計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_3. 需求分析

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

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_1. 項(xiàng)目概要
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_2. 報(bào)名材料
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_3. 需求分析
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_4. 界面設(shè)計(jì)
[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_5. 核心算法]
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[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_8. 項(xiàng)目總結(jié)]
[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_9. PPT]

作品名稱：環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)航線優(yōu)化

第一章 需求分析

1.1 項(xiàng)目背景

采用無人機(jī)搭載的大氣移動監(jiān)測設(shè)備對特定區(qū)域和污染源的空氣污染情況進(jìn)行監(jiān)測，具有高效省時、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。

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、污染因子相對復(fù)雜”等特點(diǎn)，傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方式面臨工作量大、靈活性差、污染源定位難等問題。采用無人機(jī)搭載的大氣移動監(jiān)測設(shè)備，對特定區(qū)域和污染源的空氣污染情況進(jìn)行監(jiān)測，具有高效省時、靈活隱蔽、快速鎖定污染源的優(yōu)點(diǎn)。

環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)高空間、大面積監(jiān)測，也可實(shí)現(xiàn)低空間較小范圍準(zhǔn)確監(jiān)測，通過多種檢測方法融合，獲取監(jiān)測點(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、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)。

1.2 項(xiàng)目簡介

基于改進(jìn)模擬退火算法的環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)航線優(yōu)化軟件，是在符合機(jī)動性能、規(guī)避障礙等約束條件的前提下，自動進(jìn)行航線規(guī)劃。軟件通過獲取指定環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的地圖和位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取無人機(jī)機(jī)動性能、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；根據(jù)實(shí)時監(jiān)測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整飛行任務(wù)和飛行航線。

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于對模擬退火算法的研究與改進(jìn)：（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。

本軟件的基本功能包括：數(shù)據(jù)輸入功能，參數(shù)設(shè)置功能，路徑優(yōu)化功能，結(jié)果輸出功能，幫助功能。本軟件的特點(diǎn)在于：（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。

1.3 需求調(diào)研與分析

環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)首先考慮滿足環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，通過搭載氣體檢測傳感器和云臺相機(jī)，將監(jiān)測氣體數(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)測順序和飛行航跡。因此，開發(fā)環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)航線優(yōu)化軟件，結(jié)合機(jī)動性能、規(guī)避障礙等約束條件自動進(jìn)行航線規(guī)劃，可以為客戶提供更好的用戶體驗(yàn)。

基于客戶需求，分析和制定軟件需求如下：

（1）業(yè)務(wù)需求：獲取指定環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的地圖和位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取無人機(jī)機(jī)動性能、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)時監(jiān)測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整飛行任務(wù)和飛行航線。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

1.4 問題建模與求解算法

對無人機(jī)的飛行航線的規(guī)劃，需要在符合機(jī)動性能、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。
對于大規(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。

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[計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽國獎作品_9. PPT]

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机设计大赛国奖作品_3. 需求分析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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