针对无人机在三维动态环境下路径规划存在的实时性差、避障精度低、路径平滑性不足等问题，提出一种部落竞争与成员合作算法（Competition of tribes and cooperation of members algorithm，CTCM）混合的路径规划方法。首先，利用部落竞争与成员合作算法完成全局路径的离线规划；其次，结合动态窗口法进行局部动态避障的在线优化，利用无人机运动学约束筛选速度窗口，保证路径的实时性和安全性；最后，通过三维动态仿真环境验证算法性能。实验结果表明，混合算法在动态障碍物场景下，具备更优的路径长度、避障成功率和实时响应速度，满足无人机三维动态环境下的路径规划需求。
一、引言
无人机在物流配送、电力巡检、应急救援等领域的应用日益广泛，其作业环境逐渐从结构化静态场景向非结构化动态场景拓展。三维动态避障路径规划作为无人机自主导航的核心技术，需要同时满足全局最优性 、局部实时性 和运动安全性三大要求。
传统路径规划方法可分为全局规划和局部规划两类。全局规划方法如A*算法、Dijkstra算法、粒子群算法等，能够生成全局最优路径，但对动态障碍物的响应能力不足；局部规划方法如动态窗口法、人工势场法等，具备较强的实时避障能力，但易出现局部最优或路径震荡问题。因此，将全局规划与局部规划相结合，成为解决三维动态避障问题的主流思路。
动态窗口法基于无人机运动学模型筛选可行速度集，能够快速响应动态障碍物，但缺乏全局路径引导，易导致路径偏离目标。基于此，本文提出CTCM-DWA混合算法，通过全局路径引导局部避障，实现无人机在三维动态环境下的高效路径规划。
二、相关基础理论
2.1 无人机三维运动学模型
为简化分析，将无人机视为质点，其在三维空间中的运动状态可由位置坐标 (x,y,z)(x,y,z)(x,y,z)
2.2 部落竞争与成员合作算法
部落竞争与成员合作算法（Competition of tribes and cooperation of members algorithm，CTCM）由 Chen Zuyan等人于2024年提出的一种智能优化算法。该算法受古代部落之间竞争及其合作行为的启发而得。
参考文献：
1\]Zuyan Chen, Shuai Li, Ameer Tamoor Khan, Seyedali Mirjalili, Competition of tribes and cooperation of members algorithm: An evolutionary computation approach for model free optimization, Expert Systems with Applications,Volume 265,2025,125908,ISSN 0957-4174, https://doi.org/10.1016/j.eswa.2024.125908. 原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_46204734/article/details/144928707 原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_46204734/article/details/144996438 #### 2.3 动态窗口法原理 动态窗口法的核心思想是在速度空间中搜索最优速度向量，其核心步骤包括： 1. **速度窗口采样** ：根据无人机运动学约束，生成可行速度集 VsampleV_{sample}Vsample； 2. **轨迹预测**：对每个采样速度，预测未来一段时间内的无人机轨迹； 3. **评价函数计算**：通过评价函数评估每条预测轨迹的优劣，筛选出最优轨迹对应的速度； 4. **速度更新**：将最优速度作为无人机的当前运动速度，完成局部路径规划。 评价函数包含**目标趋近度** 、**避障安全性** 和**速度平滑性** 三个指标，其表达式为： G(v,ω)=α⋅heading(v,ω)+β⋅dist(v,ω)+γ⋅velocity(v,ω)G(v,\\omega)=\\alpha \\cdot heading(v,\\omega)+\\beta \\cdot dist(v,\\omega)+\\gamma \\cdot velocity(v,\\omega)G(v,ω)=α⋅heading(v,ω)+β⋅dist(v,ω)+γ⋅velocity(v,ω) 其中，α,β,γ\\alpha,\\beta,\\gammaα,β,γ 为权重系数，headingheadingheading 表示轨迹与目标方向的夹角，distdistdist 表示轨迹与障碍物的最小距离，velocityvelocityvelocity 表示轨迹的速度大小。 #### 2.4 混合算法的整体流程 CTCM-DWA混合算法的整体流程如下： 1. **环境建模**：构建三维空间环境模型，输入无人机起点、终点坐标，以及静态障碍物和动态障碍物的初始位置与运动参数； 2. **全局路径规划** ：利用**部落竞争与成员合作算法生成避开静态障碍物的全局路径**，并将路径节点存储为引导点序列； 3. **无人机状态感知**：无人机通过传感器实时获取自身位置、速度信息，以及动态障碍物的实时位置； 4. **局部动态避障** ：以全局路径为引导，采用**动态窗口法生成局部避障路径**，驱动无人机运动； 5. **路径更新与终止判断**：无人机每运动一个步长，重复步骤3-4，直至到达终点。 ### 三、仿真实验与MATLAB代码 ```bash clc; clear; close all; global model % Number of runs model = CreateModel(); % Create search map and parameters CostFunction=@(x) MyCost(x); % Cost Function nVar=model.n; % Number of Decision Variables = searching dimension of ACO = number of path nodes VarSize=[1 nVar]; % Size of Decision Variables Matrix %% 算法求解 [Fgbest,Xgbest,BestCost,Kk] = (pop,M,lb,ub,dim,CostFunction); %% Plot results % Best solution BestPosition = SphericalToCart1(Xgbest); disp("Best solution..."); BestPosition; smooth = 0.95; PlotSolution(BestPosition,model,smooth); % Best cost figure; plot(BestCost,'LineWidth',2); xlabel('Iteration'); ylabel('Best Cost'); grid on; save data.mat ``` 部落竞争与成员合作算法生成的全局路径   以部落竞争与成员合作算法生成的全局路径为引导，动态窗口法生成局部避障路径：     ### 四、完整MATLAB代码见下方名片