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研究生: 張書桓
Chang, Shu-Huan
論文名稱: 考慮安全距離之無人機群最佳飛行路線規劃研究:以群飛展演為例
A study on the optimal drone fleet flight path planning for drone light show with safety spacing consideration
指導教授: 王逸琳
Wang, I-Lin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 管理學院 - 資訊管理研究所
Institute of Information Management
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 69
中文關鍵詞: 無人機路徑規劃整數規劃電池充換電貪婪啟發式演算法
外文關鍵詞: Drone, Path Planning, Integer Programming, Battery Swapping, Greedy Heuristics
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  • 無人機展演的過程由轉場及展演交錯而成,展演時,根據腳本中的圖形設計可得 知需要無人機亮燈的座標位置,而除了在各個展演畫面變換的過程中避免無人機互相 撞擊之外,由於無人機的電池續航力的限制,需要在電池耗盡前返回地面充換電。因 此,如何經由適妥的路徑規劃,讓表演順暢進行、降低整個表演的總消耗電量,並有 效地減少成本支出,將會是無人機展演所面臨的重要議題。然而傳統上,無人機展演 的路徑規劃主要是以程式輔助逐一檢驗各架無人機之飛行路徑,檢驗其與它架無人機 飛行路徑是否全程保持安全距離,若有需要只能以人工手動方式調整,也因此容易顧 此失彼,難以兼顧全局,其規劃與調整過程十分費時耗力,又無法保證求解品質。
    本研究將無人機的電池續航力限制、展演座標上可進行移動的路徑、以及腳本中 預計亮燈之時刻與座標位置等設定視為已知,以層空網路為架構,將燈光秀過程分為 「展演」與「轉場」等兩類互相交錯的時間區段,建立整數規劃模式以規劃無人機在 展演時段的位置及轉場時段的飛行路線,期望在考量無人機行進間安全距離的前提下, 用最少的能量耗費以及無人機架數來完成演出。
    相較於現行無人機群飛展演所採用的人工編排路徑規劃方式,本研究提出的整 數規劃模式可根據展演腳本計算出理論上耗能最少且具安全距離保證的無人機群路 線規劃方式,然而此精確解法求解十分耗時,因此我們針對現實較大規模的展演再設 計滾動式求解機制與貪婪演算法等兩種啟發式演算法機制以加速求解。由多組不同情 境的數值模擬測試結果中,我們觀察到貪婪演算法求解極快但可能啟用較多架無人機, 而滾動式求解機制則以整數規劃模式為基礎,兼顧求解效率與品質,是具學理根據的 系統性創新作法,特別推薦給相關展演業者及學術研究,用於規劃考量安全距離的無 人機展演群飛路線。

    This research investigates a path planning problem for a fleet of drones making a light show. In particular, assuming that the figures in the light show are known beforehand, we need to deploy at least a drone in specific locations in the sky at a particular time. To the best of our knowledge, this problem is solved manually in practice. We propose an integer program (IP) based on a time-space network to calculate the movements for each drone with the minimum costs, including the fixed equipment costs and the total flying distance. We divide the entire show period into two types: the show period and the transition period, where the former displays the figures, and the latter is used for drones to transit to new positions in the sky. However, our IP model is too time-consuming. We, consequently, introduce a greedy heuristics algorithm that can calculate a good solution in a much shorter time. In addition, we propose a rolling horizon mechanism, which divides the entire planning horizon into smaller ones and then consecutively solves each IP model of a shorter planning horizon. The proposed mechanism is efficient and effective in our computational experiments.

    摘要 I 目錄 VIII 表目錄 X 圖目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究問題設定與目的 4 1.3 研究範圍與限制 6 1.4 論文架構 7 第二章 文獻探討 8 2.1 無人機及群飛展演相關文獻 8 2.2 電力消耗及充換電相關文獻 10 2.3 無人機飛行安全距離相關文獻 12 2.4 無人機路線規劃相關文獻 13 2.5 小結 16 第三章 無人機群飛展演之最佳飛行路線整數規劃模式 17 3.1 問題描述 17 3.2 問題假設 19 3.3 固定式位置換電之整數規劃模式 20 3.3.1. 網路結構 20 3.3.2. 飛行安全距離 23 3.3.3. 參數與變數定義 24 3.3.4. 最小化展演總成本 27 3.3.5. 不考慮電量消耗之整數規劃模式 28 3.3.6. 考慮電量消耗之整數規劃模式 32 3.4 小結 34 第四章 無人機群飛展演之最佳飛行路線規劃演算法 35 4.1 滾動式求解機制 35 4.2 貪婪演算法 41 4.2.1 演算法步驟及邏輯 41 4.2.2 路線選擇懲罰值設定 44 4.3 簡例說明與求解方法比較 46 4.4 小結 50 第五章 數值測試與分析 51 5.1 測試資料參數設定 51 5.2 測試網路圖設定 52 5.3 無人機群飛展演之最佳飛行路線規劃之測試 53 5.4 滾動式求解機制與貪婪演算法比較 55 5.5 小結 57 第六章 結論與未來研究建議 59 6.1 結論 59 6.2 未來研究 61 參考文獻 65 中文 65 英文 67

    中文
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    英文
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    無法下載圖示 校內:2026-10-04公開
    校外:2026-10-04公開
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