計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_2. 報(bào)名材料

本系列是2021年中國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽作品“環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)航線優(yōu)化”的相關(guān)文檔，獲得2021年西北賽區(qū)一等獎(jiǎng)，國(guó)賽三等獎(jiǎng)。學(xué)生習(xí)作，只供大家參考。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_1. 項(xiàng)目概要
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_2. 報(bào)名材料
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_3. 需求分析
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_4. 界面設(shè)計(jì)
[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_5. 核心算法]
[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_6. 測(cè)試報(bào)告]
[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_7. 安裝使用]
[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_8. 項(xiàng)目總結(jié)]
[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國(guó)獎(jiǎng)作品_9. PPT]

1. 作品名稱：環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)航線優(yōu)化

2. 內(nèi)容簡(jiǎn)介：

2.1 項(xiàng)目背景：

采用無人機(jī)搭載的大氣移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)特定區(qū)域和污染源的空氣污染情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有高效省時(shí)、靈活隱蔽、快速鎖定污染源的優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)飛行航線的規(guī)劃，需要在符合機(jī)動(dòng)性能、規(guī)避障礙等約束條件的前提下，設(shè)計(jì)一條完成分配任務(wù)的飛行航線。無人機(jī)的航線規(guī)劃，可以運(yùn)用模擬退火算法解決。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)：

1）研究現(xiàn)有模擬退火算法中操作算子的特征與相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)交換操作等價(jià)于兩個(gè)嵌套的反序操作的疊加復(fù)合；
2）由此通過計(jì)算交換操作的中間結(jié)果獲得兩個(gè)反序操作的結(jié)果，可以不增大計(jì)算量而獲得由交換和反序操作所產(chǎn)生的 3條新路徑；
3）由此提出一種新的交換-反序聯(lián)合算子模擬退火算法，不增大計(jì)算量而使模擬退火算法的搜索空間擴(kuò)大了3倍。

2.3 軟件特點(diǎn)：

1）采用改進(jìn)模擬退火算法，擴(kuò)大搜索范圍，提高優(yōu)化性能和效率；
2）完全自主開發(fā)了環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)航線優(yōu)化軟件，可以滿足無人機(jī)飛行航線規(guī)劃的應(yīng)用需求；
3）開發(fā)了考慮風(fēng)向影響的航線規(guī)劃功能。

3. 設(shè)計(jì)思路：

本項(xiàng)目研究的思路是按照算法研究、需求分析、程序設(shè)計(jì)、測(cè)試歸檔的步驟開展研究和設(shè)計(jì)：

3.1 算法研究：

（1）文獻(xiàn)調(diào)研與問題分析：研究現(xiàn)有反序、移位和交換等操作算子的特征與相互關(guān)系，分析算法的具體實(shí)現(xiàn)過程；
（2）算法改進(jìn)：先分別計(jì)算兩個(gè)嵌套的反序操作的路徑差，二者相加后就得到了交換操作的路徑差，也即由計(jì)算交換操作的路徑差的中間結(jié)果可以得到兩個(gè)反序操作的路徑差；
（3）提出優(yōu)化算法：提出一種新的交換-反序聯(lián)合算子模擬退火算法，可以不增大計(jì)算量而獲得由交換操作和反序操作所產(chǎn)生的 3條新路徑，使模擬退火算法的搜索空間擴(kuò)大３倍，提高優(yōu)化性能；
（4）測(cè)試改進(jìn)算法：以不同規(guī)模的Benchmark問題進(jìn)行測(cè)試，仿真結(jié)果表明聯(lián)合算子的性能優(yōu)于現(xiàn)有的移位、交換、反序算子，也優(yōu)于這些算子的組合方案。

3.2 需求分析：

（1）需求調(diào)研：

由于大氣污染具有“涉及區(qū)域范圍較大、區(qū)域之間污染物傳輸量大、污染源種類多、污染因子相對(duì)復(fù)雜”等特點(diǎn)，傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)方式面臨工作量大、靈活性差、污染源定位難等問題。采用無人機(jī)搭載的大氣移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)特定區(qū)域和污染源的空氣污染情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有高效省時(shí)、靈活隱蔽、快速鎖定污染源的優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)高空間、大面積監(jiān)測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)低空間較小范圍準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，通過多種檢測(cè)方法融合，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)。深圳可飛科技、廣州格賽、北京未來智能等公司的產(chǎn)品和解決方案都已經(jīng)投入商業(yè)應(yīng)用，為環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援、應(yīng)急響應(yīng)、智慧城市與科學(xué)研究等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的決策依據(jù)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)首先考慮滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)，通過搭載氣體檢測(cè)傳感器和云臺(tái)相機(jī)，將監(jiān)測(cè)氣體數(shù)據(jù)、相機(jī)獲取的圖像及無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸至控制中心。現(xiàn)有產(chǎn)品大多不具有飛行路徑規(guī)劃功能，主要通過人工設(shè)置監(jiān)測(cè)順序和飛行航跡。因此，開發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)航線優(yōu)化軟件，結(jié)合機(jī)動(dòng)性能、規(guī)避障礙等約束條件自動(dòng)進(jìn)行航線規(guī)劃，可以為客戶提供更好的用戶體驗(yàn)。

（2）問題建模與求解算法：

對(duì)無人機(jī)的飛行航線的規(guī)劃，需要在符合機(jī)動(dòng)性能、規(guī)避障礙等約束條件的前提下，設(shè)計(jì)一條完成分配任務(wù)的飛行航線。即對(duì)給定的正權(quán)完全圖求其總權(quán)重最小的Hamilton回路，是典型的旅行商問題。旅行商問題是經(jīng)典的組合優(yōu)化問題，屬于NP完全問題，其全局優(yōu)化解的計(jì)算量以問題規(guī)模的階乘關(guān)系增長(zhǎng)。
對(duì)于大規(guī)模旅行商問題的研究集中于高性能的近似最優(yōu)方法，包括基于特征信息（如位置、距離、角度等）構(gòu)造的各種啟發(fā)式搜索算法，以及通過模擬或解釋自然規(guī)律而發(fā)展的模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能優(yōu)化算法。

模擬退火算法是解決大規(guī)模組合優(yōu)化問題的常用方法，基于前述對(duì)模擬退火算法的研究和改進(jìn)成果，可以解決無人機(jī)飛行路線的路徑優(yōu)化問題。

（3）分析軟件需求：

業(yè)務(wù)需求：獲取指定環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地圖和位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取無人機(jī)機(jī)動(dòng)性能、規(guī)避障礙等約束條件，獲取無人機(jī)飛行航線規(guī)劃的優(yōu)化目標(biāo)；通過模擬退火算法進(jìn)行路徑優(yōu)化，并輸出優(yōu)化結(jié)果輸出；根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整飛行任務(wù)和飛行航線。

功能需求：①數(shù)據(jù)輸入功能，包括新建項(xiàng)目、導(dǎo)入項(xiàng)目、讀取數(shù)據(jù)文件；②設(shè)置，包括設(shè)置優(yōu)化參數(shù)、設(shè)置約束條件、設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)；③路徑優(yōu)化，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和條件，運(yùn)用改進(jìn)的模擬退火算法優(yōu)化加工路徑，顯示優(yōu)化結(jié)果；④結(jié)果輸出；⑤幫助功能。

用戶界面需求：①遵循圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)原則，界面直觀，對(duì)用戶透明；②界面設(shè)計(jì)中保持一致性，使用標(biāo)準(zhǔn)控件和統(tǒng)一的信息表現(xiàn)方法；③主界面設(shè)有菜單欄、工具單和快捷鍵，顯示上次運(yùn)行的優(yōu)化結(jié)果圖形；④菜單和子界面包括：數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設(shè)置、路徑優(yōu)化、結(jié)果輸出、幫助。

運(yùn)行環(huán)境需求：軟件采用 Python3.8編程，Qt開發(fā)GUI界面。推薦在Intel 1.6GHz以上CPU、2G以上內(nèi)存，Windows7/Windows10操作系統(tǒng)使用。

3.3 軟件設(shè)計(jì)：

（1）總體設(shè)計(jì)：①數(shù)據(jù)輸入模塊：新建項(xiàng)目，或?qū)腠?xiàng)目，或從文件讀取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)；②參數(shù)設(shè)置：模擬退火算法參數(shù)設(shè)置，可選約束條件設(shè)置，可選優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置；③路徑優(yōu)化：采用改進(jìn)模擬退火算法優(yōu)化路徑，可選其它優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化性能比較，圖形化顯示優(yōu)化過程，顯示優(yōu)化結(jié)果；④結(jié)果輸出：輸出優(yōu)化路徑，保存到文件；⑤幫助功能。
（2）程序編碼：在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析和模塊實(shí)現(xiàn)等方面的設(shè)計(jì)要求，編寫Python 程序?qū)崿F(xiàn)功能、性能、接口、界面的要求。

3.4 軟件測(cè)試：

（1）以不同規(guī)模的Benchmark問題進(jìn)行測(cè)試，并與原有算法、其它優(yōu)化算法進(jìn)行比較，主要測(cè)試改進(jìn)算法的優(yōu)化性能；

（2）針對(duì)典型用戶實(shí)際案例進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試軟件界面、功能模塊符合設(shè)計(jì)需求。

3.5 交付與總結(jié)：

編寫項(xiàng)目文檔（開發(fā)文檔、用戶手冊(cè)），整理過程文件并歸檔。
交付用戶試用；并收集用戶的意見，用于產(chǎn)品更新和升級(jí)。

版權(quán)聲明：

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總結(jié)

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