多普勒定位时,由于缺乏定位误差矢量相关研究而使定位精度较差的问题,对多普勒定位误差矢量特性进行系统性的分析并提出一种最小定位误差矢量合成优化算法:以初始定位结果为中心划定区域网格,计算依次去除各颗卫星后定位误差向量在该卫星速度方向上的投影误差模之和;遍历所有网格,搜索投影误差模之和最大的位置网格作为优化的定位结果。实验结果表明:提出的算法的定位结果误差均值与均方根误差(RMSE)均有减小,其三维定位精度可提升40%以上。

基于改进BINN算法的煤矿巷道断面截割轨迹规划

在煤炭开采前,需要用掘进机对煤岩混合体进行开掘钻进,形成满足煤炭开采条件的巷道环境。巷道是在一次次的断面截割成型工作基础上形成的,在每一次断面截割成型工作开始之前,需要根据待截割断面情况预先规划好将采用何种截割轨迹对断面进行截割,传统的断面截割成型工作仅考虑采用类S型截割轨迹对巷道断面进行全覆盖无差别截割,掘进机截割头经常会截割到煤岩断面内的大块夹矸,造成一定的截齿损耗,由于需要经常更换截齿,导致整体截割效率并不高。为了解决这个问题,可以在对待截割巷道断面环境进行栅格法建模的前提下,采用改进BINN算法进行截割轨迹规划,使所规划截割轨迹避开断面内存在的大块夹矸,在此基础上实现截割轨迹对断面内煤层区域的全遍历覆盖。经仿真实验证明,该方法所规划的截割轨迹能够满足断面成型要求;采用所规划截割轨迹对断面进行截割能够提升截割效率、降低截割能耗。

基于网格化处理与遍历搜索算法的多波束测深模型

针对多波束测深问题,根据不同维度和地形情况,研究相应最佳的测船布线路径。对于二维平面,运用正弦定理建立二维平面多波束测深的覆盖宽度(即相邻条带间重叠率)数学模型;对于三维空间,建立空间直角坐标系,建立三维立体空间多波束测深覆盖宽度数学模型;对于指定区域,将待测海域网格化,采用遍历搜索法建立最短测线总长度的目标规划模型;对于未知区域,应用克里格插值法还原地貌,并根据等深线划分相似区域,建立以漏测面积、坡度变化量为目标的多目标规划模型。

基于改进自适应遗传算法的掘进机截割轨迹规划方法

针对掘进机在煤岩混杂的截割环境下路径覆盖率较低以及能耗较大的问题,提出一种基于改进自适应遗传算法的掘进机全覆盖轨迹规划方法。在3种不同的栅格环境下进行了仿真实验,结果表明,该算法与传统遗传算法相比,截割轨迹长度和重复遍历栅格数明显减少,可有效提高掘进机的工作效率。

基于深度优先的铁路站场图遍历算法研究

对车站站场图的遍历大多是通过将站场中各个设备的连接方式转换成站场拓扑模型,并将车站设备抽象分为图中节点存储。这样进路的搜索问题就转换成了在图中搜索路径的问题。本文以计算机图论为基础,建立基于铁路站场结构的拓扑模型,结合站场实际情况与图的深度优先搜索算法思路,提出一种基于邻接矩阵的连续遍历站场的算法,提高了遍历效率。