在python中,使用生物激励神经网络算法进行水下AUV路径规划和避障算法设计

时间: 2024-02-13 14:03:20 浏览: 33
生物激励神经网络算法可以用于水下AUV的路径规划和避障算法设计。下面是一个简单的示例代码: ```python import numpy as np import math class BiologicalRL: def __init__(self, input_size, output_size, alpha=0.1, gamma=0.9, epsilon=0.1): self.input_size = input_size self.output_size = output_size self.alpha = alpha # 学习率 self.gamma = gamma # 折扣因子 self.epsilon = epsilon # 探索概率 # 初始化权重矩阵 self.weights = np.random.rand(input_size, output_size) def predict(self, state): q_values = np.dot(state, self.weights) return np.argmax(q_values) def train(self, state, action, reward, next_state, done): # 计算预测值和目标值 q_values = np.dot(state, self.weights) q_value = q_values[action] next_q_values = np.dot(next_state, self.weights) next_q_value = np.max(next_q_values) target = reward + self.gamma * next_q_value * (1 - done) # 更新权重矩阵 delta = target - q_value self.weights[action] += self.alpha * delta * state def act(self, state): if np.random.rand() < self.epsilon: return np.random.randint(self.output_size) else: return self.predict(state) class AUV: def __init__(self, n_states, n_actions): self.n_states = n_states self.n_actions = n_actions self.current_state = None self.current_action = None self.current_reward = None self.next_state = None self.done = False self.q_table = BiologicalRL(n_states, n_actions) def get_state(self, sensor_data): """ 获取状态 """ state = np.zeros(self.n_states) state[0] = sensor_data[0] # 水温 state[1] = sensor_data[1] # 水深 state[2] = sensor_data[2] # 水流速度 state[3] = sensor_data[3] # 声呐数据 state[4] = sensor_data[4] # AUV当前位置 return state def get_reward(self, sensor_data): """ 获取奖励 """ reward = -1 # 默认奖励为-1 if sensor_data[0] > 25: # 如果水温过高,奖励减少 reward -= 1 if sensor_data[1] < 10: # 如果水深过浅,奖励减少 reward -= 1 if sensor_data[2] > 5: # 如果水流速度过快,奖励减少 reward -= 1 if sensor_data[3] < 2: # 如果声呐数据异常,奖励减少 reward -= 1 if sensor_data[4] > 100: # 如果AUV距离目标过远,奖励减少 reward -= 1 if sensor_data[4] < 10: # 如果AUV距离目标过近,奖励减少 reward -= 1 return reward def act(self, sensor_data): """ AUV行动 """ state = self.get_state(sensor_data) action = self.q_table.act(state) self.current_state = state self.current_action = action return action def update(self, sensor_data): """ 更新Q值 """ next_state = self.get_state(sensor_data) reward = self.get_reward(sensor_data) self.current_reward = reward self.next_state = next_state self.q_table.train(self.current_state, self.current_action, reward, self.next_state, self.done) self.current_state = self.next_state def stop(self): self.done = True class Environment: def __init__(self): self.width = 1000 # 模拟环境宽度 self.height = 1000 # 模拟环境高度 self.target_x = self.width/2 # 目标点x坐标 self.target_y = self.height/2 # 目标点y坐标 self.obstacles = [(300, 300, 100), (500, 500, 150), (700, 200, 80)] # 障碍物列表 self.auv = AUV(5, 4) # 创建AUV对象 def get_sensor_data(self): """ 获取传感器数据 """ x, y = self.get_auv_pos() water_temp = self.get_water_temp(x, y) water_depth = self.get_water_depth(x, y) water_flow_speed = self.get_water_flow_speed(x, y) sonar_data = self.get_sonar_data(x, y) return (water_temp, water_depth, water_flow_speed, sonar_data, self.get_distance_to_target(x, y)) def get_auv_pos(self): """ 获取AUV当前位置 """ return (500, 500) # 暂时固定AUV位置 def get_water_temp(self, x, y): """ 获取水温 """ return 20 # 暂时固定水温 def get_water_depth(self, x, y): """ 获取水深 """ return 50 # 暂时固定水深 def get_water_flow_speed(self, x, y): """ 获取水流速度 """ return 2 # 暂时固定水流速度 def get_sonar_data(self, x, y): """ 获取声呐数据 """ return 3 # 暂时固定声呐数据 def get_distance_to_target(self, x, y): """ 获取AUV到目标点的距离 """ return math.sqrt((x - self.target_x)**2 + (y - self.target_y)**2) def is_obstacle(self, x, y): """ 判断是否碰撞到障碍物 """ for obstacle in self.obstacles: dist = math.sqrt((x - obstacle[0])**2 + (y - obstacle[1])**2) if dist < obstacle[2]: return True return False def is_reached_target(self, x, y): """ 判断是否到达目标点 """ dist = math.sqrt((x - self.target_x)**2 + (y - self.target_y)**2) return dist < 10 def run(self): """ 运行模拟环境 """ for i in range(1000): sensor_data = self.get_sensor_data() # 获取传感器数据 action = self.auv.act(sensor_data) # AUV行动 x, y = self.get_auv_pos() if action == 0: # 向上移动 y -= 10 elif action == 1: # 向下移动 y += 10 elif action == 2: # 向左移动 x -= 10 elif action == 3: # 向右移动 x += 10 if self.is_obstacle(x, y): # 碰撞到障碍物 self.auv.stop() elif self.is_reached_target(x, y): # 到达目标点 self.auv.stop() else: self.auv.update(sensor_data) # 更新Q值 ``` 这个代码实现了一个简单的模拟环境,其中包括了AUV、环境、障碍物和目标点。AUV通过获取传感器数据来获取环境信息,然后根据Q-learning算法来选择下一个动作。在每个时间步中,AUV会获取传感器数据、选择动作、更新Q值。如果碰撞到障碍物或到达目标点,AUV会停止运动。

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