TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7223  ~ 723 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.524 7          7223     Re cei v ed  No vem ber 2 9 , 2013; Re vi sed  Jul y  2, 2014;  Acce pted Jul y  28, 201 4   Path Planning for Coalmine Rescue R obot Based on  Hybrid Adaptive Artificial Fish Swarm Algorithm      Yao Zheng -Hua* 1,2 , Ren  Zi-Hui 1 , Zhu Xian-Hu a 2 , Li Shi-Chun 2   1 School of Infor m ation a nd El e c trical Eng i ne e r ing,  Ch ina U n i v ersit y  of Min i n g  and T e chno l o g y  (CUMT ) Chin a   2 School of Mec han ical a nd El ectrical En gin e e rin g , Yangtze  Normal U n iv ersit y  (YZ NU), C h in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : emscto@qq. com      A b st r a ct   F o r the pro b le m w i th i m pr eci s e opti m al so l u tion  and r e d u c ed co nverg e n c e efficie n cy o f  basic   artificial fish swarm  algori th m ( BAF SA) in the late, the ad apti v e enh anc ed p r ey beh avi o r of artificial fish a n d   the seg m e n ted  adaptiv e strategy of artificia l  fish s  vi ew  and step w e re desi gne d. T h e  hybrid a d a p ti ve   artificial  fish  s w arm  alg o rith m ( H AAF SA)  w a s structured  by th ad aptiv e e n h ance d   pr ey b e h a vior  a n d  the   seg m e n ted a d aptive strate gy  of artificial fi sh s   view  an d  step, w h ich has be en v e ri fied on r e sear ch.  Accordi ng to  th e ch aracteristic s of the c o a l mi ne resc ue  env i r on me nt, the p a th p l an ni ng  e n viro nment  mo del   w a s establish e d  in tw o-dimen s ion a l pl ane a nd the opti m i z ation co nstrain t s conditio n s w e re dispos ed  by   detectin g  the  d i stance  betw e e n  pat h secti o n s  and  b a rriers.  T he HAAF SA  w a s app lie d to  coal mine  resc u e   robot pat h pla nni ng. Si mul a ti on resu lts sho w ed that the HAAF SA could   impr ove the  p e rformanc e of th e   opti m a l  path.      Ke y w ords : AF SA, path pla nni ng, enh anc ed  prey,  seg m e n ted ad apti on, re scue rob o    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Chin ese co al  prod uction  accou n ts the  wo rld’ s for  about 1/3, b u t the mine death toll  accou n ts for  nearly 80% o f  the world. In recent  years Chi na co al mine one mill ion tons mo rt ality  has  sh own d e clini ng tre n d ,  and the  situ ation of  produ ction  safety h a b een im proved. Com p a r ed  with oth e r m a jor coal-pro duci ng  co unt ries the  ga has still  exist ed, the r efore  the  pro d u c tion  safety situ ation i s   still g r i m . In ad ditio n  to the  po or co al  sea m   condition s, the  lower deg re e of  mining  autom ation an d un even level p r actitione rs  of  mine the  re aso n  for  Chi na coalmi ne  high   death toll  wh ich  ca n n o be ig nored i s  the  outd a ted  coalmi ne  rescu e  te chn o logy. After t he  disa ster, re scue  wo rkers can  not  info rm ed of the di saster i n form a t ion quickly a nd a c curately,  and  the re scu e   staffs with equipm ents can  rea c t he disa ster  area quickly,  that result s del ay on   resc ue work  [1-3].   Gene rally p a th pla nnin g  p r oblem  mea n s that the  opti m al p a th i s  f ound  on  the   planni ng  area  from  given sta r ting  point to the   desti n a tion p o int, whi c can me et ce rt ain pe rforma nce  metrics u nde r the con s trai nt con d ition. Path  planni n g  for mine  re scue robot m ean s finding  path from  the  startin g  poi n t  to the target  point  un de r the envi r onm e n t with ob sta c le s. The  pat h   sho u ld meet  the spe c ified  requi reme nts, whi c h sho u ld be safe, reliabl e and t i me-con sumi ng  shortest  or least-cost. To  some  extent,  path planning capability refl ects the intel ligence level   of  mine rescu e  rob o t. Currently the alg o rithm s  of  p a th plan ning  for ro bot h a ve develo p ed in  intelligent an d bioni c dire ction, and a se ries  of research re sult s ha ve been mad e  [4-7].       2. Impro v ement of  AFSA  AFSA is a kind of swa r m intelligen ce optimizatio n algorith m , which sim u lats the  intera ctive social b ehavi o rs  of fish popul ati ons t o  achi eve swarm intellig enc. It is ch iefly  cha r a c terrize d  by o n ly co mpari ng th e f i tness of  th obje c t with ou t the spe c ific  informatio n, fast  conve r ge nce spe ed,  a ce rtain  ad apt ive  cap a city of se arch  spa c a nd a  ce rtain robu stne ss  of the  para m eters  choice. But the fish swa r m  algorithm  h a s defe c ts too ,  includin g  im pre c ise optim a l   solutio n  and t he latter re du ced  conve r ge nce effici en cy.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  722 3  – 7232   7224 2.1. Basic AFSA  In a d - dime nsional  sea r ch  spa c e  there a r e N piece s   of artificial fish. T h e state  vecto r  of  artificial fish  positio n is  expre s sed a s   ) , , , ( 2 1 d x x x X . The foo d  con c entration of  artificial   fish po sition i s  expressed  as  ) ( X f Y  , in which  X  is the se a r ch  optimization variabl e of  artificial fish  state, and Y  is the fitne s s fun c ti on. T he di stan ce  betwe en two  artificial fish  is   defined  a s   j i j i X X d ,   Cro w di ng fa ctor repre s e n ts the  crowd d egr e e  of  fish   swarm.  The  artificial fi sh’ s  view i s  rep r e s sed  as  visual step rep r esents the l a rge s t moving   step  of artifici al  fis h num try _  repre s e n ts the large s t number of attempts for prey behavior o f  artificial fish. The  core id ea s of  AFSA mod e l  are p r ey b e havior,   swarm be havioror, follow  beh a v ior an ran d o behavio r.    2.1.1. Pre y  Behav i or   The  cu rre nt state of artifici al fish i s   defi ned a s   i X . Another  state  j X  is  selected i n  it view ran doml y , which is ex pre s sed a s   () Rand visual X X i j     () Rand is a ran dom  numbe r bel ong to the close d  interva l ] 1 , 0 [ . If the state  j X is   s u pe r i or  to  the  s t a t e i X , the artific i al fish with s t ate  i X  will  move a  step i n  t he di rection of state  j X () 1 1 Rand step X X X X X X t i j t i t i t i     If the state j X is not sup e ri or to the state i X , the artifical  fish will  con t inue to try to sele ct  anothe r ne state j X . The art i fical fish  rep eats to attem p t new  state  for  num try _ times .  If i t   has not been still satisfi ed with the conditions  of prey, the artifical fish will move a step  rand omly.    () * 1 Rand visual X X t i t i     2.1.2. S w a r m  Behav i or  The  cu rrent  state of  artifi cial fi sh i s   d e fined  as  i X . The   artific i al  fis h  adds  up the   numbe f n  of it s n e igh borho od p a rtne rs i n  the  ra nge   of  visual d j i , , and  find s the p a rtn e rs ’  cente r   C X f n i i C n X X f 1     If  i f C Y n X /  ,that mean s the r e i s    m o re fo od i n  th e le ss  cro w d ed pa rtne rs center,  the artifici al fi sh  will move  a step towards in t he  direction of the partne rs’  center, otherwise it  perfo rms p r e y  behavior.     () 1 1 Rand step X X X X X X t i C t i C i t i     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Path Plannin g  for Coalm i n e  Re scue Ro bot Based o n  Hyb r id Ada p tive… (Y ao Zh eng-Hu a)  7225 2.1.3. Follo w  Behav i or  The  current  state of a r tificial fish is  d e fined a s   i X . The artific i al fis h  adds   up the   numbe f n  of its neig hbo rho od pa rtners i n  the ran ge  of  visual d j i , , and finds the partne r   with state j X , whose fitness functio n  value   j Y is  the bes t. If  i f j Y n Y / , it indic a tes that the   partne r  with  t he state  j X   has highe r foo d   con c e n tration  and l e ss  oth e r a r tificial fi sh cro w din g   around it. The artificial fi sh will move  a step in the direction of  the partner  j X , otherwise it  perfo rms p r e y  behavior.     () 1 1 Rand step X X X X X X t i j t i j i t i     2.1.4. Rando m Behav i or   The rand om  behavio r will  be excuted if the artificial  fish’s fitne s s is not imp r ov ed after  the three  kin d s b ehavio rs above have  been im ple m ent ed. Th e  artificial fish  sele cts a  st ate   rand omly in its view, and then move s a step toward this state. Ra ndom be havi o r help s  artifi cial  fish to escap e  from local o p timal and go  forwa r d to the global o p timal solutio n  [8-11].     () 1 Rand visual X X t i t i     2.2. Impro v e d  Strateg y  fo r HAAFSA    Adaptive enh anced prey pro c e ss i s  used to im pro v e the artificial fish prey behavio again s t  the  i nefficient  pre y  behavio r ab out BAFSA. The a r tificial f i sh’ s  view an d ste p  in BAF SA  were un cha n ged, so the  algorith m  co nverge nc e speed redu ce d in the later and the opti m al  solutio n  accu racy  wa s not  high. A seg m ented ad ap tive strategy wa s de sign e d  to improve  the   algorith m ’s  converg e n c spe ed an d o p timal accu ra cy  by chan gi ng the si ze  of artificial fish’ s   view and  step   2.2.1. Adap tiv e  Enhance d  Pre y  Beha v i or   Artificial fish  sho u ld find b e tter po sition s as m u ch a s  po ssi ble in  its view, and move   towards bett e r p o sitio n quickly to  re duce u nne ce ssary  ran d o m  beh avior.  Whe n  the  prey  behavio r coul d not be  com p leted  within  basi c  try ti me s, the a r tificia l  fish p r ey be havior  woul be  cha nge d fro m  the ba sic prey state t o  anothe p r ey state aut omatically, which  reali z e d  the   adaptive tran sform a tion of prey beh avior.  Greate r  vie w , the a r tificial  fish  could  find gl obal  extremum  a nd  be  conve r g e n t more   easily. Th e g r eate r  of a r tificial fish’s  mo ving st ep, the  optimization  pro c e s s converge d fa ster.  If  the probl em  with local extrema wa s not  very pr omin e n t, increa sin g  the numbe r of attempt times  coul d redu ce  the a r tificial  fish  ran dom  wal k , an d i m prove  co nverge nce efficiency.  When  the   ca se with p r ominent lo ca l extrema was serio u s, redu cing the  attempt times of prey co uld  increase the  probability of  the artifici al  fish random  moving,  and  overcome the  impact of l o cal  extrema. The r efore, the artificial fish a d just e d  view,  moving step  and times o f  prey attempt  automatically acco rding to  the  followi ng  Equation  (1),  (2)  and  (3 ). It was  co ndu cive for succe ss  of artificial fi sh’ s  p r ey an d the alg o rit h m pe rf orm a nce i m prove m ent. The a r tificial fish’ s   prey  behavio r with  adju s ted pa ramete r was calle d ada ptive enhan ce d prey b eha vior, whi c wa helped to improve the probab ility of prey success [12].    a visual enhance v _         ( 1 )     b step enhance s _          (2)     c num try enhance t _ _        ( 3 )   m , , 2 , 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  722 3  – 7232   7226 Whe r e , enhance v _  represe n ts the view of enh an ced p r ey.  enhance s _  re pre s ent s   the step of it s enh an ced  p r ey.  enhance t _  rep r e s e n ts the attem p t times of its enhan ce d prey.   re pre s e n ts  the current   numbe of e nhan ce d p r e y  times.  m  represent s the maximum  executio n time of enhan ce d prey. Para meters  a b and  c  are relate d to the artificial  fish’s vie w   and step, wh ich co uld be set  a c co rding   to  the   the si ze of  ba si c a r tificial  fi sh’s view,  ste p   a n d   attempt times of prey.   Performi ng th e above  pro c ess until the  set nu mbe r  o f  attempt time wa s rea c hed . Whe n   the numbe of enhan ce d  prey time reached  m , if  the artificial  fish could not still pre y   su cc es sf ully ,   t he si ze  of   ar t i f i cial  fish 's view,  step  and  attempt time s of  prey  wou l d return  to th e   initial value and execute ra ndom be havi o r.     2.2.2. Impro v ed Vie w   o f  Artificial  Fish based on Se gmente d Ad aption   In BAFSA, artificial fish’s size of visi on an d ste p  is fixed. Th e artifici al fish’s vie w   determi ne s the ra nge  of sea r ch, an d its step  d e termin es th e co nverg e n c spee d a nd  optimizatio n accuracy. Wh en the artifici al fish’s  view i s  narro w, its prey and ran dom beh avior are   dominate. wh en its view is  vast, its follow beh avior is  more p r omi n ent.   At the initial  stage  of the f i sh al go rithm, the  va s t   view  c o u l in duc e  a r tific i al fis h  to find  the glo bal o p timal solution,  at the  sam e   time with  a la rge r   size of  step artifici al fi sh  co uld m o ve  clo s er to the  optimal  sol u tion qui ckly, so it  m a kes  the alg o rithm  be  co nverg ent. Late i n  t he  algorith m , artificial fish a ggre gate s  around t he op timal solutio n  in a small  area with h i gh  probability. If the view i s  still large now, the ar tificial fish coul d ignore the highest food   con c e n tration  area, thus it will prey ineffi cient ly and p e rform m o re  rand om beh a v ior. Therefo r e,  a se gmente d  adaptive  strategy ha s be en de sig ned  to  improve th e artificial fi sh’s  step. Duri ng  the execution  time of the al gorithm, the a r tificial  fish’ s  f ileld of view a nd ste p  expa nded first, the n   they decrea s ed ada ptively with the algo rithm perfo rm ed.    V V l time iter k visual adap visual ^ _ / * _     adap visual _  rep r e s ent s t he imp r oved   artificial  fi sh’ s  vision  by ad aptive strateg y V k and V l  are p a rameters of a daptive strategy.  time ite r _  is the  curre n t iterations. Fi rst  the  improve d  artificial fish’ s  vie w  increa se d at the  beginn ing of the alg o rithm, whi c h  is benifici al for  artificial fish to find the glo bal optimal  solution.  As th e algo rithm iteration s  in cre a sei ng, artificial  fish’s vie w  re duced a dapti v ely. Along with its wi e w   re duced a dapti v ely, the execution  pro bab ility  of artificial fish prey be hav ior an d ra nd om beh av ior  increa sed,  which i s  in favor of enh an ci ng   local  sea r ch and imp r ovin g accuracy of  optimal soluti on.    2.2.3. Impro v ed Step of  Artificial  Fish based on Se gmente d Ad aption   The larger  step si ze, the vaster artifici al  fish’s mov e ment range will be, whi c h was  con d u c ive to be co nverg e n t  as soo n  as  possibl e. Lat er in the algo rithm, the arti ficial fish coul not only mi ss  the glob al opt imal solution  easily  with  to o large  step  size, o r  get  a solution  with lo accuracy, but  also be  prone to oscillate  back and  fort h near the optimal so lution. That was why  i t   wa s difficult t o  app roximat e  the optimal  solutio n  a c c u rat e ly .  A  sm all st ep  si ze  wa s in f a v o of   local sea r ch for artificial fish, but the spe ed of sea r chi ng global o p timal solutio n  wa s slo w e r , and  the algorithm was  eas y  to f a ll into loc a l optimum.   Early in the algorithm, artifi cial fish could  enhan ce the  global se arch ability with a large r   step  size, wh ich m ade th e  artificial fi sh  move cl ose r  t o  a bette r sol u tion an d ag greg ate a r ou nd  the optimal solution a s  qui ckly a s  po ssi ble. With  the algorith m   exe c uting,  the d e crea se of st ep  size hel ped t he a r tificial fi sh to  agg reg a te around  th e optimal  sol u tion, re du ce  the proba bility of  over the opti m al solutio n , and en han ce  the ability of   algorith m  local sea r ch in the latter [13-14].    ) ^ _ / ( * _ S S l time iter k step adap step       ( 4 )     adap step _  rep r e s ent s t he imp r oved  artificial fi sh’ s   step ba sed on  ad aptive strategy.  S k and  S l  are para m eters of  ada ptive strategy   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Path Plannin g  for Coalm i n e  Re scue Ro bot Based o n  Hyb r id Ada p tive… (Y ao Zh eng-Hu a)  7227 Acco rdi ng to   Equation  (4),  first the  si ze   of  improved  step i n crea se d at the  be gi nning  of  the iteration,  whi c h ma de  the artificial  fish ag gre g a te to the o p timal sol u tio n  fast. With  the   iteration s  increasi ng, attenuati on streng thened, and t he step si ze  has de crea se d. At  the same  time the a dap tive attenuate d  ste p   coo perated  wi th the   adaptive  attenuated  view to en han ce  th local  sea r ch, whi c h imp r ov ed the accu ra cy of solution s.  Algorithm p a rameters imp a ct on the p e rfor m a n c e o f  the algorith m  greatly. When the   attenuation i ndex is too l a rge, it  will  cause the alg o rithm to ma ture ea rly, and fall into local   optimal soluti on, even fail  to conve r ge . Acco rdin g to the expe ri mental stu d ie s, gen erally t he  sele ction int e rval of parameters V k and S k  was  s e t as [1.5,2.5].  S l selection interval was  gene rally  set  as [0.2,0.7].  V l sel e ctio n int e rval i s  g ene rally set a s  [ 0 .8,3]. The s e  paramete r use d  for i m p r oveme n t we re  sele cted i n  their   intervals a c cordin g to the  spe c ific o p timiza tion  probl em.   On the surfa c e, the increa ses of a r tificial  fish’s vie w  an d step in e n h anced p r ey b ehavior  wa contradi ctory with th adaptive  attenuation  of th e m  in al go rith m excutio n  p r oce s s, but it  wa not in fact.  When the  ba sic prey b ehavi o could   not be  a c hieve d  within  the nu mber of  attempt  times, enha n c ed p r ey beh avior wo uld b e  execute d The ada ptive improvem ents of artificial fish’s  view an d ste p  wa s reali z ed by imp r ov ing t he  vie w  and step  of basi c   AFSA with  segme n ted   adaptive st ra tegy. The art i ficial fish’ s  view  an d ste p  whi c h ha been im prov ed by ada ptive   segm ented  strategy  were  amplified  d u ring  th e  pe riod  of e nha nce d  p r ey b ehavior excu ted.  Enhan ced  prey behavio ran throug t he  e n tire alg o rithm excuti on  p r o c e ss, essentially which  wa s the imp r oved meth o d  for artifici a l  fish  prey behavior i n  the entir e algo rithm  exe c ution   pro c e ss. T he  segm ented  a daptive impro v ement for a r ti ficial fish’s vi ew a nd ste p   wa s excuted in   each iteration  in the algorit hm pro c e s s.    2.3. Algorith m  Verificatio The functio n 1 F and 2 F  are took for example  to prov e the validation of the HAAFSA  respec tively. Func tion 1 F has  a si ngle  ma ximum at po int (0,0 ), an d some l o ca l extremum spread  aroun d the extrem e point. Fu n c tion  2 F  is a t y pical o p timization  pro b le m with mo re   extremum,  which  obtai ns  the glo bal  op timum value   3600  at p o int  (0,0 ). Several lo cal  mini ma   points l o cate d on (-5.1 2 ,5 .12), (-5.12, -5.12), (5 .12,  -5.12 )  an d (5 .12,5.12)  sca tter aro und t h e   global o p timu m, which o b tain the local extrema 27 48 .7823.   Paramete r selectio n: total numbe r of artificial fish  80 N , maximum number of  iteration s 50 max_ gen , moving  ste p 5 . 0 step , view 2 visual , ti mes   of attempt   10 _ mun try , the co nge stion facto r 618 . 0 , adaptive pa ra meters of e n han ced   pre y   behavio r ( 5 m , 1 a , 2 . 0 b , 2 c ), adaptive parameters  of view an d step ( 2 S k , 2 V k , 4 . 0 S l , 4 . 2 V l ). Simul a tio n  conditio n s:  CPU Intel  Core i3 -2 33 0M 2.2 G Hz,  RAM  2G,  operating system Wind o w s7,  simul a tion  so ftware  Matlab_ R2 012a. T able  1 sh ows t he  perfo rman ce  comp ari s o n  a bout HAAFS A  and BAFSA for 25 times simul a tion s.    y y x x y x F ) sin( ) sin( ) , ( 1 , ) 10 , 10 ( y x   2 2 2 2 2 2 2 ) ( ) ) ( 05 . 0 3 ( ) , ( y x y x y x F ,   ) 12 . 5 , 12 . 5 ( y x       Table 1. The  Perform a n c of HAAFSA and BAFSA  Fuction  Algorithm Optimum  Solutio n  Time () s    Worst Solution  Time () s  Average   F 1   BAFSA 0.99999   3.50  0.99909   3.37  0.99968   HAAFSA 1.00000   2.61  1.00000   3.28  1.00000   F 2   BAFSA 3599.36394   3.94  2748.77907   4.49  3405.74121   HAAFSA 3600.00000   3.31  2748.77907   4.31  3542.12176     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  722 3  – 7232   7228 Table 1 sh ows the HAAFSA is supe rior  to the BAFSA. Although the HAAFSA also wa likely to fall into local opti m al, the prob ability had re duced g r eatly , and the ave r age  had  bee n   improve d  ob viously, whe n  the pro b le m of optim izi ng obje c t local optimal was serio u s.  The  HAAFSA had  stren g thene d the local a r ea se arch,  a nd improved  the accuracy  of optimum a n d   conve r ge nce spe ed.       3. Path Planning En v i ronment Model   Acco rdi ng to  the enviro n mental info rmat ion, the  area of pl annin g  missi on wa determi ned,  and the  ma p  model  was  establi s h ed t o   plan  the  walk  path fo r robot effe ctively.  Obviou sly, the pla nnin g  a r ea  wa s a  two - dime nsi onal   model fo mo vement, and  t he  robot  moti on   environ ment  co uld b e   expre s sed  b y  two-di men s ion a l coo r di nate. Robot  moved  on  two- dimen s ion a l finite spa c e,  and a  ce rtai n numb e of   impassa ble area s were distrib u ted  in   the   scope of this  area s, su ch a s  ob stacl e s a nd dan gerou s points.     3.1. En v i ron m ent Model   In the plan ni ng a r ea, the i m passa ble a r eas  we re exp r esse nd  by  convex polygo n s a nd  roun ds. The site  of re scu e   ro bot  b egin n ing re scue missi on wa s the  sta r ting p o int  of  the p a th   planin g . The   end p o int of  the path  plan ing was site d  as th e p o siti on  whe r e th e  re scue  rob o bega n rescu e  op eratio ns  throug h the  o b sta c le  ar e a . In coordinat e sy stem of t he robot  mov i ng  environ ment  model, the st arting p o int was set at  ) , ( S S y x S , and the target e ndpoi nt wa s set at  ) , ( T T y x T . According t o  the start a nd end p o siti ons, the two - dimen s ion a l coo r din a te sy stem  wa s e s tabli s hed, which  wa s the e n tire are a  of  re scue  robot  p a th plan ning.  The e n viro men t   modle of path  plannin g  is shown in Figu re 1.          Figure 1. Environm ent Mod e     3.2. Path Re presen ta tion   As it is sho w n  in Figure 1, p a th planni ng i s  to find a set  of points:      T p p p S P n , , , , , 1 - 2 1     In the glob al  spa c e,  whi c are  con n e c te d adja c e n tly without o b sta c le s an d da n gero u point s so   that the p a th  from  sta r t p o int to the  ta rget  point l e n g th ha bee n  plan ned.  1 n  parallel  lines  were marke d  out parallel to the Y ax is, which divid e d  the X axis into  n  section s  between the  start an d en d  point. On ea ch pa rllel lin e  a point was  sele cted a s  t he refe ren c point, from th e   starting p o int S through the  refere nce poi nts to t he targ et point T . A  path wa s obt ained, nam el y:      T y x y x y x y x S Path n n i i , , , , , , , , , , 1 1 2 2 1 1   0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 X a x is Y axi s E n v i r o n m en t  M o del 123 n - 1 n- 2 S P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 T Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Path Plannin g  for Coalm i n e  Re scue Ro bot Based o n  Hyb r id Ada p tive… (Y ao Zh eng-Hu a)  7229 The d o  i i y x ,  r e p r e s en te d  th e re fe r e nc e p o i nt c o or d i na te s o n  th e  i- th  pa r a lle l.  R o bo t s t a r ted  from the sta r ting point, and  moved alon the referen c e  point until the end [15-16]     4. Path Planning Bas e d on Impro v ed AFSA  R e fe re nc po in ts  w e r e  on  th e   1 n  parall e l lines, whi c h were perpe ndicular  to th axis and divi ded it into  n  section s  be tween the st art and  end  points. The r efore, durin executio n of t he alg o rithm,  only the val ue of ea ch  re feren c point’ s  verti c al axi s  was adju s t ed,  and the  ab scissa value  was u n chan ge d. Thu s  the p a th co uld b e   indicated o n l y  by the vertical  coo r din a tes o f  referen c e p o ints.  Each  state of artificial fish rep r e s ented a path.      1 2 1 , , , n i x x x X     Parameter i x was  value of the i-th  referenc ordinate,  i =   1, 2, ... , n-1. Artific i al fis h   ac ted  rand omly one  time along wi th its  state ch ange d, that produ ce d a ne w path. If the  fitness valu e of  the new p a th wa s su peri o to the original  one,  the artificial fish  woul d update its  state.    4.1. Fitness  Ev aluation Function   Whe n  coal mine  di sa sters  h apen ded, rescu e   robot s mu st  rea c h  the poi nt of  disa ste r   operation s  a s  quickly a s  p o ssible, the r e f ore the p a th  length  wa s th e main e s tim a ting criteri o n s The total  pat h dista n ce  could b e  exp r essed  as  the  sum m ation  distan ce  of e a ch  path  se ction   from the sta r t point to the end with the re feren c e poi nts, namely:        2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 n T n T n i i i i i S S y y x x y y x x y y x x Y n x x i x x S T S i / ) ( *     Whe r e,  ) , ( S S y x is t he p a th  sta r ting p o int  coo r din a tes,  and ) , ( T T y x is th e  end  coo r din a tes.  The i-th  dim ensi on  state  value of art i ficial fish i s i y . The i-th  ref e ren c point  c o or d i na te  is ) , ( i i y x , i =  1, 2, .. . ,  n-1.     4.2. Constrai nt Processi ng and Collision Detection  As the robot  path is  determi ned by the  path sectio n ,  detec ting whether  it colli ded with  the ob stacl e s, what shoul d  be carried  o u t se ct ionally. S een by the  environ ment  model, the p a th   planni ng co n s traint i s  expressed a s :      k D D D D D 2 1     Whe r e,  i D rep r e s ente d  the i n feasibl e  a r ea s k i , , 2 , 1 . Acco rding   to the expression  of the  path if the path can not ha ve any intersection with  th e obsta cle re gion, the con s traint s wo ul d be   sat i sf ie d.     4.2.1. Proces sing of Co ns traint   The two  asp e cts  of the p a th plan ning  con s trai nt pro b lem shoul be con s ide r e d , one i s   the processin g  of va riable   boun dar y, a n d  the  other i s  the avoi dan ce of the  robot  ob stacl e . Th e   artificial fi sh   state va riable s  m a y cro s the bo und ary  with th e a r tificial fi sh  migrating d u rin g  t he  time of algo rithm execution .  After the art i ficial  fish  acti on, the state  variable s  of e a ch  dimen s io n   woul d b e   ch ecked, if th e  variabl es ex cee d  th e   bo rder, whi c h would be set as  th valu e   of  boun dary. Thi s  mea s u r e m ade the artificial fish sea r ch in a given range, an d the new lo catio n  is  also b enefi c ia l for artificial fish to find a n e w better p o sition.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  722 3  – 7232   7230 min min max max , x x x x x x x i i i     Und e r th co ndition  of en suring  the  artifi cial fi sh  state  value i n  the   valid ra nge, it  sh ould  be co nsi dere d  wheth e r th e path overl aped  with  th e obsta cle s Duri ng the e x ecution of t h e   algorith m , the feasible  path  may beco m e  infeasibl e after the artifici al fish a c ted  once time.  For  any artifici al f i sh ) , , , , ( 1 2 1 n n x x x x X , if any co nne ction p a th  between t w o  adja c ent  poi nts  coin cid ed  with the ba rri ers, the  state  of artificial fi sh m u st  b e   update d  until  the co nditio n  is  sat i sf ie d.      4.2.2. Dete cti on of Poly go nal Obstacle   For polyg on diso rde r s, first the position a re lation  b e twee n the each vertex abscissa of  polygon an d the abscissa  of  segmented path  two endp oints sh ould be   det ermin a ted. The   absci ssa of p o lygon vertex  which  is o u tside the ab scissa of path e ndpoi nts, ha s no effect on t h e   path. The  pol ygon vertexe s  bet wee n  th e path t w e ndpoi nts  whi c h dist ributed   of the same  side  of the path  se gment, ha s n o  effect on th e path too.  O b viously, whe n  the vertexe s  of the p o lyg on  distrib u te the  same si de  of the path, it indi cate s that the seg m ent path o v erlape d with  th e   inacce ssible  area s,  whi c h  is i n fea s ible . The  coo r di nate of th e referen c e  po sition should   be   adju s ted.     4.2.3. Dete cti on of Circula r  Obstacle    Wheth e r pat h segme n ts overla wit h  the  ci rcul ar  ob stacle,  the  ca se  should  be  con s id ere d  from two a s p e c ts  se pa ratel y , one i s   th e  ce nter  coo r d i nate of  the  circle  o b sta c le betwe en the  path end point s,  the other i s  outside.    Let the i - th center  co ordi n a te of the  ba rrie r  regio n  a s Ri Ri y x ,  , and the j - t h  refe ren c point  j j y x ,  meet:     i Ri j Ri j R y y x x 2 2     Thus  refe ren c e poi nts ma y be kept out side the  obst a cle s  region.  i R  represents th e radi us of th i-th ci rcular b a rri er. A safe  distan ce   i s  set to en sure th at there is  som e  secu rity distan ce   betwe en the  rob o t walki n g path  and  the b a rriers, f o r the  ro bot  is a b stracte d  into a  moving  particl e.  Whe n  the  ref e ren c e  poi nts are  out side t he thr eateni n g  re gion, th path may  still  overla ped   with the inaccessible areas.  At  this mom ent a vertical  line is d r awe d  from the ce nter   Ri Ri y x , of  each ina c cessible a r ea to t he path secti on, and the p edal ha s be e n  got as  dj dj y x , . When the  pedal  is out side the  path   se ction, thi s   path  se ctio n   is fea s ibl e , o t herwi se  it i s  ne ce ssary t o   determi ne th e size of dist ance betwee n  the the ped al  dj dj y x , and the ce nter   Ri Ri y x , of an inacce ssible  area s. Wh en the  di stan ce   is  lo nge th an  the  radi us of  the i n a c cessible a r ea s, th path se ction i s  feasi b le, otherwise the refren ce  poi nts of this path  must be adj u s ted [15, 17].     i Ri dj Ri dj R y y x x 2 2     4.3. Algorith m  Steps   1) Th e pla n n i ng re gion al  environ menta l  dat as  are i m porte d to g enerate the  model of  planni ng area 2) Initializi ng  the paramete r of artificial  fi sh (i nclu din g  the num be r of artifici al fish N artific i al fis h  v i ew visual , moving step step , maximu m numb e of iteration s IT , tim e s  of attempt Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Path Plannin g  for Coalm i n e  Re scue Ro bot Based o n  Hyb r id Ada p tive… (Y ao Zh eng-Hu a)  7231 num try _ , c r ow d i ng  fa c t o r ), gen erating N piec es   of artific i al fis h , formatting the initial  artific i al fis h   swarm.  3) The  curre n t  iteration is set as 0 ITtimes , and the param eters of adaptive e nhan ce prey and a d a p tive strategy  are initialized 4) Starting the algo rithm,  and prey b ehav ior, swa r m beh avior,  fellow beha vior and   rand om be ha vior are  perf o rme d  by ea ch a r tificial  fish then th e fitness functio n  value of these   behavio rs will  be  com p a r ed  with  ea ch  other. T he  beh avior  with o p timal fitness fu nction  value   will   be sel e cte d  to perfo rm.   5) T he vie w   and  step  of  artificial  fish   have b een  m odified  ada ptively, and d e termin ed  wheth e r to m eet the call to  strengt hen th prey beh avior of the ada ptive process;  6) After each  artificial fish  has a c ted on e time , comp ared its fitne s s to the bulle tin board, if  the fitness i s  sup e rio r  to bu lletin board, the bulletin b o a rd will b e  up dated.   7) Determi n in g wheth e r ITtmes  ha s re ached th e maximum  numbe r of ite r ation s IT , i f   the maximu m numb e r of  iteration s  i s   rea c he d, the  optimal p a th  will b e  outp u t and  algo rithm  end s, otherwi se 1 ITtmes ITtmes , and go to step 4.       5. Simulation  The are a  of robot path pla nning is  set as 100 100 in the coordinate syste m , and the  point S ) 10 , 10 ( and T ) 100 , 100 ( are set as the starting a n d  end point s. The numbe r of artificial  fis h  is  set as 20 N . The maximum numb e of iterations i s  set a s 200 ITtimes . The view  and  step  of a r tificial fish a r e set  as 20 visual , moving ste p 5 step . Prey attempt time is   s e as 20 _ mum try . The cong estion fa ctor i s  set a s 618 . o   Paramete rs  of adaptive enhan ce d pre y  are set as ( 5 m , 1 a , 5 . 0 b , 2 c ). The   para m eters  of segm ente d  adaptiv e strategy are  set as ( 2 S k , 2 V k , 4 . 0 S l , 4 . 1 V l ).  Simulation co ndition s are t he sam e  as  above. Fi gu re 2 sho w s the optimal pat h diagram s of th e   BAFSA and the HAAFSA, whi c h have b een exe c uted  for 20 times, respe c tively.      (a) BAFSA     (b) HAAFSA    Figure 2. Path Comp ari s o n       Figure 2 sh o w s the  HAAFSA has stre n g thene d t he local  sea r ch p a rticul arly, which h a gotten the s h orter path. Table 2 shows the  results ,  after the BAFSA and HAAFSA have been  execute d  for  20 times sep a rately. Acco rding to  T able  2, althoug h the spen ding t i me of HAAF SA  wa s a little longer tha n  BAFSA, the path of HAAFSA is mu ch short e r than BAFS A  greatly.         0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 X a x i s Y axi s S T 0 20 40 60 80 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 X a x i s Y a x i s S T Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  722 3  – 7232   7232 Table 2. The  Perform a n c of BAFSA and HAAFSA for Path Planni ng   Algorithm Mim  Max  Average   Time/s  BAFSA 137.3653   145.6743   141.3926   25.69   HAAFSA 133.2506   139.9176   136.0129   22.05       6. Conclusio n   The a daptive  enh anced  p r ey be havior  has bee n u s ed to im prov e artifici al fish’s  prey  pro c e ss, an d  the segme n ted adaptiv strategy ha been de sig n e d  to transfo rm artificial fish’s   view and  ste p . The ada ptive enhan ce d  prey pro c e s s and the  se gmented  ada ptive strategy  of  artificial fish’s view and  ste p  had be en  combinate d  to  con s tru c t the HAAFSA, whi c h ha d be en   verified. The  HAAFSA wa s applied o n  the mine  rescue ro bot path  plannin g , that expande d the  appli c ation fi elds of AFSA. Acco rdi ng t o  the e n viro n m ental  cha r a c teri stics of t he min e  rescue  robot p a th pl annin g  area, the re scue p a th planni ng  model h ad b een cre a ted. The artifici al fish   wa s e n code d  by on e-di m ensi onal  pa rameters i n st ead  of two - di mensi onal  co ordin a tes of  th e   referen c e poi nts, and th e  efficien cy of algorith m  was imp r oved  by this met hod. In order to  meeting th e  co nst r aint  con d ition, e a c se gmente d  path  ha d  bee n d e tected in th e t w o- dimen s ion a plane. If th con s trai nt  co ndition  wa n o t met, the  re fence  poi nt of  this segme n ted  path would  b e  adju s ted,  u n til it wa s fea s ible.  Whe n  each  segm en ted  path did not  coinci de with  the infeasi b le  area s, the path se ction was effectiv e. Obviou sly, the result of simulation indi cate d   that the path plann ed by HAAFSA was superi o r to the  BAFSA.      Referen ces   [1]  Sun Ji- p in g. R e searc h  o n  co al-min e  safe  pr oducti on c onc e p tion.  J ourn a l of  Chi na Co al Society . 2 011 ;   36(2): 31 3-3 1 6 .   [2]  Sun J i -pi ng. N e t w o r ki ng tec h nol og y for  saf e t y  s u p e rvisi o n  s y stem  in  a  c oal  min e Jo urnal  of C h in a   Coal S o ciety . 2 009; 34( 11): 15 46-1 549.   [3]  Sun Ji-p in g. Safet y  pr od uctio n  monit o rin g  a nd commu nic a tion tech nol og y i n  coa l  min e .   Journa l of   Chin a Co al So ciety . 2010; 3 5 ( 11): 192 5-1 9 2 9 [4]  Mao Ya ng, C h un-zh e Li. P a th Pla n in g a nd  T r acking for Multi-rob o t S y ste m  Based  on I m prove d  PSO   Algorit hm.  Internatio nal C onf erenc e on Me chatron i c Sc ie nce, Electric  Engi neer in g a nd Co mputer Jilin. 2 011; 1 6 6 7 -17 70.   [5]  MA Qianzhi, L E I Xiu j ua n. Ap plicati on of imp r oved  p a rticle s w a rm optimiz at ion  a l gor ithm in  robotic pat h   pla nni ng.  Co mputer Eng i n eeri ng an d App lica t ions . 201 1; 47 (25): 241- 24 2.  [6]  Z H ANG Xi ao- yan, Z H OU  Xia o - y ua n, W E I Juan. Glo b a l  p a th pl an nin g  f o r coa l  min e  r e scue r o b o ts.   Journ a l of Xi a n Univ ersity of Scienc e an d T e chn o lo gy . 200 8; 28(2): 32 3-3 26.   [7]  GAO Yang, SUN Shu-d o n g , HUANG W e i-feng. Rap i d p a th pla nni ng o f  mobile rob o t s  in unkn o w n   envir onme n t.  Applic atio n Res earch of Co mp uters . 2009; 2 6 ( 7): 2624- 26 27 [8]  Li Xi ao lei.  A  Ne w   I n tell ige n t  Optimization Meth o d -Artific ial Fis h  S w a r m Alg o rithm.  PhD T hesis.  Han g zho u : Z hejia ng U n ivers i t y . 200 3: 33-3 8 .   [9]  LI Xiao-lei, SHAO Zhi-jiang,  QIA N Ji-xin. A n  Optimizi ng  M e thod  Bas ed  o n  Auto nom ous  Animats: F i sh- s w arm Algorithm.  Systems En gin eeri ng-T h eo ry & Practice . 2002; (11): 3 3 -3 4.  [10]  Jian g Min y a n , Yuan D o n g fen g . Artificial F i sh S w a rm Alg o r i thms and It Applic atio ns. Bei jing: Sci enc e   Press. 2012: 4 2 -47.   [11]  Ming ya n J i a n g ,  Don g fen g  Y u an, Yo ngm ing   Che ng.  I m pr ov ed Artific i al  F i s h  Sw ar m Al go rithm . 20 09   F i fth Internatio nal C onfere n ce  on Na tura l Co mputatio n. 200 9, 281-2 85.   [12]  ZHANG Yan, CHU  Xi ao-L i . Advanc ed Artifici al Fish S w a rm Algorit hm.  Co mp uter Syste m  Applic atio ns .   201 1; 20(5): 19 9-20 1.  [13]  Jian g MY, Nik os E. Mastorak is, et al.  Multi-t h resh old  i m a g e  seg m entati o n w i th i m prov e d  artifici al fish   sw arm alg o rith m.  Proce edi ng s of Europe an  Comp uting  C o nferenc e (ECC 200 7). 200 7; 117-1 20.   [14]  W enJie  T i an, JiChe n g  Li u.  An Improv ed  Artificial F i s h   S w a rm Al gor ithm for M u lti  Rob o t T a s k   Sched uli ng. F i fth Internatio nal  Confere n ce  o n  Natura l Com putatio n. 200 9; 127-1 30.   [15]  Lei  Xi uju an. Sw a rm Intelli ge n t  Optimization Algor it hms and   T heir Applic ati ons. Beiji ng: S c ienc e Press.   201 2: 249- 269.   [16]  F e i L i u, Sh an   Lia ng,  Xi ao do n g   Xi an. Optim a l Path  Pla n n i n g  for M obi le  R obot  Usin g T a il ored  Gen e tic  Algorit hm.  T E LKOMNIKA Indones ian J ourn a l of Electrica l  Engi neer in g . 2014; 12( 1): 1-9 .   [17]  LIU Gan g , LIU  Yu-bi n , Z H AO Jie, et a l . Pat h   pl an nin g  for  a ne w   mi ne r e scue ro bot b a s e  on  visu al   tange nt gr aphs Journ a of Jil i n  Un iversity (E ngi neer in g a n d  T e chn o lo gy E d itio n).  20 11;  4 1 (4): 1 107- 111 2.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.