Safety-enhanced UAV path planning with spherical vector-based particle swarm optimization

粒子群优化 差异进化 数学优化 计算机科学 元启发式 运动规划 遗传算法 路径(计算) 算法 多群优化 数学 人工智能 机器人 程序设计语言
作者
Manh Duong Phung,Quang Phuc Ha
出处
期刊:Applied Soft Computing [Elsevier BV]
卷期号:107: 107376-107376 被引量:571
标识
DOI:10.1016/j.asoc.2021.107376
摘要

This paper presents a new algorithm named spherical vector-based particle swarm optimization (SPSO) to deal with the problem of path planning for unmanned aerial vehicles (UAVs) in complicated environments subjected to multiple threats. A cost function is first formulated to convert the path planning into an optimization problem that incorporates requirements and constraints for the feasible and safe operation of the UAV. SPSO is then used to find the optimal path that minimizes the cost function by efficiently searching the configuration space of the UAV via the correspondence between the particle position and the speed, turn angle and climb/dive angle of the UAV. To evaluate the performance of SPSO, eight benchmarking scenarios have been generated from real digital elevation model maps. The results show that the proposed SPSO outperforms not only other particle swarm optimization (PSO) variants including the classic PSO, phase angle-encoded PSO and quantum-behave PSO but also other state-of-the-art metaheuristic optimization algorithms including the genetic algorithm (GA), artificial bee colony (ABC), and differential evolution (DE) in most scenarios. In addition, experiments have been conducted to demonstrate the validity of the generated paths for real UAV operations. Source code of the algorithm can be found at https://github.com/duongpm/SPSO.
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