作品名稱????基于人工智能算法的無人機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)

1????作品簡介

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物流行業(yè)顯得至關(guān)重要，然而，使用無人機(jī)的對(duì)貨物的配送由于技術(shù)、成本等因素至今依然是一片藍(lán)海。

本項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)無人機(jī)送貨系統(tǒng)的一個(gè)模擬系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)實(shí)中容易出現(xiàn)疫情隔離的場景3D建模，并在Unity3D軟件中仿真，模擬向疫區(qū)人員運(yùn)輸物資的過程，是一套疫情期間疫區(qū)送貨系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)。面向用戶實(shí)現(xiàn)無人機(jī)運(yùn)輸物資的控制、運(yùn)輸?shù)冗^程的展示。系統(tǒng)所有建模和代碼均為小組自主創(chuàng)作，使用了改進(jìn)的啟發(fā)式A*算法，無人機(jī)可以快速并準(zhǔn)確地找到目標(biāo)地點(diǎn)的最短路徑。同時(shí)增加多視角、多場景、路徑標(biāo)志、AR 技術(shù)等，將整個(gè)過程清楚明白地向用戶呈現(xiàn)。項(xiàng)目高度模塊化，可以在不同的場景中都有很好的表現(xiàn)效果，系統(tǒng)顯示簡潔明了，操作簡單易上手。旨在降低物流成本，助力物流行業(yè)發(fā)展建設(shè)。

2????作品效果圖

3????設(shè)計(jì)思想
3.1????項(xiàng)目背景
隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物流系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中伴隨著越來越重要的作用。物流系統(tǒng)的智能化、無人化也是未來物流行業(yè)的發(fā)展趨勢，誰能率先實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)的智能化，就可以降低整個(gè)物流系統(tǒng)的成本，在殘酷的市場競爭中取得巨大的優(yōu)勢，造就寬廣的護(hù)城河。這也是各大物流公司、互聯(lián)網(wǎng)巨頭研發(fā)投入的重中之重。然而由于成本、技術(shù)、社會(huì)接受度等因素的限制，目前對(duì)物流系統(tǒng)智能化的嘗試的大多為傳統(tǒng)的路基的無人車、快遞柜等，而對(duì)利用無人機(jī)配送快遞的較少。本系統(tǒng)作為一個(gè)無人機(jī)模擬運(yùn)輸系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中對(duì)無人機(jī)進(jìn)行模擬，可以在一定程度上降低物流成本、協(xié)助真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)。也可以用作智慧物流的科普宣傳，推動(dòng)物流行業(yè)發(fā)展。其次，在現(xiàn)今新冠疫情大流行的背景下，少接觸成為了社會(huì)的主流。疫區(qū)物資運(yùn)輸?shù)目焖倥c否，直接關(guān)系到老百姓的評(píng)價(jià)，如何在保證物資運(yùn)輸和少接觸之間取得一個(gè)微妙的平衡，也就成了一個(gè)研究的重點(diǎn)。

3.2????設(shè)計(jì)構(gòu)思與創(chuàng)意
在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中存在高實(shí)驗(yàn)成本、技術(shù)驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)困難等問題。針對(duì)這個(gè)痛點(diǎn)，本項(xiàng)目提供了在虛擬建模世界中進(jìn)行建模測試的方案，在真實(shí)測試之前，可以在模擬系統(tǒng)中進(jìn)行多次測試，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并給予改正。大大降低了實(shí)體研發(fā)的成本，便利了實(shí)體研發(fā)的流程。尋路算法為改進(jìn)的三維 A*算法，專門針對(duì)無人機(jī)運(yùn)輸?shù)膱鼍?、環(huán)境等需求進(jìn)行了速度、準(zhǔn)確度上的優(yōu)化，較之傳統(tǒng)算法有很大優(yōu)勢。為了讓流程的展示更加清楚明白，本項(xiàng)目也加入了 AR 功能，輔以多場景、多視角的切換，添加了路徑標(biāo)注、實(shí)時(shí)追蹤等輔助操作功能，降低了用戶的學(xué)習(xí)成本。同時(shí)，本項(xiàng)目也可以用作對(duì)智慧物流的宣傳和演示，增加社會(huì)對(duì)無人機(jī)物流的認(rèn)識(shí)了解和接受程度，助力物流強(qiáng)國建設(shè)。
3.3????項(xiàng)目模塊與功能
初始化模塊：該模塊將在模擬系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候自動(dòng)加載，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的預(yù)準(zhǔn)備，包括其他模塊的加載，光照、晝夜等特效的預(yù)載，一些重要數(shù)據(jù)的讀入，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的前提。
控制模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的控制，用以接受用戶的輸入?yún)?shù)并交給系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，用戶可以通過精確的坐標(biāo)輸入操作、直觀地點(diǎn)擊輸入操作等多種輸入方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。控制方式簡潔明了易于用戶學(xué)習(xí)。計(jì)算模塊：該模式是系統(tǒng)的核心，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的計(jì)算控制，計(jì)算模塊主要負(fù)責(zé)尋路算法、無人機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、時(shí)間交替等重要功能。
呈現(xiàn)模塊：該模塊用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程對(duì)用戶的呈現(xiàn)，用戶可以使用切換多視角、多場景、繪制無人機(jī)飛行軌跡、也使用 AR 追蹤等功能，引用了大量技術(shù)的呈現(xiàn)方式可以讓用戶對(duì)進(jìn)行無人機(jī)的運(yùn)行有著全方面的觀察。
3.4????技術(shù)運(yùn)用與特色
自主建模：項(xiàng)目的建模和代碼均為自主創(chuàng)造。對(duì)學(xué)校、城市的樓房、水池、道路等建筑進(jìn)行精準(zhǔn)的建模，有著晝夜交替、天氣、光照等系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的擬真性。真實(shí)的場景既可以拉近用戶的距離，增強(qiáng)作品的真實(shí)感，也貼合無人機(jī)運(yùn)輸?shù)膶?shí)際場景應(yīng)用——在學(xué)校、城市等場景下運(yùn)輸貨物。

三維A*算法：在無人機(jī)的尋路算法中使用了三維的改進(jìn)的啟發(fā)式算法 A*，相較于傳統(tǒng)的尋路算法，增加了尋路的維度，針對(duì)項(xiàng)目優(yōu)化了計(jì)算的過程，可以更快速、更精確地找到起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的最短路徑。

如果只是在二維平面上進(jìn)行尋路的話，方法會(huì)有很多，我們可以選擇的尋路算法也非常多，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)荷也較小，乃至unity平臺(tái)自己就帶有navi mesh導(dǎo)航系統(tǒng)，navi mesh導(dǎo)航系統(tǒng)為開發(fā)者直接提供好了接口，開發(fā)者只要對(duì)navi mesh系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，就可以直接在二維平臺(tái)上進(jìn)行尋路操作。然而在三維空間中navi?mesh導(dǎo)航系統(tǒng)卻并不能用，而且在三維空間中可供我們選擇的尋路算法也比較少，而且由于三維比二維多了一個(gè)維度，那么算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度都會(huì)隨著場景的增大而指數(shù)級(jí)增加。經(jīng)過我們的權(quán)衡和比較，我們決定將二維尋路算法中的a*算法增加一個(gè)維度，改為三維的a*算法。作為人工智能算法的一種，a*算法的啟發(fā)式函數(shù)，可以將大量不可能的路徑給剪枝掉，給尋路予一個(gè)方向上的引導(dǎo)，從而大大提高算法的效率。

在二維的尋路中，我們每前后左右走一次，都需要調(diào)用一次評(píng)估函數(shù)去評(píng)價(jià)當(dāng)前的路是否是當(dāng)前選擇下的一個(gè)最優(yōu)。而在三維的尋路中，我們就需要在二維的基礎(chǔ)上增加尋路的維度，在前后左右的基礎(chǔ)上增加上下左右以及側(cè)角的一個(gè)尋路。通過這種方法，我們就可以讓二維的a*算法在三維空間中也使用。

然而直接將二維的a型算法修改為三維，也不能直接在用unity中使用。因?yàn)閍*算法在網(wǎng)格地圖中有著很好的表現(xiàn)，而在unity平臺(tái)中它的地圖是連續(xù)的，如果每一分每一厘的距離我們都去探測的話，那么顯然會(huì)大大超過我們的計(jì)算能力。針對(duì)這個(gè)問題，我們經(jīng)過研究后決定，每隔一定單位就生成一個(gè)判定點(diǎn)來解決，每一個(gè)判定點(diǎn)將會(huì)去探測以它周圍的一定范圍內(nèi)是否存在障礙物，如果有的話，那么這該點(diǎn)是不可到達(dá)的。左邊的圖是判定點(diǎn)的示意圖，可以看到圖中有白色的方塊和紅色的方塊，它們就是判定點(diǎn)，白色的方塊意味著可以到達(dá)，而紅色的方塊意味著周圍有障礙物，因此該點(diǎn)不可到達(dá)。這個(gè)判定點(diǎn)在運(yùn)行的過程中是不可見的。通過對(duì)判定點(diǎn)的應(yīng)用，我們將原來連續(xù)的三維地圖變成了網(wǎng)格化的三維地圖，從而可以使用我們改進(jìn)后的三維a*算法。通過這種方法，我們大大降低了判斷節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而優(yōu)化了算法的一個(gè)復(fù)雜度。

得益于我們對(duì)a*算法的改進(jìn)，這使得系統(tǒng)的運(yùn)行是建立在判定點(diǎn)設(shè)定的基礎(chǔ)上，而非具體的地圖結(jié)構(gòu)上。同時(shí)在代碼編寫的時(shí)候，我們?cè)谠创a中一些比較重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如判定點(diǎn)的數(shù)量、間距等，都留下了修改的空間。因此我們只需要簡單修改這些預(yù)留的參數(shù)，就可以讓系統(tǒng)在不同的場景，哪怕是我們從來沒有見過的場景中也可以有很好的表現(xiàn)效果。通過這樣的設(shè)計(jì)使得程序有著高內(nèi)聚低耦合的特點(diǎn)，有著很好的可升值性和可移植性，也實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的一個(gè)模塊化。

系統(tǒng)設(shè)置了多操作方式、多場景、多視角、軌跡標(biāo)注、追蹤、AR 等功能，可以讓用戶實(shí)時(shí)地參與到系統(tǒng)的操作與運(yùn)轉(zhuǎn)中，力圖簡潔明了、清楚明白地讓無人機(jī)運(yùn)貨整個(gè)過程對(duì)使用者有著很好的呈現(xiàn)。

4????后續(xù)工作

·增加更多場景

????工廠、鄉(xiāng)村等。擴(kuò)大作品的適用范圍。

·功能添加

????同時(shí)運(yùn)行多個(gè)飛行器，多個(gè)目的地的選擇與判斷。

·算法優(yōu)化

????降低程序的時(shí)間空間復(fù)雜度，減小資源消耗。

·硬件驗(yàn)證

????在硬件機(jī)器上測試驗(yàn)證，推廣程序。

后注：本項(xiàng)目已于2023年1月審批通過并取得軟件著作權(quán)，上傳僅為留檔