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An efficient coverage path planning method for UAV in complex concave regions

计算机科学 运动规划 水准点(测量) 地形 数学优化 路径(计算) 旅行商问题 钥匙(锁) 蚁群优化算法 粒子群优化 蚁群 正多边形 匹配(统计) 群体行为 资源配置 机器人 路径长度 平面图(考古学) 凸优化 适应性策略
作者
Wenxing Wu,Zhigang Wang,Lianhai Lin,Xin Chang,Liqin Tian
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 37227-37227
标识
DOI:10.1038/s41598-025-20978-8
摘要

In fields like land assessment and disaster relief, the use of unmanned aerial vehicles has become increasingly prevalent. Path planning remains a key challenge for achieving comprehensive coverage of complex areas, combining elements of the Traveling Salesman Problem (TSP) and Coverage Path Planning (CPP), referred to as the TSP-CPP problem. This study introduced an innovative method that employs Particle Swarm Optimization (PSO) to decompose the target area into convex subregions, simplifying intricate concave areas into manageable convex components, thus reformulating the issue as a TSP. We then proposed an enhanced Ant Colony Optimization (ACO) algorithm, termed FA3ACO, which integrates fractional-order strategies, adaptive pheromone evaporation mechanisms, and 3-opt strategies to address the reformulated TSP efficiently. Experimental results showed that the proposed FA3ACO algorithm performs well on standard benchmark functions, consistently finding optimal solutions. Two simulation experiments, conducted in environments with different terrain complexities, confirm the effectiveness of the PSO-FA3ACO framework, achieving maximum coverage with optimized path lengths and minimizing invalid paths. This research offers a robust solution for autonomous UAV-based reconnaissance, highlighting its potential to improve operational efficiency and offering theoretical insights and technical advancements for future applications in UAVs.
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