汽车安全与节能学报 ›› 2025, Vol. 16 ›› Issue (6): 923-933.DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2025.06.012
收稿日期:2025-06-17
修回日期:2025-09-25
出版日期:2025-12-31
发布日期:2026-01-12
作者简介:张炳力(1968—),男(汉),安徽,教授。E-mail:zhangbingli@hfut.edu.cn。
基金资助:
ZHANG Bingli1(
), ZHANG Zhisen1, ZHANG Yangyang1, LIU An1, XU Yonghua2
Received:2025-06-17
Revised:2025-09-25
Online:2025-12-31
Published:2026-01-12
摘要: 针对传统BI-RRT*存在收敛缓慢和路径随机性过强的问题,提出改进的BI-RRT*算法与进化策略相结合的双阶段优化框架算法GEP_BIRRT。该方法首先对BI-RRT*算法引入柔性边界限制采样范围提高搜索效率,并设计度量函数获得高质量的可行路径;其次,基于遗传算法进行路径优化,以可行路径为中心构建优化区域,设计多目标优化的适应度函数以平衡路径平滑性和安全性得到最终规划路径;最后利用MATLAB软件进行仿真实验。结果表明:在3种不同环境下GEP_BIRRT都具有较好的鲁棒性,相对于Informed-RRT*和传统BI-RRT*,规划时长分别平均减少59.48%和20.08%,规划路径长度分别平均缩短1.26%和1.51%,累计转弯角度分别平均减少32.60%和40.84%,同时能较好地实现动态障碍物的规避,验证了GEP_BIRRT算法的优越性与可行性。
中图分类号:
张炳力, 张智森, 张羊阳, 刘安, 许永华. 基于GA优化与路径扩展启发式采样的BI-RRT*路径规划方法[J]. 汽车安全与节能学报, 2025, 16(6): 923-933.
ZHANG Bingli, ZHANG Zhisen, ZHANG Yangyang, LIU An, XU Yonghua. BI-RRT* path planning method based on GA optimization and path extension heuristic sampling[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2025, 16(6): 923-933.
| Algorithm1: Improved BI-RRT* |
| Require: 起始点Xstart,目标点Xgoal,扩展步长Dstep,连接距离阈值Dthr,偏向概率Pbias等 Return: 可行路径pathbr 1.初始化设置树T1(E1, V1)和T2(E2, V2),将Xstart和Xgoal分别作为两棵树的根节点 2.在地图上按照1.2.1节设置柔性边界,构建改进BI-RRT*算法采样区域 3.选择结构树T1(E1, V1)进行扩展,初始化当前扩展失败次数iternow = 0 4. iternow = iternow + 1,当iternow < itermax时继续步骤5,否则说明树T1(E1, V1)无法扩展,算法终止 5.生成随机概率值Prand,若Prand < Pbias,则选取搜索树T2(E2, V2)根节点作为采样点Xrand,否则在采样区域内随机选取一点作为采样点Xrand 6.根据式结合Xrand,计算得到V1中度量值最优的节点,并将其作为待扩展节点Xparent,向Xrand扩展Dstep距离得到新节点Xnew 7.检测Xnew是否与V1中任一点的距离小于Dthr,或Xnew与Xparent连线是否存在障碍物,若是则返回步骤4,否则对Xnew进行父节点重选和重布线,将Xnew加入V1,并将连接关系存入E1 8.检测Xnew是否与V1中任一点的距离小于Dthr,若是则分别从Xnew和该点按照E1和E2回溯得到路径点集合并存入返回pathbr; 9.交换T1(E1, V1)与T2(E2, V2),返回步骤4。 |
| Algorithm1: Improved BI-RRT* |
| Require: 起始点Xstart,目标点Xgoal,扩展步长Dstep,连接距离阈值Dthr,偏向概率Pbias等 Return: 可行路径pathbr 1.初始化设置树T1(E1, V1)和T2(E2, V2),将Xstart和Xgoal分别作为两棵树的根节点 2.在地图上按照1.2.1节设置柔性边界,构建改进BI-RRT*算法采样区域 3.选择结构树T1(E1, V1)进行扩展,初始化当前扩展失败次数iternow = 0 4. iternow = iternow + 1,当iternow < itermax时继续步骤5,否则说明树T1(E1, V1)无法扩展,算法终止 5.生成随机概率值Prand,若Prand < Pbias,则选取搜索树T2(E2, V2)根节点作为采样点Xrand,否则在采样区域内随机选取一点作为采样点Xrand 6.根据式结合Xrand,计算得到V1中度量值最优的节点,并将其作为待扩展节点Xparent,向Xrand扩展Dstep距离得到新节点Xnew 7.检测Xnew是否与V1中任一点的距离小于Dthr,或Xnew与Xparent连线是否存在障碍物,若是则返回步骤4,否则对Xnew进行父节点重选和重布线,将Xnew加入V1,并将连接关系存入E1 8.检测Xnew是否与V1中任一点的距离小于Dthr,若是则分别从Xnew和该点按照E1和E2回溯得到路径点集合并存入返回pathbr; 9.交换T1(E1, V1)与T2(E2, V2),返回步骤4。 |
| Algorithm2: GEP_BIRRT |
| Require: 可行路径pathbr、种群数量NP、交叉概率pc、最小变异概率pm.min、最大变异概率pm.max等 Return: 优化路径pathopt 1.初始化预先设定的算法参数,对地图每个网格进行坐标与路径点索引转换 2.根据改进BI-RRT*规划得到的可行路径pathbr,按照2.2节所述进行节点扩展,得到优化区域 3.在优化区域内进行种群初始化,得到NP条个体路径组成当前种群 4.综合考虑路径长度、平滑度和碰撞危险度对当前种群每条个体路径Li计算适应度得到Ti 5.按照适应度对当前种群进行锦标赛选择操作,接着以两条个体路径为一组遍历种群,生成随机数prc若小于pc则对该组进行交叉操作,然后根据当前进化次数,对每条路径Li计算得到动态变异概率pm(i, g),生成随机数prm若小于pm(i, g)则对该条路径进行变异操作 6.进化次数增加一次,若进化次数达到最大进化次数Gmax则选取当前适应度最优路径作为pathopt返回,算法终止;否则返回步骤4 |
| Algorithm2: GEP_BIRRT |
| Require: 可行路径pathbr、种群数量NP、交叉概率pc、最小变异概率pm.min、最大变异概率pm.max等 Return: 优化路径pathopt 1.初始化预先设定的算法参数,对地图每个网格进行坐标与路径点索引转换 2.根据改进BI-RRT*规划得到的可行路径pathbr,按照2.2节所述进行节点扩展,得到优化区域 3.在优化区域内进行种群初始化,得到NP条个体路径组成当前种群 4.综合考虑路径长度、平滑度和碰撞危险度对当前种群每条个体路径Li计算适应度得到Ti 5.按照适应度对当前种群进行锦标赛选择操作,接着以两条个体路径为一组遍历种群,生成随机数prc若小于pc则对该组进行交叉操作,然后根据当前进化次数,对每条路径Li计算得到动态变异概率pm(i, g),生成随机数prm若小于pm(i, g)则对该条路径进行变异操作 6.进化次数增加一次,若进化次数达到最大进化次数Gmax则选取当前适应度最优路径作为pathopt返回,算法终止;否则返回步骤4 |
| 实验环境 | 实验算法 | 平均路径长度 | 最优路径长度 | 平均规划时间/ s | 最短用时/ s | 平均总转角/ (°) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 复杂障碍物 | Informed-RRT* | 708.460 | 701.500 | 2.278 | 2.065 | 228.592 |
| BI-RRT* | 711.381 | 702.214 | 1.794 | 1.620 | 317.402 | |
| GEP_BIRRT | 701.074 | 696.673 | 1.857 | 1.573 | 154.147 | |
| 迷宫 | Informed-RRT* | 815.490 | 805.272 | 3.215 | 2.907 | 384.057 |
| BI-RRT* | 820.836 | 804.884 | 1.694 | 1.481 | 421.388 | |
| GEP_BIRRT | 806.318 | 799.392 | 1.806 | 1.442 | 273.355 | |
| 狭窄通道 | Informed-RRT* | 973.051 | 960.308 | 5.492 | 5.087 | 375.659 |
| BI-RRT* | 970.842 | 964.300 | 2.702 | 2.419 | 372.965 | |
| GEP_BIRRT | 958.113 | 953.146 | 1.614 | 1.061 | 238.905 |
| 实验环境 | 实验算法 | 平均路径长度 | 最优路径长度 | 平均规划时间/ s | 最短用时/ s | 平均总转角/ (°) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 复杂障碍物 | Informed-RRT* | 708.460 | 701.500 | 2.278 | 2.065 | 228.592 |
| BI-RRT* | 711.381 | 702.214 | 1.794 | 1.620 | 317.402 | |
| GEP_BIRRT | 701.074 | 696.673 | 1.857 | 1.573 | 154.147 | |
| 迷宫 | Informed-RRT* | 815.490 | 805.272 | 3.215 | 2.907 | 384.057 |
| BI-RRT* | 820.836 | 804.884 | 1.694 | 1.481 | 421.388 | |
| GEP_BIRRT | 806.318 | 799.392 | 1.806 | 1.442 | 273.355 | |
| 狭窄通道 | Informed-RRT* | 973.051 | 960.308 | 5.492 | 5.087 | 375.659 |
| BI-RRT* | 970.842 | 964.300 | 2.702 | 2.419 | 372.965 | |
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