无人机抢险资料/ 来源网络-无人机救援 可靠的空中卫士
黄麦
摘 要：无人机作为一种抗震救灾的新型运载工具，能够快速有效地巡查灾区，将信息反馈到救援基地，以便及时制定出合适的救援方案。本文以某受灾区的實际情况为基础，假定无人机飞行速度一定，飞行高度一定，巡查到目标灾区范围尽量最大，在该情况下所需要的无人机最少架数及行驶路线。本文将问题抽象为多旅行商问题，根据实际数据绘制出灾区的地形图并确定救援范围，设置约束条件和目标函数，通过遗传算法计算出无人机的最优情况下的数量和行驶时间，并基于此给出关于行驶轨迹的最优解。
关键词：无人机；抢险救灾；数量与路径优化；旅行商问题；遗传算法
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0240-02
随着现代科技的发展，无人机的应用越来越广泛，不仅适用于传统的侦查监视、目标轰炸等军用领域范畴，且同样适用于航拍、监测、森林防火、抗震救灾等领域。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。无人机作为一种新型运载工具，能够在救援行动中发挥重要作用，为提高其使用效率，那么解决无人机优化运用问题显得尤为重要。无人机的行驶路线可看做旅行商问题TSP（Traveling Salesman Problem，TSP），有关TSP问题的研究在现实问题中有很大的使用价值。诸如：交通运输、管道铺设、路线的选择、计算机网络的拓扑设计、邮递员送信等，都可抽象成TSP或MTSP（Multiple Traveling Salesman Problem）问题，而对于TSP问题有多重解法[1-4]。
本文以某地发生的实际地震为研究对象，使用无人机巡查灾区，其中有数个重点区域即以确定点为中心半径为10公里以内的受灾区。无人机要尽可能多地巡查到重灾区内海拔3000米以下的地方，以便于在地震发生后及时了解灾区情况，从而制订救援方案。模型可抽象为，多架无人机从同一地点出发，到不同的受灾区域进行巡查，最后选择一个所用时间最短、无人机数量最少（降低成本）的路线，其对应数学模型可抽象为多旅行商问题，旅行商问题是一个典型的组合优化难题，它在许多领域都有着广泛的应用，已被证明属于NP问题。本文选用遗传算法来解决多旅行商问题。
1 地形图及重灾区相对位置
根据已有灾区地形的数据，运用matlab软件建立地形图如图1所示，并绘制出重灾区与基地的相对位置如图2所示，当所有无人机均从基地出发时，要求在4小时内使区域S内海拔3000米以下的地方尽可能多地被巡查到，理解为，无人机数量越多，一方面覆盖率会增加，巡查范围变大；另一方面，无人机投入越多则成本越大，且花费时间越多，飞行路径也将随着无人机数量的增加而增加。
根据实际情况设置约束条件及目标函数分别为：无人机飞行高度恒定为4200米，飞行速度恒定为55km/h。若所有无人机均同时从某基地出发，巡查完成后即刻返回基地，执行任务的总时间不超过4小时。
2 目标区域选择
通过过滤3000m以下的灾区数据，可得到目标范围区域，将这些范围的面积纳入重要性比例系数。设重要性比例系数为目标范围面积与重灾区总面积的比，即，其中总面积，目标范围面积由软件计算得出。计算得出各重灾区域的重要性比例系数如表1所示。
从表1可看出各重灾区的重要性比例系数中A区域最小，根据资料分析，为了在4小时内，使区域S内海拔3000米以下的地方尽可能多地被巡查到，就必须做舍弃A区域的决定，进一步来优化规划无人机飞行路径的安排。
3 无人机数量及飞行路线优化
在考虑无人机的巡查范围时，已知无人机以恒定高度Hf=4200米飞行，地面某点看见无人机的仰角大于60°且视线不被山体阻隔。则根据公式L=2Hf×tan（30°）=4850米，得到无人机的巡查带宽如图3，若忽略无人机进入重灾区的转弯半径对行驶过程的影响，无人机从进入重灾区后，以巡查带的宽度绕重灾区巡查，假设无人机以最短时间巡查一圈，图中阴影面积为巡查覆盖面积，其示意图如图4。
行驶问题抽象为TSP问题，选用遗传算法。根据上一步得出的结论进一步简化问题为4小时内，用最少的无人机巡查6个重灾区，利用matlab进行最优化路径规划。通过计算得知，选用4架无人机的时候虽然飞行的总距离为最短，但是无人机数量是最多的，且飞行时间超过4小时，因此舍弃该路径。当无人机数量为2架时，每架飞机任务量很重，飞行的距离也远，飞行时间也超过了4小时。因此，3架无人机的数量，飞行距离居中，时间在4小时以内，基本符合各项约束条件，且与其他规划路径相比为最优解。无人机最优飞行路径如图5所示。
4 结语
本文对某实际受灾地区建立了三维模型，对比了各重灾区与救援基地的相对位置，通过权重系数衡量了一定时间内救援的有效性。并将无人机行驶问题简化为旅行商问题，对在一定约束条件下的无人机行驶数量及路线进行了研究，通过设置约束条件和目标函数，运用Matlab软件实现改进的遗传算法，比较分析了3种不同数量无人机行驶的飞行总路程和总时间，综合得出最优解即使用3架无人机执行救援任务，并给出了无人机的最优飞行线路。
参考文献
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