TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 2, May 2015, pp. 304 ~ 31 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i2.772 3        304     Re cei v ed Fe brua ry 3, 201 5; Revi se d March 25, 201 5 ;  Accepte d  April 10, 201 5   Robot Three Dimensional Space Path-planning  Applying the Improved Ant Colony Optimization      Zhao Ming* 1 ,   Dai Yong 2   1 Appli ed T e chn o lo g y   Col l eg of Univers i t y  of  Science a nd T e chn o lo g y  Li ao nin g ,   Ansha n , 114 05 1, Chin a   2 School of Elec tronic an d Infor m ation En gi ne erin g,  Univers i ty of Scie nce a nd T e chnol og y Liao nin g Ansha n , 114 05 1, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  as_zm y l i @1 6 3 .com 1 , 5789 1 613 5@q q .com 2       A b st r a ct     T o  mak e  robot  avoid o b stacle s in 3D space,  t he Phero m on e of Ant Colon y  Optimi z a ti on  (ACO) in   F u zz y   Contr o Upd a ting  is  put  forw ard, the P hero m one  U p d a ting  val ue v a ri es w i th T he  nu mb er of  iterati o ns   and th e p a th-p l ann ing  le ngth  by eac h a n t . the i m prove d  T r ansiti on Pro b a b ility Fu nction  i s  also  pro pose d ,   w h ich makes  mor e  sens e for  each a n t cho o s ing n e xt feas i b le p o i n t .T his pap er firstly, describ es the R obo t   W o rkspace M o deli ng  an d its  path-p l an ni ng basic method, w h ich  is  fol l ow ed by  introd uci ng the  i m prov e d   desi gni ng of th e T r ansitio n Proba bil i ty F unction an the me thod of Pher o m o ne F u zz C ontrol U pdati n g of  ACO in  detai l.  At the sa me  ti me, th e co mpa r ison  of opti m i z a t i on  betw e e n  the  pr e-i m pr o v ed ACO  and  the  improve d  ACO  is mad e . T he simulati on res u lt verifies  that the i m pr oved A C O is feasibl e  and av ail a b l e.     Ke y w ords :   3D spac e, ant colo ny opti m i z ation (ACO), p hero m one, tran sition pr oba bi lit y function, path - pla nni ng         Copy right  ©  2015 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  It has  bee a hot to pic for  rob o t avoi ding  ob stacl e s in  3 D   spa c e in th e field  of the  Optimal Sea r ch  Control in  recent yea r s. Ther e are a  numb e r of  available re search  m e tho d s,  su ch a s  A* Al gorithm [1, 2]  Artificial P o tential Field   method [3, 4]  and G eneti c   algorith m  [5, 6]  etc, but these method s h a ve its own li mitation to  some extent. By the time  of the early of the   ninth d e cade  of the t w ent ieth century,  Italian  schol ars M.Dorig o  et al  pro p o s ed  Ant Col ony  Algorithm [7,  8], This al gorithm is a n  an other h e u r isti c sea r ch  algo rithm which i s  u s ed to  sol v the optimi z ati on p r obl em.  This algo rith m ha advant age s in  fast  converg e n c e,  being  not  ea sy to   fall into lo cal  optimum,  which  solves the p r o b lem  o f  rob o t 3 D  p a th pla nnin g   better th an  o t her  algorith m s [9 ]. To the improveme n t of the conv e n tio nal Ant Colo ny Algorithm,  Fuzzy Cont rol  Pherom one   Upd a ting m e thod  as well a s  the  imp r ove d  de sig n  of  T r an sition P r o bability Fun c t i on  is intro d u c ed  in this pa pe r. What i s  improv ed ma ke s the conventio nal ACO  doe s better i n  pa th   planni ng and  redu cin g  the numbe r of iteration s     2.Robo t Wor kspac e Mod e ling and its Path-plannin g  Method   2.1 Robo t Workspa ce Mo deling    Firstly, A 3D  environ ment  with ob sta c le is  con s truct ed and  sh own by Figure  1. Then  this environm ent is divid e d  equally into  M se ction s , e a ch  se ction i s  in o ne unit  averag e g r id,  as  is sh own by Figur e 2 , Figure 3. In this way,  the geometry sp ace  ABCD-EF G H  is con s tru c ted.  hypothe sis: AB=m,  BC=n,  CG=v, The  discrete  p o int  in this environment can  be loo k ed o n  as   P(i, j, k ) , where i= {0, 1,2, …,m}, j= {0, 1,2,  …,  n}, k={ 0 , 1,2, …,v},  therefore x=i, y=j,     z= k .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Rob o t Thre e Dim ensio nal  Space Path -p lannin g  Applying the Im proved Ant… (Z hao Ming 305   Figure 1. 3D  Environme n t with ob stacl e         Figure 2. Environm ent Sections  Figure 3. The  gridde d se cti o n       2.2. Three Di mensional Path -planning  of Robo w i th ACO   In the  grid de d three-dime nsio nal sp ace,  a ce rtain p o int  1 P i (i-1,j,k ) o n  the  plan 1 Π i ( i  taking valu es  1,2, …, m) makin g  a line t o  a ce rtain po int  P i (i,j,k) on th e plane  Π i (i taki ng value s   1,2, …, m) does not ke ep i n  touch with  any obsta cle s , then the path from the poi nt  1 P i (i-1,j,k) to  the point  P i (i,j,k) is called the feas ible r out e, at the  sam e  time, this fe asibl e  route i s   store d  in th list  (i, j , k ) A llowe d . ACO 3 D  p a th pla n n ing i s   simpl y  that findin g  out th e fe asibl e  optim al  path () the sh ortest path f rom the sta r ting point to  the target point In the gridde d three- dimensional  space. A c cording to the A C Transi tion Probability  Function [10]  and Pherom one  Upd a ting Rul e  [10], under  the pre - condit i on of all passing p o ints b e longi ng to  (i , j , k ) A llowe d , i n   the O-XYZ coordi nate sy stem with obst a cle s , the  ro bot can  set o u t from the starting poi nt Son  0 Π , to reach a  certain p o int 1 P (1 , j, k )∈ (wh e r e  j ,   , …,  n} ,k , …, v ), and then to  rea c h a ce rtai poi nt  2 P (2, j, k )  ( w h e re  j ∈{ , …,  n} ,k ∈{ , …,  v ) fro m  the   point  1 P (1, j,  k , taking turns re aching a  certain p o int  1 P m m-1, j, k )∈ (w her e  j ,   , …,  n} ,k , …,  v ) on the plane  1 Π m ,in the end, to reach the de sti natio n point D fro m  the point  1 P m m-1, j,  k ,  Above all, a optimal path betwe en the startin g  po int to the des tination point i s  co nstructe d   S 1 P (1, j, k 2 P (2, j, k ) 1 P m m-1, j, k D.          3. The Improv ed Designing ofACO   3.1. The Improv ed Designing of th e Transition Probabilit y  Fu nction  Acco rdi ng to geomet ric p r i n cipl es, co nn ection  (straig h t line)L from  the starting  point to   the target p o int is the  shorte st p a th, und er  the  pre - condition  that the r e  i s  n o   ob stacl e forpa ssi ng directly. That is to say, selectinga  ce rtai n  point relatively close to the line L on the   next plane  ca n app roximat e ly approa ch  to this line,  therefo r e the  distan ce from  the point P on  the next plane to the line L has an  effect  not only  on t he Transition  Probab ility Function, but al so   it plays a  de cisive role in t he conve r gen ce of th e alg o rithm,thu s  th e Di stan ce F a ctor con c ept  is  introdu ce d in this pap er.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  304 – 310   306 Defini tion:  T he Di st an ce  Fact o r   1 1 1 i i PL D P L  , where 1 PL i  is the di st ance from  th point  1 P i (i+1,j,  k) belon ging  to  (i , j , k ) A l l owed  to the  strai g h t -line L. T he  Dista n ce Fa ct or  D pl ays  a role in sele cting the next  feasible p o in t wh ich a ppro x imately approache s to the optimal path L  (the sh orte st path).   The co nventi onal Tran sition Prob ability Function take α  =  1,   β  = 1, then whi c h is  multiplied  by the  Dista n ce  Facto r . A b r a nd n e w Tr an sition Pro babili ty Function  fo r a  ce rtain  poi nt P i (i,j,k ) on  Π i  (i=0,  1, 2, …, m-1) getting to a certain poi nt  1 P i (i+ 1 ,j,k) on  1 Π i  is  f o rmed:    1 1 1 1 ,1 1 (P , P ) , ( i, j, k ) (P , P ) 0, i ii ii i ii ii τ d DP t o P A l l o w e d τ P d el s e                                         (1)  Whe r e,  1 i τ  is the Pherom one  value of the point 1 P i (i+1,j, k)  on the plan e 1 Π i 1 (P , P ) ii d  i s  the  distan ce fro m  the point  P i (i, j ,k ) to the point  1 P i (i+ 1 , j, k )   3.2. The Pheromone Fu zz y  Control Updating Me thod   Ant Colon y  Algorithm applied to  three-dimensional path pla nninggenerally pu ts   pheromo n e s  on the co nne ction bet wee n  the grid din g   points, thi s  sort of de sig n ing for ACO  will   lead to a particularly large  amount of computat ion. If the Pheromone is sim p ly placed on th griddi ng poi nts inste ad of the co nne ctio n betwe en  th e grid ding p o ints, then this desig ning  wi ll  not only great ly reduce th e computational  com p lexity  of the algorithm [11],  but al so it will  be v e ry  con v e n i e nt f o r u p dat in g t he P h e r o m o ne v a l u e. F u zzy  Con t ro l Ph e r o m on gl ob a l  u p dat i ng  is  applied in  this pap er, the u pdating  formula  from the p e riod t to  the     perio d(t + n ) :     (t n) ( 1 ) ( t ) Δ t ij k i jk i j k τρ τ τ          ( 2 )     Whe r e (t ) ijk τ  repre s ent s the no t updated ph erom one val ueon the p o i n P ( i, j, k) i ρ  is the   Pherom one Evaporatio n Rate,  1 - ρ  rep r esents the  Pherom one  Re sidu eFa c tor, taki ng  ρ  =  0.7.   Δ t ij k τ =Q/Nt, wh ere  Nt is the number of point s passe d by the ant, Q rep r esents the to tal amount  of each ant’ s  pheromo ne,  Q pa ramete r is ve ry imp o rtant, Thi s   pape r u s e s  fuzzy rea s o n i n g   method s to  control  the  am ount of  ea ch   Ant’s Q  in  order to g e t a   more  rea s on able  amou nt  of Q.  there  are t w o v alues dete r mines the  am ount of  Q, the   first i s  NC th e nu mbe r  of  i t eration s   of A C [12-14], an the se co nd i s  dthe l engt h of ea ch  a n t’s path f r o m  the sta r tin g  point S to  the   destin a tion  p o int D.  Q th e  amo unt of  p hero m on ca rrie d  by  ea ch  ant i s   a fixe d value  in  the   conve n tional Ant  Colony Algorithm,  it is  un sci entifi c . In the ea rly period  of  the Pheromo n e   Upd a ting, if  Q is so la rge ,  then the Ant Colony  Algo rithmwill qui ckly fall into local optimum,  on   the other  han d, if the Q is  soli ttle, then t he convergen ce  spe ed of  t he Ant Col o n y  Algorithm will  be  slo w . ab o v e all, the  be st way is that  Q is  set li ttle  when  NC is little, Q is set large when NC is   large. Fu rthe rmore, the pat h (the straigh t  line)  betwe e n  the target p o int and the  starting p o int is   the be st  sho r test route, if t her e  i s  d  the  length  of pat h ma de  by a n  certai n a n very cl ose to  the  ideal  straig ht-line L, the n   the Q ofthis  ant sh ouldb e  set large r  in  orde r to imp r ove Pro babil i ty  forothe r  a n ts ch oo sing  thi s  p a th, ma ki ng o p timizati on a gain  on  this  path  co uld imp r ove   the   conve r ge nce  spee d. Accordin g to the input  and  output rea s oning rule sin  Fuzzy Cont rol  Algorithm, M e mbe r ship F u nction  ap plie d trian gula r  [ 15]. NC the  a m ount of  Iterations is the i nput  taking val u e s  from 0 to 1 00 times  (ex perie nce valu e) in Fi gure  4, d the len g t h of the pat h is   anothe r in put  takin g  valu e s  from 2 0   (Fi gure  1 th e axi a l len g th i s  th e shorte st) to  200  (exp eri e nce   value) in Fig u r e 5, Q the ca rrying am ount  of  pherom on e is the outpu t shown in Figure 6.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Rob o t Thre e Dim ensio nal  Space Path -p lannin g  Applying the Im proved Ant… (Z hao Ming 307       Figure 4. NC  the iteration s  input   Fi gure 5. d the length of pa th input            Figure 6. Q the carrying am ount of phero m one       In this pape r, mamda n i rea s oni ng is a ppl ied, Fuzzy Re aso n ing flo w  diagram sho w n in  Figure 7:          Figure 7. Fuzzy Rea s o n ing       F u zz R e as on in g   r u les a r e  sh ow n in  Ta b l e   1 ,  F i gu re  8 is a F u z zy R e as on in r u le ta b l in grap hic fo rm.      Table 1. Q va lue of Fuzzy Rea s o n ing     dS   dM   dB  NCS  NCM   NCB   QM   QM   QB   QS   QS   QM   QS   QS   QS     N C  Itera tion   Q   Carry ing  phero m o n e     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  304 – 310   308     Figure 8. Fuzzy Rea s o n ing  rule table in  grap hic fo rm       4. The Desig n ing for th e Fuzz y  ACO  Steps of the algorith m  is a s  follows:   Step 1:  T he  3D spa c e en vironme n t with obsta cle s  i s  initialized , establi s h th e linear  equatio n fro m  the startin g  point to the destinati on  point, cal c ula t e PL the length of each p o int  belon ging to  (i , j , k ) A llowe d   to the straight  line L.  Step 2:  A ccordin g to fo rmula  (1) u s e  roul ette met hod to  dete r mine the  nex t point of  each a n t, ant rea c hin g  th e targ et poi nt  apply Fu zzy  Control Ph eromone  Updat ing formula  (2 ) to  update the p h e rom one.   Step 3:  Dete rmine  wh ethe r ea ch  set of  all the ant have complet ed path  plan ning, if  not, go to step 2.  Step 4:   Det e rmin es whe t her th stop ping  co nditio n  of thi s  al g o rithm i s   me t, if it is,  output the opt imal path and  end,  otherwi se, go to step  2.      5. Simulation Resul t s   As sho w n in  Figure 1, A robot in a three dime n s ion a l terrain with ob stacl e s ap plie s fuzzy  Ant Colony Al gorithm to fin d  out an  opti m al path fr om  the sta r ting p o int (0,10, 0) t o  thede stinati on  point (20,8,0 ) . Hypothe si s: The r are 2 0  ants in  ea ch  set, ma ke  an   experim ental  comp ari s o n  o f   conve n tional  Ant Colony Algorithm a nd the impr oved  Ant Colony Algorithm, Matl ab 200 8 obtai ns  the simulatio n  results  sho w n in Figu re  9 and Figu re  10.  These re sult s clearly sho w  that the impro v ed algorith m  not only gets a better path  in th e   path plan nin g , but also  redu ce s app roximately An t Colony Alg o rithm iterations to the h a lf  amount of  work, the  co nverge nce rate  also im pr oves a lot. Spe c i f ic experi m en tal data re sul t are sho w n in  Table 2:           Figure 9. The  conventio nal  ACO for path - plan ning       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Rob o t Thre e Dim ensio nal  Space Path -p lannin g  Applying the Im proved Ant… (Z hao Ming 309       Figure 10. Th e improve d  ACO for p a th-p lannin g          Table 1. Co m pari s on of two algorith m algorithm comparison  Experiment   Experiment   Experiment   Average   improved ACO  Best path  length    iterations    35.032     43      34.871     46    34.904     50      34.936     47    conventional  ACO  Best path  length    iterations  44.381       90  45.082       88  45.128       85  44.864       88      6. Conclusio n   The imp r ove m ent of the  Tran sition  Proba bility Functio n  and  Pherom one  Upd a ting  method s in convention a l Ant Colony Alg o rithm great ly incre a ses th e conve r ge nce rate of the Ant  Colony Algori t hm, reduces the num ber  of iterations, effectively  avoids fallingint o local  optim al   probl em, e n a b les ant sto fi nd the  first  pathwith  go o d  re sult s. In  addition, th e  location  of the   pheromo ne i s  o n  the  po intsin stead  o f  the c onne ction  betwee n  the  points, whi c h g r e a t ly  improve s  the  comp utationa l spe ed.  Cl ea rly, the impro v ement of An t Colony Alg o r ithm can b e tter  improve  the  rate of three - d i mensi onal  p a th pla nning  and optimization.  The r efo r e,  this de sign ing   can p r ovide b r oad p r o s p e ct s for furthe r o p timization of  three-dimen s ional ro bot pa th plannin g     Referen ces   [1] P  Vadakk e p a t CT  Kay ML W ang . Evol utio nary Artifici al P o tentia l F i el ds  and T h eir Ap pl icatio n in  Re al   T i me  Ro bot P a th Pl ann in g . 9th Intern atio n a l C onfer ence  on E l ectro n ic  Measur eme n t & Instrumen t   ( ICEMI’200 9). 200 9.  [2]  Ou yang  xi n y u,  Yang shu g u a ng. Contro l En gin eeri ng  of C h in a.Obstacle  Avoid ance P a th Plan nin g  of  Mobil e  Ro bots Based o n  Pote ntial Grid Meth od.  Shen ya n g : Northe astern U n iversit y . 20 14.   [3]  JIA Qingxuan, CHEN Gang, SUN Hanx u, ZHENG S hua ng qi. Path Pla nni ng for Spac e Mani pul ator t o   Avoid Obstacl e Based o n  A* Al gorithm.  Jour n a l of Mecha n ic al Eng i ne eri n g .  2010.   [4] Li  Xia X i e Jun Cai Ma n y i Xie Ming W ang Z h ike.  Path Pla n n in g for UAV Based o n  Impr o v ed He uristic  A~* Algor ithm .  9th Intern atio nal  Co nferenc e on  El ectro n i c  Measur eme n t  & Instrument  ( ICEMI’2009 ) 200 9.  [5] Ramakrishnan  R Z e in-Sab atto S.  Multipl e  pat p l a nni n g  for a gr ou p  of mo bi le ro bots in  a 3 D   envir on me nt using g e n e tic al gorith m s . Proc eedings  of IEEE Southeast  Con.   200 1.   [6] Ismail  AL-T aharw a Al aa S het a Mohamme Al-W esha h. A Mobil e  R obot  Path Pla nni ng  Using Ge netic   Algorit hm in Static Enviro nme n t.  Journal of C o mputer Sci e n c e.  2008 .   [7]  Dua n  ha ibi n . T he pri n cip l e of  ant colo n y   al gorithm  a nd it s appl icati on. Beiji ng:  Sci enti f ic Publis hin g   Hous e. 200 5.  [8] Dorigo  M Maniezzo V Co lor n i A. A n t s y ste m : optimiz atio n b y   a  col o n y   of coo per ating  ag ents,  IEEE   T r ansactio n s o n  Systems, Ma n, and  Cyb e rn etics Part B: Cybern e tics.  199 6 [9] X i aoping  Fan Xi on g Luo S h eng  Yi She ngy ue  Ya ng H eng  Zh an g .   Optim a l Path Plan nin g  for  Mob ile   Rob o ts Bas e d  on  Intens ifie d Ant  Co lony  Opti mi z a ti on   Algorit h m . Pro c eed ings  of t he  20 03 IEEE   Internatio na l C onfere n ce o n  Rob o tics, Intelli gent S y stem-s and Si gn al Pro c essin g 200 3 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 2, May 2015 :  304 – 310   310 [10]  Shi fe ng, Wa n g  h u i, Y u   lei,  Hu fe i. An al ysi s  of 3 0  c a ses  of Matl ab  int e lli ge nt a l gor ithm. Bei h a n g   Univers i t y  Pr es s. 2011.   [11]  Hu hui, Ca i xi usha n. An improve d  Ant Colo n y   A l gor ith m  of  T h ree-Di mensi ona l Path Plan nin g  of   Robots.  Comp uter Engi ne erin g and Sci enc e . 2012.   [12]  Liu g eng, Ma l i an g. F u zz y  an t colo n y  al gorit hm and its ap plicati on i n  T S P.  Mathematic s in Practic e   and T h e o ry . 20 11; 6.  [13] Ehsan  Am iri Hassa n Kesh a v arz, Mojtab a  Alizad eh ,  Ma zdak Z a ma ni T ouraj Khod a dad i S Khan.   Energ y  Efficie n t Routin g in  W i reless Sens or Ne t w orks B a sed on Fuzzy  An t Colony   Op timization,   Internatio na l Journ a l of  Distri buted  Se nsor  Netw orks.  201 4 [14] Liu   Yu Ya n Ji an-F e n g Yan  Guang- Ron g Lei  Yi.  AC O with  fu z z y ph e r om on e l a yi n g   me ch an i s m .  20 11   W o rld Co ngres s on Engi ne eri ng an d T e chno log y  (CET  201 1) 2011.   [15]  Ding  ji anme i W ang kec o n g . Simulati on  an d  Optimiza tio n  o f  F u zz y  C ontro l l er C ontrol  Ru l e s Base d o n   Matlab.  Jour na l of Harbi n  Institute of T e chnol ogy . Harb in: H a rbi n  Institute of  T e chnol og y.  2004.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.