有风环境下居民小区无人机配送路径规划研究

作     者：彭金玉 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩凌辉

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 02[经济学] 0202[经济学-应用经济学] 1202[管理学-工商管理] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 020205[经济学-产业经济学] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：风环境 无人机配送 路径规划 无人机能耗 经济速度 

摘      要：随着电商和物流行业的蓬勃发展,国内多家企业已开始研究无人机在配送领域的应用,未来无人机配送极具发展潜力。无人机配送相较于传统车辆配送方式具有明显的优势,飞行不受地面道路网络的限制,使得配送速度更快、效率更高。但用于配送的旋翼无人机体积较小,载重量较小、续航时间短,易受到天气的影响。其中风是一个重要的影响因素,无人机在风中飞行其速度、方向、能耗发生变化,顺风下可以借助风力增大速度而减少时间和能耗,但逆风飞行会使其能耗大大增加,降低利用率。因此,如何利用风能规划无人机的配送路径是一个重要的问题。城市居民小区是未来物流配送的一个重要场景,在有风环境下居民小区建筑物阻挡风的流动,导致在建筑物迎风面形成涡流、背风面形成风速极小的风影区,两侧和顶部引起局部大风,如何在居民小区场景下合理规划无人机的飞行路线,从而保证无人机安全稳定的飞行,也是一个需要考虑的问题。针对上述问题,本文以居民小区为物流配送场景,建立了一个居民小区风场模型,由此提出了一个有风环境下居民小区无人机配送路径规划模型,该模型可以使无人机在有风环境下安全顺利完成配送并利用风飞行节约能耗。本文主要研究内容有以下三个方面:(1)分析城市居民小区风场特性和构建无人机能耗模型。根据对建筑物风场仿真模拟的文献总结发现,距建筑物顶部一定高度以上的风场保持稳定,和来流风保持一致,在建筑物背风面的风影区风力极小,因此考虑无人机在越过建筑物顶部后的稳定区域平飞,在风影区中垂直上升下降,从而保证无人机可以安全飞行。由此根据盛行风从速度和方向两个角度建立了风场模型。另外,采用现有研究中关于无人机能耗功率较为精确的计算方式,构建本文中无人机能耗计算模型。(2)构建有风环境下居民小区无人机配送路径规划模型和设计求解算法。本文假设无人机从一个起点出发遍历各个配送节点后飞到无人机回收点完成配送,期间受到配送规则、承载能力、续航能力等约束,在满足各节点需求和时间窗要求下,以总能耗最小为目标建立了混合整数规划模型,得到每架无人机的配送路线。该模型是NP-hard问题,为此本文设计了遗传算法进行求解,设计编码方式、交叉和变异算子,为了增加遗传算法的寻优性能,通过局部搜索筛选出四种变异方式下的最优变异算子提高局部搜索能力,使其能够快速找到全局更优解。(3)数值分析。以大连市夏季盛行南风为背景进行实验,首先通过Gurobi精确求解算例证明本文模型的有效性,并对比本文设计的遗传算法和Gurobi求解的结果,发现两者结果差异较小,证明了本文设计的遗传算法的有效性。然后对比南风和无风环境下实验结果的差异,发现南风环境下可以节约14.88%的无人机能耗,验证了利用风的有效性。其次,对同一风场下多个不同起终点组合实验结果的差异进行对比分析,发现不同起终点组合对路径规划有较大的影响。此外,还对同一起终点组合下多个不同风向风速的实验结果进行对比分析,发现风向和风速对路径规划影响也较大。最后还验证了使用经济速度作为空速也能够有效使无人机节约能耗。