遗传算法之路径规划matlab代码（栅格地图）含详细注释
遗传算法本人在另一篇博文中已经有记载，本次将遗传算法用于路径规划的代码记录于此，用于大家一起学习 一起进步，如果有用，欢迎点赞。
1.基于遗传算法的栅格法机器人路径规划main.m
% 基于遗传算法的栅格法机器人路径规划
%jubobolv369
clc;
clear;
% 输入数据,即栅格地图.20行20列
Grid= [0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0;
0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0;
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0;
0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0;
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0;
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0;
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0];
start_num = 0; % 起点编号
end_num = 399; % 终点序号
NP = 200; % 种群数量
max_gen = 50; % 最大进化代数
pc = 0.8; % 交叉概率
pm = 0.2; % 变异概率
a = 1; % 路径长度比重
b = 7; % 路径顺滑度比重
z = 1;
new_pop1 = {}; % 元胞数组，存放路径
[y, x] = size(Grid);
% 起点所在列（从左到右编号1.2.3...）
start_column = mod(start_num, x) + 1;
% 起点所在行（从上到下编号行1.2.3...）
start_row = fix(start_num / x) + 1; %Y = fix(X) 将 X 的每个元素朝零方向四舍五入为最近的整数
% 终点所在列、行
end_column = mod(end_num, x) + 1;
end_row = fix(end_num / x) + 1;
%% 种群初始化step1，必经节点,从起始点所在行开始往上，在每行中挑选一个自由栅格，构成必经节点
pass_num = end_row - start_row + 1; %每条路径的节点个数
pop = zeros(NP, pass_num);%生成种群数量*节点个数的矩阵，用于存放每个个体的路径
for i = 1 : NP %每个个体（每行）循环操作：
pop(i, 1) = start_num; %每行第一列都为起点(存入起点的编号)
j = 1;
% 此for循环用于寻找除去起点和终点所在行以外每行中的自由栅格
for row_i = start_row+1 : end_row-1 %栅格的第二行到倒数第二行循环
j = j + 1;
% 存放栅格里当前行中的自由栅格序号
free = [];
for column_i = 1 : x %从第一列到第二十列中
% 栅格对应的序号
num = (column_i - 1) + (row_i - 1) * x;
% 如果该栅格为非障碍物
if Grid(row_i, column_i) == 0
% 把此栅格的编号加入free矩阵中
free = [free num];
end
end % 栅格一行里的自由栅格查询结束，自由栅格的编号存在了向量中
free_num = length(free);
% 产生小于等于本行自由栅格数量的一个随机整数
index = randi(free_num); %X = randi(imax) 返回一个介于 1 和 imax 之间的伪随机整数标量。
% 将栅格中当前行的自由栅格矩阵free中第index个栅格编号作为当前种群的第j个节点
pop(i, j) = free(index);
end %该个体的每一行的路径节点产生完成,存入了pop的第i行中
pop(i, end) = end_num; %pop的每行第最后一列都为终点(存入终点的编号)
%% 种群初始化step2将上述必经节点联结成无间断路径
single_new_pop = generate_continuous_path(pop(i, :), Grid, x);
if ~isempty(single_new_pop)%如果这一行种群的路径不是空的，将这行路径存入元胞数组中。
new_pop1(z, 1) = {single_new_pop};
z = z + 1;
end
end
%% 计算初始化种群的适应度
% 计算路径长度
path_value = cal_path_value(new_pop1, x);
% 计算路径平滑度
path_smooth = cal_path_smooth(new_pop1, x);
fit_value = a .* path_value .^ -1 + b .* path_smooth .^ -1;
mean_path_value = zeros(1, max_gen);
min_path_value = zeros(1, max_gen);
%% 循环迭代操作
for i = 1 : max_gen
% 选择操作
new_pop2 = selection(new_pop1, fit_value);
% 交叉操作
new_pop2 = crossover(new_pop2, pc);
% 变异操作
new_pop2 = mutation(new_pop2, pm, Grid, x);
% 更新种群
new_pop1 = new_pop2;
% 计算适应度值
% 计算路径长度
path_value = cal_path_value(new_pop1, x)
% 计算路径平滑度
path_smooth = cal_path_smooth(new_pop1, x)
fit_value = a .* path_value .^ -1 + b .* path_smooth .^ -1
mean_path_value(1, i) = mean(path_value);
[~, m] = max(fit_value);
min_path_value(1, i) = path_value(1, m);
end
%% 画每次迭代平均路径长度和最优路径长度图
figure(1)
plot(1:max_gen, mean_path_value, 'r')
hold on;
title(['a = ', num2str(a)', '，b = ',num2str(b)','的优化曲线图']);
xlabel('迭代次数');
ylabel('路径长度');
plot(1:max_gen, min_path_value, 'b')
legend('平均路径长度', '最优路径长度');
min_path_value(1, end)
% 在地图上画路径
[~, min_index] = max(fit_value);
min_path = new_pop1{min_index, 1};
figure(2)
hold on;
title(['a = ', num2str(a)', '，b = ',num2str(b)','遗传算法机器人运动轨迹']);
xlabel('坐标x');
ylabel('坐标y');
DrawMap(Grid);
[~, min_path_num] = size(min_path);
for i = 1:min_path_num
% 路径点所在列（从左到右编号1.2.3...）
x_min_path(1, i) = mod(min_path(1, i), x) + 1;
% 路径点所在行（从上到下编号行1.2.3...）
y_min_path(1, i) = fix(min_path(1, i) / x) + 1;
end
hold on;
plot(x_min_path, y_min_path, 'r')
2.将必经节点联结成无间断路径，如果结点间不连续，则插入节点使其连续generate_continuous_path.m
% 将必经节点联结成无间断路径，如果结点间不连续，则插入节点使其连续。
%jubobolv369
function [single_new_pop] = generate_continuous_path(single_pop, Grid, x)
i = 1;
single_new_pop = single_pop; %传入的某行的初始路径，有20个路径节点
[~, single_path_num] = size(single_new_pop);
%遍历该行的所有节点，使其连续
while i ~= single_path_num
%%定位第i、i+1个节点的坐标
% 路径中第i个栅格在地图的列（从左到右编号1.2.3...）
column_now = mod(single_new_pop(1, i), x) + 1;
% 路径中第i个栅格在地图的行（从上到下编号行1.2.3...）
row_now = fix(single_new_pop(1, i) / x) + 1;
% 路径中第i+1个栅格在地图的列、行
column_next = mod(single_new_pop(1, i + 1), x) + 1;
row_next = fix(single_new_pop(1, i + 1) / x) + 1;
% 初始化最大迭代次数
max_iteration = 0;
%% 判断点i和i+1是否连续,若不连续插入值(如果前后两节点的X坐标与Y坐标的差中较大值不等于1，说明不连续)
while max(abs(column_next - column_now), abs(row_next - row_now)) ~= 1
%取两节点的中点作为插入点,见forGA_word.xls-sheet1
%插入点的横坐标 x_insert，纵坐标 y_insert
x_insert = floor((column_next + column_now) / 2);%Y = floor(X) 将 X 的每个元素四舍五入到小于或等于该元素的最接近整数。
y_insert = floor((row_next + row_now) / 2);
% 插入栅格为自由栅格
if Grid(y_insert, x_insert) == 0
% 插入的栅格序号
num_insert = (x_insert - 1) + (y_insert - 1) * x;
% 插入新序号（将当前的栅格序号中间插入一个新栅格序号 其他保持不变）
single_new_pop = [single_new_pop(1, 1:i), num_insert, single_new_pop(1, i+1:end)];
% 插入栅格为障碍物栅格
else
% 往左走(如果当前待插入格（障碍物格)的左邻格不是障碍物 且 左邻格不是当前研究的两个格中任意一个)
if Grid(y_insert, x_insert - 1) == 0 && ((x_insert - 2) + (y_insert - 1) * x ~= single_new_pop(1, i)) && ((x_insert - 2) + (y_insert - 1) * x ~= single_new_pop(1, i+1))
x_insert = x_insert - 1;
% 栅格序号
num_insert = (x_insert - 1) + (y_insert - 1) * x;
% 插入新序号
single_new_pop = [single_new_pop(1, 1:i), num_insert, single_new_pop(1, i+1:end)];
% 往右走 (如果当前待插入格（障碍物格)的右邻格不是障碍物 且 右邻格不是当前研究的两个格中任意一个)
elseif Grid(y_insert, x_insert + 1) == 0 && (x_insert + (y_insert - 1) * x ~= single_new_pop(1, i)) && (x_insert + (y_insert - 1) * x ~= single_new_pop(1, i+1))
x_insert = x_insert + 1;
% 栅格序号
num_insert = (x_insert - 1) + (y_insert - 1) * x;
% 插入新序号
single_new_pop = [single_new_pop(1, 1:i), num_insert, single_new_pop(1, i+1:end)];
% 向上走
elseif Grid(y_insert + 1, x_insert) == 0 && ((x_insert - 1) + y_insert * x ~= single_new_pop(1, i)) && ((x_insert - 1) + y_insert * x ~= single_new_pop(1, i+1))
y_insert = y_insert + 1;
% 栅格序号
num_insert = (x_insert - 1) + (y_insert - 1) * x;
% 插入新序号
single_new_pop = [single_new_pop(1, 1:i), num_insert, single_new_pop(1, i+1:end)];
% 向下走
elseif Grid(y_insert - 1, x_insert) == 0 && ((x_insert - 1) + (y_insert - 2) * x ~= single_new_pop(1, i)) && ((x_insert - 1) + (y_insert-2) * x ~= single_new_pop(1, i+1))
y_insert = y_insert - 1;
% 栅格序号
num_insert = (x_insert - 1) + (y_insert - 1) * x;
% 插入新序号
single_new_pop = [single_new_pop(1, 1:i), num_insert, single_new_pop(1, i+1:end)];
% 如果各方向都无法插入则舍去此路径
else
%break_pop = single_new_pop
single_new_pop = [];
break
end
end
column_next = x_insert;
row_next = y_insert;
max_iteration = max_iteration + 1;
%如果可以不断的增加新节点，但增加次数超过20000次，则舍弃此路径
if max_iteration > 20000
single_new_pop = [];
break
end
end
if isempty(single_new_pop)
break
end
[~, single_path_num] = size(single_new_pop);
i = i + 1;
end
3.计算路径长度函数cal_path_value.m
%% 计算路径长度函数
%jubobolv369
function [path_value] = cal_path_value(pop, x)
[n, ~] = size(pop);
path_value = zeros(1, n);
%循环计算每一条路径的长度
for i = 1 : n
single_pop = pop{i, 1};
[~, m] = size(single_pop);
%路径有m个栅格，需要计算m-1次
for j = 1 : m - 1
% 点i所在列（从左到右编号1.2.3...）
x_now = mod(single_pop(1, j), x) + 1;
% 点i所在行（从上到下编号行1.2.3...）
y_now = fix(single_pop(1, j) / x) + 1;
% 点i+1所在列、行
x_next = mod(single_pop(1, j + 1), x) + 1;
y_next = fix(single_pop(1, j + 1) / x) + 1;
%如果相邻两个栅格为上下或左右，路径长度加1，否则为对角线，长度加根号2
if abs(x_now - x_next) + abs(y_now - y_next) == 1
path_value(1, i) = path_value(1, i) + 1;
else
path_value(1, i) = path_value(1, i) + sqrt(2);
end
end
end
4.计算路径平滑度函数cal_path_smooth.m
%% 计算路径平滑度函数
%jubobolv369
function [path_smooth] = cal_path_smooth(pop, x)
[n, ~] = size(pop);
path_smooth = zeros(1, n);
%循环计算每一条路径的平滑度
for i = 1 : n
single_pop = pop{i, 1};
[~, m] = size(single_pop);
%路径有m个栅格，需要计算m-1次
for j = 1 : m - 2
% 点i所在列（从左到右编号1.2.3...）
x_now = mod(single_pop(1, j), x) + 1;
% 点i所在行（从上到下编号行1.2.3...）
y_now = fix(single_pop(1, j) / x) + 1;
% 点i+1所在列、行
x_next1 = mod(single_pop(1, j + 1), x) + 1;
y_next1 = fix(single_pop(1, j + 1) / x) + 1;
% 点i+2所在列、行
x_next2 = mod(single_pop(1, j + 2), x) + 1;
y_next2 = fix(single_pop(1, j + 2) / x) + 1;
%path_smooth(1, i) = path_smooth(1, i) + abs(atan(abs(x_now - x_next1)/abs(y_now - y_next1))-atan(abs(x_next2 - x_next1)/abs(y_next2 - y_next1)));
%a2 = (x_now - x_next1)^2 + (y_now - y_next1)^2;
%b2 = (x_next2 - x_next1)^2 + (y_next2 - y_next1)^2;
c2 = (x_now - x_next2)^2 + (y_now - y_next2)^2;
%angle = (a2 + c2 - b2) / (2 * sqrt(a2) * sqrt(c2));
%若大于4小于等于8，说明此栅格与隔一个的栅格隔一行或一列且列或行相邻
if c2 < 8 && c2 > 4
path_smooth(1, i) = path_smooth(1, i) + 5;
%若大于1小于等于4，说明此栅格与隔一个的栅格为对角，也可能或同行或同列垮了一格
elseif c2 <= 4 && c2 > 1
path_smooth(1, i) = path_smooth(1, i) + 30;
%若等于1，说明此栅格与隔一个的栅格是上下或左右相邻，其路径不如直接从此格到邻格，显然冗余了。
elseif c2 <= 1
path_smooth(1, i) = path_smooth(1, i) + 5000;
%否则不设置值，也即值为0，此时此栅格与隔一个的栅格是正方形对角的关系，最好。
end
end
end5.用轮盘堵法选择新的个体selection.m
%% 用轮盘堵法选择新的个体
% 输入变量：pop元胞种群，fitvalue：适应度值
% 输出变量：newpop选择以后的元胞种群
%jubobolv369
function [new_pop] = selection(pop, fit_value)
%构造轮盘
[px, ~] = size(pop);
total_fit = sum(fit_value);
p_fit_value = fit_value / total_fit;
p_fit_value = cumsum(p_fit_value); % B = cumsum(A) 从 A 中的第一个其大小不等于 1 的数组维度开始返回 A 的累积和。
% 随机数从小到大排列
ms = sort(rand(px, 1));
fitin = 1;
newin = 1;
while newin <= px
if(ms(newin)) < p_fit_value(fitin)
new_pop{newin, 1} = pop{fitin, 1};
newin = newin+1;
else
fitin = fitin+1;
end
end
6.交叉操作crossover.m
%%交叉操作
%输入变量：pop：父代种群，pc：交叉的概率
%输出变量：newpop：交叉后的种群
%jubobolv369
function [new_pop] = crossover(pop, pc)
[px,~] = size(pop);
% 判断路径点数是奇数或偶数
parity = mod(px, 2);
new_pop = {};
%两个两个交叉
for i = 1:2:px-1
singal_now_pop = pop{i, 1};
singal_next_pop = pop{i+1, 1};
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%% A = [5 3 4 2]; %%
%% B = [2 4 4 4 6 8]; %%
%% [Lia,Locb] = ismember(A,B) %%
%% Lia = 1x4 logical array %%A的每个元素若B中存在则该位为1 否则为零
%% 0 0 1 1 %%
%% Locb = 1×4 %%每个相同的元素在B中的索引
%% 0 0 2 1 %%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
[lia, locb] = ismember(singal_now_pop, singal_next_pop);%[Lia,Locb] = ismember(A,B)确定 A 的哪些元素同时也在 B 中及其在 B 中的相应位置。
[~, n] = find(lia == 1);%要查找特定的整数值，使用 == 运算符。返回找到的值在lia中的索引
[~, m] = size(n);
%如果随机数小于交叉概率且A中有三个以上路径节点与B中的相同
if (rand < pc) && (m >= 3)
% 生成一个2到m-1之间的随机数，也就是除去开头和结尾，在两条路径的相同节点中随机选取一个节点用于交叉
r = round(rand(1,1)*(m-3)) +2;%Y = round(X) 将 X 的每个元素四舍五入为最近的整数
crossover_index1 = n(1, r);%
crossover_index2 = locb(crossover_index1);
new_pop{i, 1} = [singal_now_pop(1:crossover_index1), singal_next_pop(crossover_index2+1:end)];
new_pop{i+1, 1} = [singal_next_pop(1:crossover_index2), singal_now_pop(crossover_index1+1:end)];
else %否则不交叉
new_pop{i, 1} =singal_now_pop;
new_pop{i+1, 1} = singal_next_pop;
end
%如果有奇数条路径，除最后一条外，其余已按照if的条件进行了是否交叉的处理，所以最后一条仍然不变。
if parity == 1
new_pop{px, 1} = pop{px, 1};
end
end
7.变异操作mutation.m
%% 变异操作
% 函数说明
% 输入变量：pop：种群，pm：变异概率
% 输出变量：newpop变异以后的种群
%jubobolv369
function [new_pop] = mutation(pop, pm, Grid, x)
[px, ~] = size(pop);
new_pop = {};
%对每一行选择是否变异
for i = 1:px
% 初始化最大迭代次数
max_iteration = 0;
single_new_pop = pop{i, 1};
[~, m] = size(single_new_pop);
% single_new_pop_slice初始化
single_new_pop_slice = [];
if(rand < pm)
while isempty(single_new_pop_slice)
% 生成2到（m-1）的两个随机数,并排序
mpoint = sort(round(rand(1,2)*(m-3)) + [2 2]);
%切除掉包含两个随机数在内的之间的路径节点，将切除部分及前后两个节点取出
single_new_pop_slice = [single_new_pop(mpoint(1, 1)-1) single_new_pop(mpoint(1, 2)+1)];
%将取出的用于切除的部分路径重新联结成无间断路径(这一步可能变异 也可能不变异)
single_new_pop_slice = generate_continuous_path(single_new_pop_slice, Grid, x);
%max_iteration = max_iteration + 1;
if max_iteration >= 100000
break
end
end
if max_iteration >= 100000
new_pop{i, 1} = pop{i, 1};
else
%将变异后的路径保存
new_pop{i, 1} = [single_new_pop(1, 1:mpoint(1, 1)-1), single_new_pop_slice(2:end-1), single_new_pop(1, mpoint(1, 2)+1:m)];
end
% single_new_pop_slice再次初始化
single_new_pop_slice = [];
else%不变异
new_pop{i, 1} = pop{i, 1};
end
end
8.创建具有障碍物的栅格地图DrawMap.m
%创建具有障碍物的栅格地图
%矩阵中1代表黑色栅格
%jubobolv369
function Grid = DrawMap(Grid)
b = Grid;
b(end+1,end+1) = 0;
colormap([1 1 1;0 0 0]); % 创建颜色
pcolor(0.5:size(Grid,2) + 0.5, 0.5:size(Grid,1) + 0.5, b); % 赋予栅格颜色
set(gca, 'XTick', 1:size(Grid,1), 'YTick', 1:size(Grid,2)); % 设置坐标
axis image xy; % 沿每个坐标轴使用相同的数据单位，保持一致
如果急看，可至此处，压缩包包含代码和本人学习时候的草稿。喜欢请点赞哦。
链接: https://pan.baidu.com/s/19Z0huAtdR5x2WmBQdAbhHg
提取码: uzdu