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遗传算法-无人机在抢险救灾中的优化运用 (3).pdf
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遗传算法-无人机在抢险救灾中的优化运用 (3).pdf
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1
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题 目 无人机在抢险救灾中的优化运用
摘 要:
对于地震等自然灾害,及时高效的灾后救援十分重要,无人机能在救援行动
中发挥重要作用。本文针对无人机的优化运用,探讨了有关无人机的几个问题。
针对第一个问题,要求在给定时间内对指定区域 3000 米以下的部分进行巡
查。先通过 MATLAB 绘图功能实现问题的可视化,找到待搜索区域;由于飞机
高度恒定为 4200m,需要躲避高于 4200m 的部分的障碍,并且要求路线尽可能
短,以此为条件,使用避障 A 星算法,规划从出发点到待搜索区域的路径;再根
据实际情况,在每个重点区域范围内规划相应路径。结合避障 A 星算法和搜索
区域内部规划方法,得到无人机的数量和每架无人机的规划路程。一共派出 6 架
无人机,覆盖率达到 84.38%,每架无人机路线都在图中有所体现。进一步地,要
求每 3 小时对巡逻点至少进行两次巡逻,根据无人机飞行时间,分析出最多同时
有三轮无人机飞行。根据平均扫描带宽计算出无人机的数量为 45 架,合理划分
区域并设计路线。
对于问题二,共派出 30 架无人机,使用无人机携带生命探测仪搜索海拔 3000
米以下的生命迹象,探测仪的有效探测距离最大 1000 米。设计让无人机在较稳
定高度范围内飞行,按照高度区间把待搜索范围进行分层,每层分别指派无人机
进行搜索。对每层的待搜索区域,用骨骼提取算法提取出大致的路线计算出路线
总长度,再将若干条断开的路线用最短的方式连起来,用规划模型确定最短时间,
得到无人机完成生命探测工作的最短时间为 5.282 小时。文章还介绍了用 nurbs
曲线进行轨迹平滑的方法。
对于第三个问题,为解决灾区通信中断问题,为 72 个地面移动终端分别分
配一架无人机以完成通信任务,以这 72 架无人机所在位置为圆心作出半径为
3km 的圆形,对于无人机中间不能通信的部分添加中继无人机。无人机在直径为
2 千米的圆形内移动时,能满足无人机和通信终端不超过 3 千米的要求,如果相
邻无人机之间距离不大于 2km,两者可以共用一架无人机。最后求出无人机的数
2
量为 97 架。
针对问题四,对公式里的参数进行分析,得到距离、飞行速度和传输速率之
间的关系。在 给定速度和高度的情况下,算出每个移动终端的传输数据量,对传
输数据量小于 500M 的移动终端,合理增加无人机与该终端的传输时间。用 K-
means 算法对 72 个终端进行聚类分析,将终端分为 3 类。用遗传算法找到各无
人机的最短路径,求出各自需要的时间,包括增加的时间,3 个时间的最大值为
6.46h,故总时间为 6.46h。
关键词:无人机 A 星避障算法 通信中继 遗传算法 最优路径
3
目 录
摘 要:.................................................................................................................. 1
1 问题重述............................................................................................................ 5
1.1 问题背景.................................................................................................. 5
1.2 待解决的问题.......................................................................................... 5
2 模型假设及符号说明........................................................................................ 6
2.1 模型假设.................................................................................................. 6
2.2 符号说明.................................................................................................. 7
3 问题一模型建立与求解.................................................................................... 8
3.1 问题分析及模型建立.............................................................................. 8
3.1.1 问题 1(a)分析 ......................................................................... 8
3.1.2 问题 1(b)分析......................................................................... 9
3.2 问题 1(a) ........................................................................................... 10
3.2.1 问题的可视化............................................................................. 10
3.2.2 避障 A 星算法介绍及应用 ........................................................ 13
3.2.3 待搜索区域内部路线规划......................................................... 14
3.3 问题 1(b)........................................................................................... 18
4 问题二模型建立与求解.................................................................................. 20
4.1 问题二描述及分析................................................................................ 20
4.2 模型建立与解算.................................................................................... 21
4.2.1 问题的可视化............................................................................. 21
4.2.2 骨骼提取.................................................................................... 23
4.2.3 NURBS 的无人机轨迹平滑 ...................................................... 26
5 问题三模型建立与求解.................................................................................. 30
5.1 问题三描述及分析............................................................................... 30
5.2 模型建立与解算................................................................................... 31
5.2.1 初步无人机位置安排................................................................ 31
5.2.2 无人机数量添加情况................................................................ 33
5.2.3 无人机数量减少情况................................................................. 35
6 问题四模型建立与求解.................................................................................. 37
6.1 问题四描述及分析................................................................................ 37
6.2 模型建立................................................................................................ 38
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4
6.2.1 问题的可视化............................................................................. 38
6.2.2 模型建立与求解........................................................................ 39
7 模型的优缺点.................................................................................................. 45
7.1 模型的优点............................................................................................ 45
7.2 模型的缺点............................................................................................ 45
8 参考文献.......................................................................................................... 45
5
1 问题重述
1.1 问题背景
2017 年 8 月 8 日,四川阿坝州九寨沟县发生 7.0 级地震,造成了不可挽回的
人员伤亡和重大的财产损失。由于预测地震比较困难,及时高效的灾后救援是减
少地震损失的重要措施。无人机同直升机相比,体型小巧、飞行成本较低且起飞
和飞行时受到的限制较少。而且直升机飞行的高度过高,不利于搜寻到较小的物
体和人,无人机也对这一点有所改善。另外,直升机搜救所存在的最大问题,是
在山区飞行时,需要飞行员具备十分高超的驾驶技术,稍有不慎就会造成重大损
失,而无人机不需要飞行员冒着巨大危险驾驶。搜救的山区地形险恶,无人机作
为一种新型运载工具,能有效避免搜救过程中搜救人员的二次伤害。
综上所述,无人机具备机动性强、灵活性高、成本低等优势,能够在救援行
动中发挥重要作用。
给定的震区高程数据共有 2913 列,2775 行,第一行第一列表示(0,0)点处的
海拔高度值(单位:米),相邻单元格之间的距离为 38.2 米,即第 m 行第 n 列单
元格中的数据代表坐标(38.2(m-1), 38.2(n-1))处的高度值。震区 7 个重点区域的中
心位置也相应给出。
无人机的机型参数如下:平均飞行速度 60 千米/小时,最大续航时间为 8 小
时,飞行时的转弯半径不小于 100 米,最大爬升(俯冲)角度为±15°,与其它障
碍物(含地面)的安全飞行距离不小于 50 米,最大飞行高度为海拔 5000 米。所有
无人机均按规划好的航路自主飞行,无须人工控制,完成任务后自动返回原基地。
1.2 待解决的问题
针对给出的震区,本文依次解决以下无人机优化运用的几个问题。
问题 1 在 4 小时之内使区域 S 内海拔 3000 米以下的地方尽可能多地被巡查
到,求出最少需要多少架无人机,以及此时的覆盖率,并设计每架无人机的飞行
路线,画出相应的飞行路线图及巡查到的区域(不同的无人机的飞行路线图用不
同的颜色表示)。
进一步,为及时发现次生灾害,使用无人机在附件 1 给出的高度低于 4000
米的区域(不限于 S)上空巡逻。求出最少需要多少架无人机、如何设定每架无
人机的飞行时间、路线,以保证在 72 小时内,上述被巡查到的地方相邻两次被
巡查的时间间隔不大于 3 小时(无人机均需从 H 出发并在 8 小时内回到 H,再出
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- Focus1762022-11-26资源质量不错,和资源描述一致,内容详细,对我很有用。
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