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研究生: 蔡成鴻
Tsai, Cheng-Hung
論文名稱: 考慮電量耗損之無人機群飛展演最佳群飛路徑規劃研究
On the optimal drone fleet path planning for drone light show with battery consumption 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 - 工業與資訊管理學系碩士在職專班
Department of Industrial and Information Management (on the job class)
論文出版年: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 65
中文關鍵詞: 無人機群飛展演路徑規劃整數規劃電池充換電
外文關鍵詞: Drone, Path Planning, Integer Programming, Battery Swapping, Greedy Heuristics
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  • 在群飛展演上,即使根據腳本的圖案設計可知某時刻必須在某個座標位置有台無人機閃爍某顏色,但如何指揮各台無人機以保證圖案會依腳本而出現,除需保證這些無人機的移動過程中不可互撞外,我們也希望能用最少數量的無人機群讓整個移動過程的整體能量消耗為最少,這樣的移動路徑軌跡設計問題極為複雜。現行的展演設計頂多只能以人工方式逐一指派各台無人機的避撞移動軌跡,對於整體之能量損耗或無人機個數等並無一套有系統的最佳化方法,導致可能會配置過多台無人機以及多浪費額外的能量耗損,也因此難以編制更長時段展演或變換更複雜的圖案。
    本研究將每架無人機在每個時間切點、每個座標位置移動的路徑組合、特定位置是否亮燈的控制燈號等,設計成整數規劃模型之決策變數,而複雜的移動途程可被簡化成各台無人機於每個時間切點間的移動節線;在路徑移動上,屬於具方向性且不可逆的移動;對每架無人機而言,每個時間切點只會飛行到一個位置;就亮燈座標而言,同時刻最多只會有一架無人機經過來發亮;將兩個時間切點間的移動路徑轉換成移動成本,在考量亮燈與否具不同耗電成本的情況下,增加可回到地面點進行電池充換電的設計,來計算整體的能量消耗成本。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型可根據腳本計算出理論上最佳的無人機群路線規劃方式。然而該整數規劃模型求解耗時,為能因應實務能在短時間內沙盤推演出不同圖案腳本的展演效果,我們亦設計其對應的高效率啟發式求解演算法,可快速因應各式的圖案展演需求,大幅縮短腳本設計時間,期望可為相關展演業者帶來許多便利與效益。

    With the development of the automation and sensing technologies, the light show by a fleet of drones becomes more popular than the conventional firework shows. This gives a more dynamic, environmentally friendly, and cheaper entertainment show, as long as we can plan the flight path for each drone in a way that it does not collide with each other with minimum power consumption. This thesis investigates such a path planning problem for a fleet of drones making such a light show. In particular, assuming the figures in the light show are known, meaning we need to deploy at least a drone in specific locations in the sky at a particular time, how to calculate the movements for each drone with the minimum costs including the fixed equipment costs and the costs of flying and lightening. This problem is very new and challenging, which is solved manually in practice, to the best of our knowledge. To effectively tackle this complex fleet path planning problem, we propose arguably the first integer programming (IP) model for this problem. We divide the entire show into two types of periods: the show period and the transition period, where the former one displays the figures, and the latter one is used for drones to transit to new positions in the sky. If a drone is in a lower power mode, it will land for battery swapping and launch again. Our IP model is based on a time-space network. It can calculate exact optimal paths but is too time-consuming. Finally, we propose randomized greedy heuristics that can calculate a very good solution in 5 sec for a light show of 40 show periods with 4096 points in the sky. We expect the techniques developed in this thesis can be further extended for practical use and benefit the exhibition industry.

    摘要 I 致謝 VI 目錄 VII 表目錄 IX 圖目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 4 1.3 研究範圍與限制 4 1.4 論文架構 5 第二章 文獻探討 7 2.1 UAV相關文獻 7 2.1.1. 用於物流派送 8 2.1.2. 用於農業派送與災情防疫 9 2.1.3. 用於監視偵測 10 2.1.4. 用於網路覆蓋 11 2.2 路徑規劃文獻 13 2.3 電池消耗充電文獻 15 2.4 小結 16 第三章 UAV移動路徑之整數規劃模型 17 3.1 問題描述與假設 17 3.2 固定式位置充電之整數規劃模型 18 3.2.1. 參數與變數定義 19 3.2.2. 整數規劃模型 21 3.3 簡例說明 26 3.4 小結 29 第四章 UAV移動路徑之求解演算法設計 30 4.1 貪婪演算法(Greedy Algorithm)設計基礎 30 4.2 程式設計邏輯 31 4.2.1 移動路徑與消耗成本資料的預處理 32 4.2.2 計算機群可走訪節點的候選清單 32 4.2.3 依條件指定UAV飛行路徑 32 4.2.4 從原點派出新的UAV支援 33 4.2.5 控制場面中的UAV移動狀態 33 4.2.6 滯空中的UAV動線判斷 33 4.2.7 返回到基地充電 33 4.2.8 結束前清場 34 4.3 簡例說明 34 4.4 結果優化與效能加速改善 37 4.4.1 移除過多的畫面設計 37 4.4.2 細部分析動作耗費秒數 37 4.4.3 前處理的資料準備 38 4.4.4 程式碼寫法改善 38 4.4.5 減少非必要性動作與資料紀錄 39 4.4.6 依實務飛行情況進行改良 39 4.5 小結 40 第五章 整數規劃模型與貪婪演算法之數值測試與分析 41 5.1 測試網路資料 41 5.2 整數規劃模型與貪婪演算法 42 5.3 貪婪演算法運用在中大型問題的表現 44 5.4 使用之貪婪演算法變形演練 47 5.4.1 考量是否支援重複使用 47 5.4.2 考量是否於空中待機 49 5.4.3 考量往後比較的期數 51 5.4.4 考量路徑選擇的差異 54 5.5 小結 56 第六章 結論與未來研究議題建議 57 6.1 結論 57 6.2 未來研究 58 6.2.1. 可持續精進及發展本研究之數學模型與演算法 58 6.2.2. 考慮充電位置的配置 58 6.2.3. 考慮期數定義的依據 59 6.2.4. 考慮UAV閒置或遣回的配置 59 6.2.5. 增設特定位置不需移動的排除清單 59 參考文獻 60 中文 60 英文 63

    中文
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    下載圖示 校內:2023-09-01公開
    校外:2023-09-01公開
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