飞行管理 数学建模

飞行管理 数学建模
飞行管理 数学建模

B 题:飞行管理问题

摘要:

飞行管理问题是一个既现实又重要的课题,本文利用偏转角度尽可能的小建立两个非线性规划模型。

模型一:时间模型。考虑到各架飞机的偏转角有正有负,在此模型中,对于各架飞机调整选取各个偏转角的绝对值的和作为目标函数,要求任意两架飞机任意时刻的距离大于8公里,则可以求出任意两架飞机的距离ij d 。此时,两架飞机距离ij d 是时间t 与各个飞机偏转角i θ?的函数,编写程序时将t 离散化,且t 有最大值0.2828s (沿对角线飞过的时间),这样可得到表1-1的结果:

表1-1

模型二:闭塞区域模型。在两架飞机中,将其中一架看成“静止”,另一架相对于它而运动。而以“静止”飞机为圆心,km 8为半径的圆形区域构成该飞机的闭塞区域,任意一架飞机的方向角均不能在此区域内,则为不相撞。为此,本文用复变函数的知识表示各架飞机的速度,从而算出相对速度,再求出相对位移,以相对速度与相对位移的夹角大于每两架飞机的临界夹角来刻画不相撞。目标函数为每架飞机偏转角的平方和。利用计算机编程得到表1-2的结果:

表1-2

对于上述两个非线性规划,在理论方面,本文利用SUTM 内点法(障碍函数法)进行算法描述,在操作方面,分别利用lingo 语言与MATLAB 语言直接编写程序进行计算

关键词:非线性规划、复变函数、SUMT 内点法、闭塞区域、禁飞角

一、问题重述

1.背景知识

与其他交通工具相比,飞机以其速度快、安全舒适等特点在交通领域占据了绝对地位。而近年来飞机事故的频繁发生也预示着飞机存在一定的安全隐患。经调查造成飞机相撞事故的原因主要是人、飞机(设备)、环境,而人的因素是事故中通常起主体作用的因素,直接影响事故的发生和结局。飞机事故的发生难以预测且死亡率极高,所以航空安全机制的健全,航空人员素质的提高已变得刻不容缓。

2.问题重述

在约10000米的高空某边长为160公里的正方形区域内,经常有若干架飞机作水平飞行。区域内每架飞机的位置和速度向量均由计算机记录其数据,以便进行飞行管理。当一驾欲进入该区域的飞机到达区域边缘时,记录其数据后,要立即计算并判断是否会与区域内的飞机发生碰撞。如果会碰撞,则应计算如何调整各架(包括新进入的)飞机飞行的方向角,以避免碰撞。现假定条件如下:

1)不碰撞的标准为任意两架飞机的距离大于8公里;

2)飞机飞行方向角调整的幅度不应超过30度;

3)所有飞机飞行速度均为每小时800公里;

4)进入该区域的飞机在到达区域边缘时,与区域内飞机的距离应在60公里以上;

5)最多需考虑6架飞机;

6)不必考虑飞机离开此区域后的状况。

请你对这个避免碰撞的飞机管理问题建立数学模型,列出计算步骤,对以下数据进行计算(方向角误差不超过0.01度),要求飞机飞行方向角调整的幅度尽量小。

设该区域内4个顶点的坐标为(0,0),(160,0),(160,160),(0,160)。

记录数据为:

二、 基本假设

1.飞机在规定区域内飞行,不会发生任何自然灾害;

2.飞行人员能够探知飞行区域内所有飞机的飞行轨迹,并能够及时作出相应调整;

3.飞机在规定区域内最多只调整一次,且在第六架飞机刚进入区域时调整;

4.飞机在调整过程中是瞬间完成,飞行轨迹可看成直线;

5.不碰撞的标准是任何两架飞机的距离大于km 8;

6.飞机飞行方向的调整幅度不应超过?30; 7.所有飞机调整角度总和最小为最优方案; 8.暂时不考虑飞机离开此区域的情况; 9.飞机在调整之后按固定速度飞行; 10.飞机在飞行过程中可看为质点。

三、 参数说明

1.()i i y x ,表示第i 架飞机的初始位置;

2.i θ表示第i 架飞机初始飞行角度;

3.i θ?表示第i 架飞机的调整角度;

4.ij s 表示第i 架飞机和第j 架飞机的距离; 5.ij d 表示第i 架飞机和第j 架飞机距离的平方;

5.i v 表示第i 架飞机的飞行速度;

6.t 表示飞机的飞行时间;

7.i t 表示第i 架飞机飞出飞行区域的时间; 10.;架飞机的飞行角度架飞机相对于第表示第i j ij θ 11.架飞机的速度矢量;表示第k Z k

12.飞机的飞行矢量架飞机指向第表示第j k f kj ; 13.架飞机的禁飞角的大小

架飞机对第表示第j k kj α。 四、 问题分析

图4-1:飞机初始状态

从距离约束条件来说,在初始状态下,我们可以通过调整飞行方向,目的使飞机在飞行区域内满足任意两架飞机的距离都大于8公里。调整角度我们可以假设已知,将上述初始角替换成调整角,通过计算,我们知道存在调整方法能够使飞机安全飞出飞行区域,且调整方式多样。若我们假设调整角度对于每架飞机来说,其满意度是一样的,那在这一系列调整方式中,必定存在调整角度之和达到最小的调整方式。在飞行过程中,初始位置和飞行方向对飞机的飞行路径有决定性作用,而在速度已知的情况下,时间的确定就可以直接决定飞机的具体位置。由此,我们想到,如果取适当的一段时间为步长,确定检测时间点,若这些时间点各架飞机都能满足不相撞的条件,那我们可以近似认为,飞机在这些飞行方向上是符合安全飞行条件的,之后只需找出调整最小的方式即可。

从角度约束条件来说,将飞机看做质点,在飞行区域内,以飞机为圆心,4公里为半径的圆形区域内是不能存在其他飞机的。即每架飞机都有其自身的闭塞区域,而且是动态的闭塞区域。在边长为160公里的正方形二维平面内,这6个闭塞区域在运动过程中是不允许存在重合部分的。飞机在飞行区域内是按照同一方向飞行,也就是说在该正方形区域内,闭塞区域是按直线行走的。运动初期,各圆的位置已知,飞行方向可调整(先不考虑调整角度的限制问题),而调整的目的是为了让这些圆在以相同速度且沿直线的行走过程中不存在重合部分。将模型简化,仅看两架飞机的运动形式,以一个圆的圆心出发,引发出两条相对于另一个圆的切线,而这两条切线在包含另一个圆的一侧所构成的夹域是禁飞域,夹角为禁飞角。在这种解法中不仅要考虑飞机之间的相对运动速度还要考虑飞机之间初始相对位置的具体关系。讨论初期,我们确定飞机之间相对运动的速度还是

引用原有的坐标系,飞机之间相对位置关系也在原有的坐标系中讨论,该模型的约束条件就是相对运动方向与相对位置方向之间的相对夹角只要满足不在禁飞夹角中即可。首先我们选择通过几何方法计算相对夹角,而在进一步计算过程中,我们发现相对夹角若以角度制表示要分不同种情况讨论,过程复杂难以计算。之后我们又将模型进一步改进,对于坐标系的选取,若以飞机之间相对位置所在向量确定相对坐标则使约束条件简化。在计算方面,为了避免角度的多情况影响,我们选取以复数形式表示角度,这样就将相对夹角的形式统一起来,计算也有了进一步突破。

在计算出具体结果后,就需要对结果的有效性进行检验,而我们选取的检验条件就是飞机以调整后的角度飞行,在离开飞行区域时,是否与飞行区域内的其他飞机的距离大于60公里,若都满足大于60公里,则认为结果可行性较强,若有出入,在对模型进行相应调整。

五、模型建立与求解

模型一

设飞机初始状态下的坐标为),(i i y x 易知任意时刻飞机的坐标为

)cos(i i i i vt x X θθ?++= )sin(i i i i vt y Y θθ?++= 则两架飞机的距离:

222)()(j i j i ij ij Y Y X X s d -+-==

讨论飞机在规定区域内的飞行状态,则飞机有飞行时间的限制:若飞机沿对角线飞行,则飞行距离最远,飞行时间最长,此时800

2

160max =

t ,即()2828.0,0∈t ,

在飞行时间内,如果任意两架飞机的距离都超过8公里,则认为不会发生碰撞事件,即:

()2828

.0,0∈?t )61,61(64 ==>j i d ij (1)

首先讨论如果不改变飞机偏转角是否有两架飞机相撞,即满足(1)式的j i 和

当小时公里/800

=v ,()i i y x ,和i θ已知的情况下,经计算: ()()

64

52sin 5

.220sin 80015552cos 5.220cos 8001502

2

2

36<=-++-+=?

?

?

?t t s 和

()()

6452sin 230

sin 80015052cos 230cos 8001302

2

2

56<=-++-+=?

?

?

?t t s

在()2828

.0,0∈t 内有实解,则如果按照初始方向飞行会发生碰撞事件,需要

做出相应调整。

为了确保飞行时不会发生碰撞事件,则任意两架飞机的飞行距离不得小于公里8,在此条件下寻求6架飞机能够安全通过飞行区域的最小调整方式。而对于“最小的调整方式”,本文采取下述两种理解方式。

1.偏转总和最小。因为每架飞机偏转角可正可负,所以,本模型取偏转角的平方和作为目标函数。结合上述分析与条件,可建立如下非线性规划模型

∑=?6

12)(min i i θ

..t s ()??

?

??∈=2828.0,0)61(30

)61,61(64

t i j i d i ij θ 其中:

222)()(j i j i ij ij Y Y X X s d -+-== 2.每架飞机偏转都最小。 T =min

..t s ???

??

?

?∈)2828.0,0(30)

61,61(64t T j i d i i ij θθ

编程时,我们将t 离散化,分为200等分,

即00094.0300

2828

.0==

dt 误差km vdt ds 7541.0== (1)求得的最终结果为:

01=?θ;02=?θ;?=?540629

.23θ;04=?θ;05=?θ;?=?074526.16θ。 (2)求得的最终结果为:

?=?2906.21θ;?=?2500.02θ;?

=?5406

.23θ;04=?θ;?=?2500.05θ;0745.16=?θ

对比上述结果,结合题中误差在?01.0之内,可只取第一种方案,这样既满

足飞机偏转总和最小,又满足每架飞机偏转最小。

下面检验对于上述结果是否满足“进入该区域的飞机在到达区域边缘时,与区域内飞机的距离应在60公里以上;”

飞机的飞行路径方程为:

()()()i i i i x x y y θθ?+=--tan /;

求得每架飞机飞出飞行区域的坐标分别为

()0,6190.129;()0,6668.27;()1227.15,0; ()6603.105,0;()0,1351.4;()160,1314.120

飞机飞出飞行区域的时间为:

()()v

y y x x t i i i i i 2

121-+-=

求得每架飞机的飞行时间为:

0561.01=t ;1282.02=t ;2564.03=t ; 1941.04=t ;2448.05=t ;2501.06=t 。

飞机飞出飞行区域的先后顺序为:1,2,4,5,6,3。按照此飞行时间顺序

由少到多重新排序。

而飞机飞出区域要保证和飞行区域内的其他飞机距离都大于60公里; 所以:

()()()

()

()6~1,6~136002

12

1+==>-+-i j i t y y t x x i j i i j i

即:

()()3600sin cos 2

12

1>--+--j i j i j i j i vt y y vt x x

θθ成立,

根据上述思想编写C++程序(见附录)

经检验。只当第5架飞机飞出区域是与第3架飞机的距离小于60公里,再缩短时间步长使结果更加精确。 模型二

先将模型简化为两架飞机,考虑两架飞机的相对运动,若保证飞机在飞行区域内不发生碰撞则相对飞行角度有一定的范围限制。以第j 架飞机坐标为圆心,以8为半径作圆,此圆即为第j 架飞机的闭塞区域。第k 架飞机相对于第j 架飞机的速度为kj v 。由第k 架飞机坐标引出的相对于此圆的两条切线的夹角kj α为第

k 架飞机做相对运动的禁飞方向。

规定:kj β为第k 架飞机相对于第j 架飞机的夹角:

以k 为原点,j k →为极轴kj f ,将极轴kj f 转至kj v 的角度即为kj β,逆时针为正,顺时针为负。(按照这种规定方法,求出的值与MATLAB 语言中angle 命令产生的结果一致)

设A v =

则第k 架飞机的速度矢量:

()k k i k Ae Z θθ?+=

则第k 架飞机相对于第j 架飞机的相对速度矢量: )()

()

(j j k k i i j k kj

e

e

A Z Z v θθθθ?+?+-=-=

第k 架飞机与第j 架飞机相对位置矢量(极轴):

)(k j k j kj y y i x x f -+-=

则按照上述规定: )arg(

kj

kj kj f v =β

图4-2

由图1-2知:

kj

kj s 8

sin =α

以各个偏转角绝对值的和作为目标函数建立如下非线性规划:

∑=?6

1min i i θ

..t s ??

???=<

?==≥)

61(6)61,61( i j k i kj kj πθαβ

对于此类非线性规划,通常运用罚函数法。

罚函数法基本思想是通过构造罚函数把约束问题转化为一系列无约束最优化问题,进而用无约束最优化方法去求解.这类方法称为序列无约束最小化方法.简称为SUMT 法.

其一为SUMT 外点法,其二为SUMT 内点法.本文运用SUMT 内点法(障碍函数法):

考虑问题:()())1( ,...,2,1i 0 ..min ?

??=≥m X g t s X f i

设集合(){}00,,2,1,0| D m i X g X D i ,φ≠=>= 是可行域中所有严格内点的集合。

构造障碍函数

()()()()()

∑==+=+=m

i i m i i X g r X f r X I X g r X f r X I r X I 1

1

1

)(),( ln ,,或: 其中称()()

∑==m

i i m i i X g r X g r 1

1

1

ln 或为障碍项,为障碍因子,这样问题(1)就转化为求一系列极值问题:())(得k k

k D

X r X r X I ,min 0

∈ 内点法的迭代步骤:

S1:给定允许误差0>ε,取10,01<<>βr ; S2:求出约束集合D 的一个内点00D X ∈,令1=k ;

S3:以01

D X

k ∈-为初始点,求解()k D

X r X I ,min 0

∈,其中0

D X ∈的最优解,设为()0D r X X k k ∈=;

S4:检验是否满足()ε≤-∑=m

i k

i X

g r

1

ln 或()ε≤∑=m

i i

k X g r 1

1,

满足,停止迭代,k X X ≈*

否则取k k r r 1β=+,令1+=k k ,返回S3.

根据题意可取?=01.0ε,?

??

???=∈=)61(),6,0()(|0 i i X X D π的六维样本空间,根

据算法进行迭代。

考虑到实现此算法的复杂性以及当今计算机的发展,本文采取直接运用MATLAB 编程得到如下计算结果:

01=?θ;02=?θ;?

=?540629.23θ;04=?θ;05=?θ;074526.16=?θ

五、模型的评价与改进

模型一

优点:

(1)将约束条件简化,以条件检验结果,使模型简单化;

(2)该模型比较传统,便于对模型结构的理解和把握;

(3)将时间作为已知条件,选取特定时间点进行条件约束,计算量大大减少;缺点:

(1)对时间步长的选取要求较高;步长选取不当直接影响结果的有效性;(2)计算软件的局限性会导致结果误差较大。

模型二

优点:

(1)将距离之间的关系转化为角度之间的关系,使模型更加直观;

(2)相对运动和相对位置的选取有利于约束条件的进一步简化;

(3)运用复数形式表示矢量,避免讨论多种情况;

(4)闭塞区间的引用使模型更加形象,便于理解;

(5)内点法计算最优化问题使约束条件在结果中的选取也更具优越性;

缺点:

(1)对角度的处理要求较高。

对于该模型的讨论,我们只考虑了人为因素的影响,具有一定的局限性。我们假定人员的素质极高,能够按照指示迅速做出正确的反映,且飞机也能够迅速按照指示执行,但是现实生活中这种情况很难实现。飞机驾驶员素质参差不齐、飞机设备和技术不够先进等等因素都会导致飞机事故的发生。

六、模型的推广

该模型对于避免飞机事故的各种研究可以推广到其他交通领域,正如最近发生的7.23高铁追尾事件,如果信息系统能够正常工作,人员素质较高,合理的调配必然能够有效避免不必要事故的发生。高铁系统黑匣子的设计原理正好符合飞机安全飞行相对于其他飞机飞行的闭塞区域,轨道设计也正符合飞机短区域内直线飞行的特点,而该模型对飞机飞行方向的调整正是对高铁安全轨道设计有一定的启发。当然,不仅交通领域可以运用此模型设计合理的运行路线对运河改道、维修公路等等方面都能有一定的运用。

七、参考文献

[1]作者王文波《数学建模及其基础知识详解》武汉大学出版社2006年出版

[2]作者1 姜启源作者2 谢金星《数学建模案例选集》高等教育出版社2006年出版

[3]作者1 冯杰作者2 黄力伟《数学建模原理与案例》科学出版社2009年出版

[4]作者章绍辉《数学建模》科学出版社2010年出版

[5]作者卓金武《MATLAB在数学建模中的应用》北京航空航天大学出版社2011年出版

[6]作者1 董文永作者2 刘进作者3丁建立《最优化技术与数学建模》清华大学出版社

2010年出版

附录一lingo:

model:

sets:

ii/1..6/:x,y,q,qt,xx,yy;

time/1..200/:t;

pair(ii,ii):d;

endsets

data:

x=150 85 150 145 130 0;

y=40,85,155,50,150,0;

q=243,236,220.5,159,230,52;

enddata

min=@sum(ii:qt^2);

@for(time(k):t(k)=0.2*2^0.5*k/300);

@for(pair(i,j)|i#lt#j:@for(time(k):(((x(i)+800*t(k)*@cos(q(i)*3.14159 /180+qt(i)*3.14159/180))-(x(j)+800*t(k)*@cos(q(j)*3.14159/180+qt(j)*3 .14159/180)))^2+

((y(i)+800*t(k)*@sin(q(i)*3.14159/180+qt(i)*3.14159/180))-(y(j)+800*t (k)*@sin(q(j)*3.14159/180+qt(j)*3.14159/180)))^2)>=64));

@for(ii(i):@abs(qt(i))<30);

end

附录2:

sets:

ii/1..6/:x,y,q,qt,xx,yy;

time/1..200/:t;

pair(ii,ii):d;

endsets

data:

x=150 85 150 145 130 0;

y=40,85,155,50,150,0;

q=243,236,220.5,159,230,52;

enddata

!min=@sum(ii:qt^2);

@for(time(k):t(k)=0.2*2^0.5*k/300);

@for(pair(i,j)|i#lt#j:@for(time(k):(((x(i)+800*t(k)*@cos(q(i)*3.14159 /180+qt(i)*3.14159/180))-(x(j)+800*t(k)*@cos(q(j)*3.14159/180+qt(j)*3 .14159/180)))^2+

((y(i)+800*t(k)*@sin(q(i)*3.14159/180+qt(i)*3.14159/180))-(y(j)+800*t (k)*@sin(q(j)*3.14159/180+qt(j)*3.14159/180)))^2)>=64));

@for(ii(i):@abs(qt(i))<30);

@for(ii:qt

End

附录3:

clc;

clear all

x=[150 85 150 145 130 0];

y=[40,85,155,50,150,0];

q=[4.2412 4.1190 3.8485 2.7751 4.0143 0.9076];

for k=1:6

for j=1:6

if(k>=j)

b(k,j)=0;

d(k,j)=0;

a(k,j)=0;

else

z1(k,j)=x(j)-x(k)+i*(y(j)-y(k));

z2(k,j)=exp(i*q(k))-exp(i*q(j));

b(k,j)=angle(z2(k,j)/z1(k,j));

d(k,j)=sqrt((x(k)-x(j))^2+(y(k)-y(j))^2);

a(k,j)=asin(8/d(k,j));

end

end

end

b=b*180/pi

a=

附录4:

function f=myfun(qt);

f=0;

for k=1:6

f=f+abs(qt(k));

end

function [g,ceq]=mycon(qt)

x=[150 85 150 145 130 0];

y=[40,85,155,50,150,0];

q=[4.2412 4.1190 3.8485 2.7751 4.0143 0.9076];

for k=1:6

for j=1:6

if(k>=j)

d(k,j)=0;

a(k,j)=0;

else

z1(k,j)=x(j)-x(k)+i*(y(j)-y(k));

z2(k,j)=exp(i*(q(k)+qt(k)))-exp(i*(q(j)+qt(j))); d(k,j)=sqrt((x(k)-x(j))^2+(y(k)-y(j))^2);

a(k,j)=asin(8/d(k,j)); end

end

end

g=[a(1,2)-abs(angle((z2(1,2)/z1(1,2))));a(1,3)-abs(angle((z2(1,3)/z1(

1,3))));a(1,4)-abs(angle((z2(1,4)/z1(1,4))));

a(1,5)-abs(angle((z2(1,5)/z1(1,5))));a(1,6)-abs(angle((z2(1,6)/z1(1,6 ))));a(2,3)-abs(angle((z2(2,3)/z1(2,3))));

a(2,4)-abs(angle((z2(2,4)/z1(2,4))));a(2,5)-abs(angle((z2(2,5)/z1(2,5 ))));a(2,6)-abs(angle((z2(2,6)/z1(2,6))));

a(3,4)-abs(angle((z2(3,4)/z1(3,4))));a(3,5)-abs(angle((z2(3,5)/z1(3,5 ))));a(3,6)-abs(angle((z2(3,6)/z1(3,6))));

a(4,5)-abs(angle((z2(4,5)/z1(4,5))));a(4,6)-abs(angle((z2(4,6)/z1(4,6 ))));a(5,6)-abs(angle((z2(5,6)/z1(5,6))))];

ceq=[];

附录6:

%主函数

clc

clear all

qt0=[0 0 0 0 0 0];

vlb=[0 0 0 0 0 0];

vub=[30 30 30 30 30 30]*pi/180;

[qt,fval]=fmincon('myfun',qt0,[],[],[],[],vlb,vub,'mycon');

qt=qt*180/pi;

fprintf('各架飞机的偏转角为:\n');

qt

附录7:c++判断飞过去

#include

using namespace std;

#include

#define PI 3.1415926535897932384626

float juli(float x1,float x2,float y1,float y2)

{

if(x2==y2&&y2==0)

{

return 100000000;

}

else{ float c;

c=sqrt((x1-x2)*(x1-x2)+(y1-y2)*(y1-y2));

return c;

}

}

float istime(float x,float y,float angle)

{

float c;

if(x==y&&angle==0&&y==angle)

return 100000000;

else

if(180/PI*(2*PI-atan(y/(160-x)))

{

c=(160-x)/800/fabs(cos(PI*angle/180));

return c;

}

else

if(180/3.14*atan(y/(160-x))

{

c=(160-y)/800/fabs(sin(angle*PI/180));

return c;

}

else

if((180-180/PI*atan((160-y)/x))

c=x/800/fabs(cos(angle*PI/180));

return c;

}

else

if((180+180/PI*atan(y/x))

{

c=y/800/fabs(sin(angle*PI/180));

return c;

}

else

return 160/800/sin(angle*PI/180);

}

bool ischujie()

{

return 1;

}

void main()

{

float

a[6]={150,85,150,145,130,0},b[6]={40,85,155,50,150,0},q[6]={243,236,2 20.5,159,230,54},qt[6]={0,0,0,0,0,0},d[6],n;

int z;

cout<<"请输入偏转飞机的号码:1,2,3,4,5,6:";

cin>>z;

cout<<"输入偏转角度:";

cin>>n;

qt[z-1]=n;

for(int i=0;i<6;i++)

{

d[i]=q[i]+qt[i];

}

// atan(1);

//cout<<180/3.14*atan(-1)<

for(int ii=0;ii<6;ii++)

{

int xx;

float p=10000000;//=istime(a[0],b[0],d[0]);//判断最小时间

for(int j=0;j<6;j++)

{cout<

if(p>istime(a[j],b[j],d[j]))

{

p=istime(a[j],b[j],d[j]);

xx=j;

}

}

cout<<"\n最短时间"<

for(int m=0;m<6;m++)

{if(a[m]==b[m]&&b[m]==0)

continue;

else{

a[m]=a[m]+800*p*cos(PI*d[m]/180);

b[m]=b[m]+800*p*sin(PI*d[m]/180);

}

}

for(int l=0;l<6;l++)

{

cout<<"运动后坐标:"<

}

float jl=10000;int kk;

for(int e=0;e<6;e++) //最短距离//for(int f=e+1;f<6;f++)

{

if(e!=xx)

{ if(jl>juli(a[xx],a[e],b[xx],b[e]))

{

jl=juli(a[xx],a[e],b[xx],b[e]);

kk=e;

}

}

}

if(jl<60)

{cout<<"\n"<

else cout<<"\n"<

a[xx]=b[xx]=d[xx]=0;

}

/* p=istime(a[1],b[1],d[1]);

for(int k=1;k<6;k++)

{cout<

if(p>istime(a[k],b[k],d[k]))

p=istime(a[k],b[k],d[k]);

}

cout<<"\n"<

system("pause");

}

数学建模 飞机管理模型

Air Traffic Control Abstract 本文讨论了如何对新进入区域内的飞机是否会与区域内原有的飞机碰撞的问题,和如若碰撞,调整各架飞机方向角,使得飞机均能安全飞出正方形区域的问题。 针对判断飞行的飞机之间是否发生碰撞亦即可碰撞问题,把各架飞机的运动轨迹端点坐标用时间表示后,就可以写出第六架飞机与其它五架飞机的距离表达式,判断这个最小距离是否小于8km,如果小于,则碰撞,否则不碰撞。这一过程的实现可通过MATLAB编程动态模拟飞机在区域内的飞行过程。在时间轴上连续取样,最后得出第六架飞机和第五架相碰,碰撞时事件飞机的坐标位(),相碰时刻为? 针对检测到碰撞的存在并采取措施进行规避,即碰撞规避问题。需要对各架飞机的方向角进行调整,并且使得飞机方向角调整幅度最小。建立非线性规划模型,利用MATLAB求得第i架飞机)6,5,4,3,2,1 i调整的角度分别为: ( 关键字:飞机碰撞方向角最优解非线性规划

Contents

I. Introduction Grow inside 160 kilometers of exact square districts in the about 10,000 meters high empty some side, usually how many the airplane make level flight.Position and speed vector of each airplane inside the district are recorded its data by the calculator, so that they carry on a flight management.When desire gets into the airplane of the district to arrive a district edge, after recording its data, immediately compute and judge whether meeting and airplane occurrence in the district collision.If will collide, then should compute how to adjust each(including is lately ingoing) direction Cape that the airplane flies.To avoid collision.Now suppose a condition as follows: 1)The standard that don't collide is more than 8 kilometers for the distance of arbitrarily two airplanes. 2)The airplane flies the range that the direction Cape adjusts to be higher than 30 degrees. 3)All airplane airspeeds are all per hours are 800 kilometers. 4)The airplane that gets into the district while arriving a district edge, with the distance of airplane inside the district in response to above 60 kilometers. 5)At most need to consider 6 airplanes. 6)Need not consider that the airplane leaves the condition of this empress in the district. Please to the problem establishment mathematics model of the flight management that avoid collision.List to compute a step, carry on a calculation to the following data.(direction Cape the error margin isn't higher than 0.01 degrees)Requesting airplane to fly the range that the direction Cape adjusts is as far as possible small. The coordinates that establishes the district's 4 tops (0,0),(160,0) , (160,160) , (0,160) Airplane serial number Abscissa x Ordinate y Direction Cape (degree) 1 150 140 243 2 85 85 236 3 150 155 220.5 4 14 5 50 159 5 130 150 230 New 0 0 52

数学建模1例题解析

1.贷款问题 小王夫妇计划贷款20万元购买一套房子,他们打算用20年的时间还清贷款。目前,银行的利率是%/月。他们采用等额还款的方式(即每月的还款额相同)偿还贷款。 (1)在上述条件下,小王夫妇每月的还款额是多少共计付了多少利息 (2)在贷款满5年后,他们认为他们有经济能力还完余下的款额,打算提前还贷,那么他们在第6年初,应一次付给银行多少钱,才能将余下全部的贷款还清 (3)如果在第6年初,银行的贷款利率由%/月调到%/月,他们仍然采用等额还款的方式,在余下的15年内将贷款还清,那么在第6年后,每月的还款额应是多少 (4)某借贷公司的广告称,对于贷款期在20年以上的客户,他们帮你提前三年还清贷款。但条件是: (i)每半个月付款一次,但付款额不增加,即一次付款额是原付给银行还款额的1/2; (ii)因为增加必要的档案、文书等管理工作,因此要预付给借贷公司贷款总额10%的佣金。 试分析,小王夫妇是否要请这家借贷公司帮助还款。 解答: (1)贷款总月数为N=20*12=240,第240个月的欠款额为0,即。 利用式子 (元),即每个月还款元,共还款(元),共计付利息元。 (2)贷款5年(即5*12=60个月)后的欠款额为, 利用公式:, 所以,

(元) (3)元,即第六年初,贷款利率,所以余下的15年,每个月还款额为:(元) (4)按照借贷公司的条件(i)每半个月付款一次,但付款额不增加,即一次付款额是原付给银行还款额的,付款的时间缩短,但是前17年的付款总额不变。帮忙提前三年还清需要资金数: 。 对于条件(ii)佣金数: 分析:因为预付佣金20000元,按照银行存款利率/月,17年的存款本息为 即在第17年需要给付借贷公司的钱少于给付银行的钱。所以建议请这家借贷公司帮助还款。 2.冷却定律与破案 按照Newton冷却定律,温度为T的物体在温度为的环境中冷却的速度与温差成正比。用此定律建立相应的微分方程模型。 凌晨某地发生一起凶杀案,警方于晨6时到达案发现场,测得尸温26℃,室温10℃,晨8时又测得尸温18℃。若近似认为室温不变,估计凶杀案的发生时间。 解答: 根据Newton冷却定律,可知温度T的微分方程为:

数学建模报告 飞行问题

《数学建模》课程设计 报告 课题名称:___飞行管理问题 系(院):理学院 专业:数学与应用数学 班级:10122111 学生姓名:邵仁和 学号:1012211122 指导教师:陈宏宇 开课时间:2011-2012 学年二学期

飞行管理问题的优化模型 摘要 为了避免较多飞机在区域内会发生碰撞,让飞机在某正方形区域内安全飞行,便于进行飞行管理,所以在飞机飞行过程中,要适当调整各架飞机的方向角(调整幅度尽量小),所以这是个优化问题。 本文我们根据题目所给的数据,利用matlab软件绘制出飞机的位置图标及飞行路径,并利用lingo软件找出了碰撞发生的飞机、碰撞发生的点和时间。同时再寻找判断两架飞机是否会相撞的方法,我们发现可以在飞机飞出区域之前每隔一段较短的时间对飞机进行监控,看是否与别的飞机相撞。 然后,我们根据问题讨论了飞行方向角的调整时间和次数对最优解的影响,发现调整时间越早,调整角度就越小,所以我们决定在第六架飞机刚飞到区域边缘的时候就进 行飞行角度的调整,并且达到了优化目标:∑ =? = 6 1 |) ( | min i i a。 由题意,我们找到约束条件,然后把这些约束条件在lingo中用语言描述出来,再针对运算方面进行改进,得到我们的lingo程序,运行后我们得到了飞机调整的飞行方向角和方案。 关键词:简化,最小调整幅度,最优

一、问题重述 6. 飞行管理问题(优化模型) 在约10000米高空的某边长160km的正方形区域内,经常有若干架飞机作水平飞行.区域内飞行的每架飞机的位置和速度向量均由计算机记录其数据,以便进行飞行管理.当一架欲进入该区域的飞机到达区域的边界时,记录其数据后,须立即判断是否将与区域内的飞机相碰撞.若可能发生碰撞,则应计算如何调整各架飞机的飞行的方向角,以避免碰撞。 作如下假设: (1)任意两架飞机的安全飞行距离为8公里; (2)所有飞机的飞行速度为800公里/小时; (3)进入该区域的飞机在到达区域边界时,与区域内的飞机的距离应在60公里以上; (4)最多考虑6架飞机; (5)不必考虑飞机离开此区域后的情况. 请你对这个避免碰撞的飞行管理问题建立数学模型,列出计算步骤,对以下数据进行计算(方向角误差不超过0.01),要求飞机飞行方向角调整的幅度尽量小。 设该区域四个顶点的坐标为:(0,0),(160,0),(160,160),(0,160) 记录数据为:

无人机飞行控制方法概述

2017-10-08 GaryLiu 于四川绵阳 无人机的飞行控制是无人机研究领域主要问题之一。在飞行过程中会受到各种干扰,如传感器的噪音与漂移、强风与乱气流、载重量变化及倾角过大引起的模型变动等等。这些都会严重影响飞行器的飞行品质,因此无人机的控制技术便显得尤为重要。传统的控制方法主要集中于姿态和高度的控制,除此之外还有一些用来控制速度、位置、航向、3D轨迹跟踪控制。多旋翼无人机的控制方法可以总结为以下三个主要的方面。 1.线性飞行控制方法 常规的飞行器控制方法以及早期的对飞行器控制的尝试都是建立在线性飞行控制理论上的,这其中就有诸如PID、H∞、LQR以及增益调度法。 1)PID PID控制属于传统控制方法,是目前最成功、用的最广泛的控制方法之一。其控制方法简单,无需前期建模工作,参数物理意义明确,适用于飞行精度要求不高的控制。 2)H∞ H∞属于鲁棒控制的方法。经典的控制理论并不要求被控对象的精确数学模型来解决多输入多输出非线性系统问题。现代控制理论可以定量地解决多输入多输出非线性系统问题,但完全依赖于描述被控对象的动态特性的数学模型。鲁棒控制可以很好解决因干扰等因素引起的建模误差问题,但它的计算量非常大,依赖于高性能的处理器,同时,由于是频域设计方法,调参也相对困难。 3)LQR LQR是被运用来控制无人机的比较成功的方法之一,其对象是能用状态空间表达式表示的线性系统,目标函数是状态变量或控制变量的二次函数的积分。而且Matlab软件的使用为LQR的控制方法提供了良好的仿真条件,更为工程实现提供了便利。 4)增益调度法 增益调度(Gain scheduling)即在系统运行时,调度变量的变化导致控制器的参数随着改变,根据调度变量使系统以不同的控制规律在不同的区域内运行,以解决系统非线性的问题。该算法由两大部分组成,第一部分主要完成事件驱动,实现参数调整。如果系统的运行情况改变,则可通过该部分来识别并切换模态;第二部分为误差驱动,其控制功能由选定的模态来实现。该控制方法在旋翼无人机的垂直起降、定点悬停及路径跟踪等控制上有着优异的性能。 2.基于学习的飞行控制方法 基于学习的飞行控制方法的特点就是无需了解飞行器的动力学模型,只要一些飞行试验和飞行数据。其中研究最热门的有模糊控制方法、基于人体学习的方法以及神经网络法。 1)模糊控制方法(Fuzzy logic) 模糊控制是解决模型不确定性的方法之一,在模型未知的情况下来实现对无人机的控制。 2)基于人体学习的方法(Human-based learning) 美国MIT的科研人员为了寻找能更好地控制小型无人飞行器的控制方法,从参加军事演习进行特技飞行的飞机中采集数据,分析飞行员对不同情况下飞机的操作,从而更好地理解无人机的输入序列和反馈机制。这种方法已经被运用到小型无人机的自主飞行中。 3)神经网络法(Neural networks)

飞行管理问题优化模型

飞行管理问题优化模型内部编号:(YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128)

飞行管理问题的优化模型 摘要 根据问题我们知道,飞机如果要避免在区域内发生碰撞,则需要调整各自的飞行角,并强调要使调整幅度尽量小,所以这是个最优控制问题。 首先,我们根据本题所给的数据,利用matlab软件绘制出图形,对正方形区域内有可能发生的碰撞做一个大致的估计,并利用lingo软件找出了碰撞发生的飞机、碰撞发生的点和时间。同时寻找判断两架飞机是否会相撞的方法,经探讨,我们发现可以在飞机飞出区域之前每隔一段较短的时间对飞机进行监控,看是否与别的飞机相撞。 然后,我们根据问题讨论了飞行方向角的调整时间和次数对最优解的影响,发现调整时间越早,调整角度就越小,所以我们决定在第六架飞机刚飞到区域边缘的时候就进行飞行角度的调整;同时我们发现调整次数是越少,调整角度总和就越小,所以我们决定只在第六架飞机刚飞到区域边缘时对所有的飞机的飞行角度进行一次调整。我们由此简化了飞机碰撞模型,使飞机在区域内的飞行轨迹更加明了,同时找到了我们的优化目标——调整角度总和最小。 针对优化目标,我们找到约束条件,然后把这些约束条件在lingo中用语言描述出来,再针对运算方面进行改进,得到我们的lingo程序,运行后我们得到了飞机调整的飞行方向角和方案。 最后我们考虑模型的改进和推广。针对模型求解过程中,lingo程序运行时间过长,我们对6架飞机的飞行方向角改变的大小进行预估,然后代入程序中的角度约束,使程序运行量减少。同样我们发现在对飞机进行实时监控时的间隔时

间可以加大,这样可加快程序运行速度,减少运行时间。这样就对模型进行了优化。 关键词:简化,最小调整幅度,最优 一、问题重述 在约10000米的高空某边长为160公里的正方形区域内,经常有若干架飞机作水平飞行。区域内每架飞机的位置和速度向量均由计算机记录其数据,以便进行飞行管理。当一架欲进入该区域的飞机到达区域边缘时,记录其数据后,要立即计算并判断是否会与区域内的飞机发生碰撞。如果会碰撞,则应计算如何调整各架(包括新进入的)飞机飞行的方向角,以避免碰撞。现假定条件如下: 1)不碰撞的标准为任意两架飞机的距离大于8公里; 2)飞机飞行方向角调整的幅度不应超过30度; 3)所有飞机飞行速度均为每小时800公里; 4)进入该区域的飞机在到达区域边缘时,与区域内飞机的距离应在60公里以上; 5)最多需考虑6架飞机; 6)不必考虑飞机离开此区域后的状况。请你对这个避免碰撞的飞机管理问题建立数学模型,列出计算步骤,对以下数据进行计算(方向角误差不超过0.01度),要求飞机飞行方向角调整的幅度尽量小。设该区域内4个顶点的坐标为(0,0),(160,0),(160,160),(0,160)。记录数据为:

数学建模案例应用罚函数法实施航空港管理

01级混合八班徐涛3013001231 01级混合八班王菁3013001215 01级混合六班赵晓楠3013001155罚函数求解带约束的规划问题(教案) §1求解带约束的非线性规划问题 罚函数法求解带约束的非线形规划问题的基本思想是:利用问题的目标函数和约束函数构造出带参数的所谓增广目标函数,把约束非线形规划问题转化为一系列无约束非线形规划问题来求解。增广目标函数由两个部分构成,一部分是原问题的目标函数,另一部分是由约束函数构造出的“惩罚”项,“惩罚”项的作用是对“违规”的点进行“惩罚”。罚函数法主要有两种形式。一种称为外部罚函数法,或称外点法,这种方法的迭代点一般在可行域的外部移动,随着迭代次数的增加,“惩罚”的力度也越来越大,从而迫使迭代点向可行域靠近;另一种成为内部罚函数法,或称内点法,它从满足约束条件的可行域的内点开始迭代,并对企图穿越可行域边界的点予以“惩罚”,当迭代点越接近边界,“惩罚”就越大,从而保证迭代点的可行性。 1.外部罚函数法(外点法) 约束非线形规划问题 min f(x), s.t.g(x)>=0, 其中g(x)=(g1(x),…,gm(x)), 将带约束的规划问题转化为无约束非线形规划问题来求解的一个直观想法是:设法加大不可行点处对应的目标函数值,使不可行点不能成为相应无约束问题的最优解,于是对于可行域S={x|g(x)>=0}作一惩罚函数 P(x)=0,x∈S; K,else 其中K是预先选定的很大的数。然后构造一个增广目标函数 F(x)=f(x)+P(x), 显然x∈S时,F(x)与f(x)相等,而x S时,相应的F值很大。因此以F(x)为目标函数的无约束问题 minF x)=f(x)+P(x)(1)的最优解也是原问题(NP)的最优解。 上述P(x)虽然简单,但因它的不连续性导致无约束问题(1)求解的困难。为此将P(x)修改为带正参数M(称为罚因子)的函数 P(x)=M∑[min(0,gj(x))]2 则 min F(x,M)=f(x)+M∑[min(0,gj(x))]2 的最优解x(M)为原问题的最优解或近似最优解。这时,若x(M)∈S则它必定是问题的最优解;若对于某一个罚因子M,使得x(M)-∈S,则加大M的值,罚函数的“惩罚”作用也将随之加大,因此当M是很大的数时,即使x(M)-∈S,它与S的“距离”

无人机飞行路线控制系统设计

无人机飞行路线控制系统设计 由于无人机是通过无线遥控的方式完成自动飞行和执行各种任务,具有安全零伤亡、低能耗、重复利用率高、控制方便等优点,因此得到了各个国家、各行各业的高度重视和广泛应用。尤其以美国为代表,无论是在军事、民用、环境保护还是科学研究中,都将无人机的使用发挥到淋漓尽致,其拥有全球最先进的“捕食者”和“全球鹰”战斗无人机、监测鸟类的“大乌鸦”无人机、民用用途的“伊哈纳”无人机等等。我国在无人机研制方面也取得了一定的成就,拥有技术卓越的“翔龙”和“暗箭”高空高速无人侦查机、多用途的“黔中”无人机、探测海洋的“天骄”无人机、中继通讯的“蜜蜂”无人机等等。在未来,随着现代化工业技术、信息技术、自动化技术、航天技术等高新技术的迅速发展,无人机技术将日趋成熟,性能日益完善,为此将拥有更为广阔的应用前景。为确保无人机能够有效地完成各种飞行任务,研发者开发了各种技术方式的飞行控制系统,完成对无人机的起飞、飞行控制、着陆以及相应目标任务等操作的控制。飞行路线控制是飞行控制系统中最基础也是最核心的功能控制部分,其它所有的飞行任务控制都是飞行路线控制的基础之上实现。目前对于无人机飞行路线的控制已有各种各样方式的系统,但大多数系统都存在一定缺陷,如有些系统操作过于繁杂,不够智能化;有些系统只能在视距范围遥 控无人机,严重限制了无人机的使用;有些系统过于专用化,不能适用于大多数类型的无人机;有些比较完善的系统,造价又过于昂贵,等等一系列问题。针对以上存在的这些问题,本课题提出了一种成本低、

遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统设计方案。该系统方案包括两大部分,一部分是操作人员所处的地面监控系统,一部分是无人机端的受控系统,实现的机制主要是无人机不断地将自身的定位信息实时地传送给地面控制系统,地面控制系统将无人机位置信息通过电子地图可视化显示给操作人员,操作人员结合本次飞行任务,采用灵活的鼠标绘制方式在地图上绘制预定的飞行路线,地面控制系统对绘制路线进行自动处理生成可用的路线控制信息帧并发送给无人机受控系统,无人机受控系统接收到位置控制信息帧,不断结合实时的方位信息得到飞行控制信息,从而遥控无人机按照预定路线飞行。此外,为方便用户以后对历史数据的查看,以分析总结得到一些有价值的信息,地面监控系统还包含了对预定路线和无人机历史飞行路线的存储、查询和在地图中回放功能。基于GIS技术的地面监控系统的具体实现是在Windows操作系统上,采用Visual Basic作为系统开发环境并结合MSComm串口通信技术、Mapx二次开发组件技术、Winsock网络接口技术以及Access数据库技术完成软件设计,实现与无人机受控系统的无线通信、GIS系统操作和监控、历史数据存储和重现等,其中实验区域的电子地图采用Mapinfo Professional开发软件绘制完成,并创新性地设计并绘制了画面简洁的带高层信息的二点三维矢量地图,而对于绘制路线的优化和提取处理采用了垂距比值法和最小R值法。无人机端使用BDS-2/GPS双卫星系统对无人机实时位置进行高精度的定位,采用双串口单片机进行运算控制处理,实时的飞行控制信息采用了几何空间算法得到,另外采

数学建模典型例题

一、人体重变化 某人的食量是10467焦/天,最基本新陈代谢要自动消耗其中的5038焦/天。每天的体育运动消耗热量大约是69焦/(千克?天)乘以他的体重(千克)。假设以脂肪形式贮存的热量100% 地有效,而1千克脂肪含热量41868焦。试研究此人体重随时间变化的规律。 一、问题分析 人体重W(t)随时间t变化是由于消耗量和吸收量的差值所引起的,假设人体重随时间的变化是连续变化过程,因此可以通过研究在△t时间内体重W的变化值列出微分方程。 二、模型假设 1、以脂肪形式贮存的热量100%有效 2、当补充能量多于消耗能量时,多余能量以脂肪形式贮存 3、假设体重的变化是一个连续函数 4、初始体重为W0 三、模型建立 假设在△t时间内: 体重的变化量为W(t+△t)-W(t); 身体一天内的热量的剩余为(10467-5038-69*W(t)) 将其乘以△t即为一小段时间内剩下的热量; 转换成微分方程为:d[W(t+△t)-W(t)]=(10467-5038-69*W(t))dt; 四、模型求解 d(5429-69W)/(5429-69W)=-69dt/41686 W(0)=W0 解得: 5429-69W=(5429-69W0)e(-69t/41686) 即: W(t)=5429/69-(5429-69W0)/5429e(-69t/41686) 当t趋于无穷时,w=81; 二、投资策略模型 一、问题重述 一家公司要投资一个车队并尝试着决定保留汽车时间的最佳方案。5年后,它将卖出所有剩余汽车并让一家外围公司提供运输。在策划下一个5年计划时,这家公司评估在年i 的开始买进汽车并在年j的开始卖出汽车,将有净成本a ij(购入价减去折旧加上运营和维修成本)ij

国赛历届数学建模赛题题目与解题方法

历届数学建模题目浏览:1992--2009 1992年 (A) 施肥效果分析问题(北京理工大学:叶其孝) (B) 实验数据分解问题(华东理工大学:俞文此; 复旦大学:谭永基) 1993年 (A) 非线性交调的频率设计问题(北京大学:谢衷洁) (B) 足球排名次问题(清华大学:蔡大用) 1994年 (A) 逢山开路问题(西安电子科技大学:何大可) (B) 锁具装箱问题(复旦大学:谭永基,华东理工大学:俞文此) 1995年 (A) 飞行管理问题(复旦大学:谭永基,华东理工大学:俞文此) (B) 天车与冶炼炉的作业调度问题(浙江大学:刘祥官, 李吉鸾) 1996年 (A) 最优捕鱼策略问题(北京师范大学:刘来福) (B) 节水洗衣机问题(重庆大学:付鹂) 1997年 (A) 零件参数设计问题(清华大学:姜启源) (B) 截断切割问题(复旦大学:谭永基,华东理工大学:俞文此) 1998年 (A) 投资的收益和风险问题(浙江大学:陈淑平) (B) 灾情巡视路线问题(上海海运学院:丁颂康) 1999年 (A) 自动化车床管理问题(北京大学:孙山泽) (B) 钻井布局问题(郑州大学:林诒勋) 1999年(C) 煤矸石堆积问题(太原理工大学:贾晓峰)

(D) 钻井布局问题(郑州大学:林诒勋) 2000年 (A) DNA序列分类问题(北京工业大学:孟大志) (B) 钢管订购和运输问题(武汉大学:费甫生) (C) 飞越北极问题(复旦大学:谭永基) (D) 空洞探测问题(东北电力学院:关信) 2001年 (A) 血管的三维重建问题(浙江大学:汪国昭) (B) 公交车调度问题(清华大学:谭泽光) (C) 基金使用计划问题(东南大学:陈恩水) (D) 公交车调度问题(清华大学:谭泽光) 2002年 (A) 车灯线光源的优化设计问题(复旦大学:谭永基,华东理工大学:俞文此) (B) 彩票中的数学问题(解放军信息工程大学:韩中庚) (C) 车灯线光源的优化设计问题(复旦大学:谭永基,华东理工大学:俞文此) (D) 赛程安排问题(清华大学:姜启源) 2003年 (A) SARS的传播问题(组委会) (B) 露天矿生产的车辆安排问题(吉林大学:方沛辰) (C) SARS的传播问题(组委会) (D) 抢渡长江问题(华中农业大学:殷建肃) 2004年 (A) 奥运会临时超市网点设计问题(北京工业大学:孟大志) (B) 电力市场的输电阻塞管理问题(浙江大学:刘康生) (C) 酒后开车问题(清华大学:姜启源)

航空延误数学建模

航班延误问题研究论文 摘要 近年来,随着航班延误事件的增多,引起的乘客和航空公司之间纠纷也逐渐增多,如果不能及时解决,会激发两者之间的矛盾,造成社会不稳定因素。本文运用两种关于航班延误的算法(美国关于航班延误问题的算法和中国关于航班延误问题的算法)来判断中国是否是航班延误最严重的国家。并基于收集得到的数据,通过数据拟合,分析得出国内航班延误的主要原因。最后,针对我国航班延误的主要原因提出改进措施。 针对问题一,我们首先对原始数据进行统计并处理,得到航班总数,正常航班数,不正常航班数的时间序列数据。通过题中所给网站https://www.360docs.net/doc/371584506.html,。我们发现所给数据是以美国统计航班延误数据的标准进行统计的。由于我国统计航班延误数据的标准与美国航班统计方法不一致,我们决定分别运用我国关于航班延误问题统计方法和美国关于航班延误问题统计方法处理数据。然后通过数据判断我国是否是航班延误最严重的国家。 针对问题二,我们首先对原始数据进行整理,得到各个年份的导致航班延误影响因素的分布表,紧接着做出这个比例分布表的直方图和折线图。进而依据数据特征运用excel做出X Y散点图,通过添加趋势线合成多项式曲线,利用软件得多项式方程以及R平方值。通过R平方值,具体且直观的反应出因数影响程度的大小。再通过使用SAS软件对数据进行多因素之间的多重对比,得到与多项式方程比较相同的结果。至此,得以证明结果所得合理且正确。 针对问题三,通过第二问我们得出影响航班延误的主要原因是航空公司自身的原因,所以我们主要阐述了关于改进航空公司自身原因的措施,并且对于其他影响航班延误的原因也提出了一些改进建议。我们认为,航班延误治理是一项系统工程也是一个难题,应对措施及策略可从文中所给出的几方面进行考虑。我们通过对分析所得数据,查阅网上及书本资料,本着具体问题具体解决的思路对应对影响因素的根源提出方案。 关键字:延误因素决定系数拟合多重比较

数学建模题目及答案

09级数模试题 1. 把四只脚的连线呈长方形的椅子往不平的地面上一放,通常只有三只脚着地,放不稳,然后稍微挪动几次,就可以使四只脚同时着地,放稳了。试作合理的假设并建立数学模型说明这个现象。(15分) 解:对于此题,如果不用任何假设很难证明,结果很 可能是否定的。 因此对这个问题我们假设: (1)地面为连续曲面 (2)长方形桌的四条腿长度相同 (3)相对于地面的弯曲程度而言,方桌的腿是足够长的 (4)方桌的腿只要有一点接触地面就算着地。 那么,总可以让桌子的三条腿是同时接触到地面。 现在,我们来证明:如果上述假设 条件成立,那么答案是肯定的。以长方 桌的中心为坐标原点作直角坐标系如图 所示,方桌的四条腿分别在A、B、C、D 处,A、、D的初始位置在与x轴平行,再 假设有一条在x轴上的线,则也与A、B,C、D平行。当方桌绕中心0旋转时,对角线与x轴的夹角记为θ。 容易看出,当四条腿尚未全部着地时,腿到地面的距离是不确定的。为消除这一不确定性,令() fθ为A、B离地距离之和,

()g θ为C 、D 离地距离之和,它们的值由θ唯一确定。由假设(1), ()f θ,()g θ均为θ的连续函数。又由假设(3) ,三条腿总能同时着地, 故()f θ()g θ=0必成立(?θ)。不妨设(0)0f =(0)0g >(若(0)g 也为0,则初始时刻已四条腿着地,不必再旋转),于是问题归结为: 已知()f θ,()g θ均为θ的连续函数,(0)0f =,(0)0g >且对任意θ有00()()0f g θθ=,求证存在某一0θ,使00()()0f g θθ=。 证明:当θ=π时,与互换位置,故()0f π>,()0g π=。作()()()h f g θθθ=-,显然,()h θ也是θ的连续函数,(0)(0)(0)0h f g =-<而()()()0h f g πππ=->,由连续函数的取零值定理,存在0θ,00θπ<<,使得0()0h θ=,即00()()f g θθ=。又由于00()()0f g θθ=,故必有00()()0f g θθ==,证毕。 2.学校共1000名学生,235人住在A 宿舍,333人住在B 宿舍,432人住在C 宿舍。学生 们要组织一个10人的委员会,试用合理的方法分配各宿舍的委员数。(15分) 解:按各宿舍人数占总人数的比列分配各宿舍的委员数。设:A 宿舍的委员数为x 人,B 宿舍的委员数为y 人,C 宿舍的委员数为z 人。计算出人数小数点后面的小数部分最大的整数进1,其余取整数部分。 则 10; 10=235/1000;

浅析无人机航空摄影测量系统及应用

浅析无人机航空摄影测量系统及应用 发表时间:2017-10-26T19:53:11.473Z 来源:《建筑科技》2017年9期作者:舒永国 [导读] 发展低空无人飞行器航测遥感系统是提高测绘现势性的迫切需要,是做好应急救急工作的迫切需要,是构建数字中国、数字城市建设的迫切需要。基于此,本文主要对无人机航空摄影测量系统及应用进行分析探讨。 北京市自来水集团禹通市政工程有限公司北京 100089 摘要:测绘测量技术系统是应对自然灾害、有效处置突发事件、构建完善保障系统与加强防灾减灾工作建设的重要组成部分,也是目前的一个重要战略问题。发展低空无人飞行器航测遥感系统是提高测绘现势性的迫切需要,是做好应急救急工作的迫切需要,是构建数字中国、数字城市建设的迫切需要。基于此,本文主要对无人机航空摄影测量系统及应用进行分析探讨。 关键词:无人机;航空摄影;测量系统;应用 1、前言 航空数字摄影测量是基础地理信息采集的最有效手段之一。随着计算机技术的发展和微处理机的广泛应用,政府各部门对测绘资料的需求越来越大,对资料现势性要求越来越高,对资料所能包涵的信息容量越来越多。无人机航空摄影测量作为一种新型的测量方式不断呈现在大家的面前,伴随着高科技技术环境下测绘技术与测绘装备的快速发展,融合了无人机技术、航空摄影技术、移动测量技术、数字通信技术等一系列新兴技术形态的无人机航空摄影测量系统成为防灾减灾的重要手段,它建立起一整套综合应急测绘保障服务系统。 2、无人机航空摄影测量系统 目前,国内已经投入使用的无人机航空摄影测量系统有“华鹰”、“飞象”、“QuickEye”等。无人机航空摄影测量系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括机载系统和地面监控系统;软件系统则涵盖了航线设计、飞行控制、远程监控、航摄检查、数据预处理等五个主要的系统。 2.1硬件系统 2.1.1无人机机载系统 在整个无人机航空摄影测量系统构成中,无人机作为主要的系统搭载平台,是整个系统集成与融合的重要基础。这一硬件系统主要由无人机、数字摄影系统、导航与飞行控制系统、通信系统等部分构成。在该系统工作的过程中,整个系统会按照预先设定的航线进行相应的自主飞行,并且完成预先设定的航空摄影测量任务,同时实时地把飞机的速度、高度、飞行状态、气象状况等参数传输给地面控制系统。 2.1.2地面飞行监控系统 这一分支系统是影响飞行平台运行的重要因素,主要有电子计算机、飞行控制软件、电子通信控制介质和电台等设备。在飞行平台的运行过程中,地面飞行控制系统可以据无人机飞行控制系统发回的飞行参数信息,实时在地图上精确标定飞机的位置、飞行路线、轨迹、速度、高度和飞行姿态,使地面操作人员更容易掌握无人机的飞行状况。 2.2软件系统 2.2.1航线设计软件 航线设计在无人机航空摄影测量系统中扮演着十分重要的角色,其直接决定了整个系统工作的方向和精准度。这一分支系统作为信息采集的关键步骤,需要对于系统运行经过的作业范围、地形地貌特点、属性精度要求、摄影测量参数以及摄影测量的结果进行综合设定。航线设计软件需要对相关的工作参数进行综合设定,诸如计算行高、重叠度和地面分辨率等飞行参数,进而获得飞行所需的曝光点坐标、基线长度等参数。此外,航线设计软件还有一个十分重要的功能,那就是对于设计好的航线进行检查,诸如:航线走向、摄影基面、行高、地面分辨率和像片重叠度等。 2.2.2数据接受与预处理系统 这是无人机系统中最为重要的软件系统,也是无人机航空摄影测量系统室外作业的最后一步,直接影响到后续的图像数据处理质量。一般情况下,无人机航空摄影测量系统在影像获取过程中,由于受外界和内部因素的影响,可能降低获取的原始图像的质量。为避免原始图像后续处理的质量问题,在影像配准、拼接之前,必须对原始影像进行预处理。这一预处理的过程,先后涵盖了图像校正、图像增强等方面。 3、项目应用实践 3.1工程概况 井山水库位于抚河流域东乡河南港支流黎圩水上游,地处江西省抚州市东乡县黎圩镇内,坝址位于南港支流东乡县黎圩镇井山村上游河段1.0km狭谷段,坝址区距黎圩镇约5km,距东乡县县城约25km,控制流域面积25.2km2,正常蓄水位83.00m(黄海高程,下同),总库容2250×104m3,是一座灌溉、供水等综合效益的中型水利枢纽工程。 3.2外业测量 3.2.1航摄 航摄仪采用Sonya7R,焦距35mm,相幅大小为:7360×4192,像元分辨率为4.88um。本次无人机航摄分两个架次进行,由GPS领航数据计算相对飞行高度为724m,地面分辨率为0.09m,航摄面积约10km2。两个架次飞行质量和影像良好,影像清晰度较高,且照片色彩均匀,饱和度良好,能够表达真实的地物信息,可以满足1:2000成图要求。本次飞行航向重叠度为75%,旁向重叠度为50%。 3.2.2像控测量 像控点的布设应能够有效控制成图的范围,测区的四周及中心位置必须布设控制点,根据测区的情况,每个测区布设控制点20多个,且都设置为平高点。 3.2.3空中三角测量 本项目采用SVS软件进行空三加密,根据航空飞行及影像分布情况,将空三区域分为两个加密区域网采用自动与手动相结合的方式进行空三加密,即采用自动匹配进行像点量测,剔除粗差。人工调整直至连接点符合规范要求,保证在2/3个像素以内。加入外业像控点对本

关于无人机飞行控制系统的全面解析

关于无人机飞行控制系统的全面解析 飞控的大脑:微控制器在四轴飞行器的飞控主板上,需要用到的芯片并不多。目前的玩具级飞行器还只是简单地在空中飞行或停留,只要能够接收到遥控器发送过来的指令,控制四个马达带动桨翼,基本上就可以实现飞行或悬停的功能。意法半导体高级市场工程师介绍,无人机/多轴飞行器主要部件包括飞行控制以及遥控器两部分。其中飞行控制包括电调/马达控制、飞机姿态控制以及云台控制等。目前主流的电调控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。 高通和英特尔推的飞控主芯片CES上我们看到了高通和英特尔展示了功能更为丰富的多轴飞行器,他们采用了比微控制器(MCU)更为强大的CPU或是ARM Cortex-A系列处理器作为飞控主芯片。例如,高通CES上展示的Snapdragon Cargo无人机是基于高通Snapdragon芯片开发出来的飞行控制器,它有无线通信、传感器集成和空间定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也亲自在CES上演示了他们的无人机。这款无人机采用了RealSense技术,能够建起3D地图和感知周围环境,它可以像一只蝙蝠一样飞行,能主动避免障碍物。英特尔的无人机是与一家德国工业无人机厂商Ascending Technologies合作开发,内置了高达6个英特的RealSense3D摄像头,以及采用了四核的英特尔凌动(Atom)处理器的PCI-express定制卡,来处理距离远近与传感器的实时信息,以及如何避免近距离的障碍物。这两家公司在CES展示如此强大功能的无人机,一是看好无人机的市场,二是美国即将推出相关法规,对无人机的飞行将有严格的管控。 多轴无人机的EMS/传感器某无人机方案商总经理认为,目前业内的玩具级飞行器,虽然大部分从三轴升级到了六轴MEMS,但通常采用的都是消费类产品如平板或手机上较常用的价格敏感型型号。在专业航拍以及专为航模发烧友开发的中高端无人机上,则会用到质量更为价格更高的传感器,以保障无人机更为稳定、安全的飞行。这些MEMS传感器主要用来实现飞行器的平稳控制和辅助导航。飞行器之所以能悬停,可以做航拍,是因为MEMS传感器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化,在检测到角度变化

数学建模例题及解析

。 例1差分方程—-资金的时间价值 问题1:抵押贷款买房——从一则广告谈起 每家人家都希望有一套(甚至一栋)属于自己的住房,但又没有足够的资金一次买下,这就产生了贷款买房的问题。先看一下下面的广告(这是1991年1月1日某大城市晚报上登的一则广告),任何人看了这则广告都会产生许多疑问,且不谈广告中没有谈住房面积、设施等等,人们关心的是:如果一次付款买这栋房要多少钱呢?银行贷款的利息是多少呢?为什么每个月要付1200元呢?是怎样算出来的?因为人们都知道,若知道了房价(一次付款买房的价格),如果自己只能支付一部分款,那就要把其余的款项通过借贷方式来解决,只要知道利息,就应该可以算出五年还清每月要付多少钱才能按时还清贷款了,从而也就可以对是否要去买该广告中所说的房子作出决策了。现在我们来进行数学建模。由于本问题比较简单无需太多的抽象和简化。 a。明确变量、参数,显然下面的量是要考虑的: 需要借多少钱,用记; 月利率(贷款通常按复利计)用R记; 每月还多少钱用x记; 借期记为N个月。 b.建立变量之间的明确的数学关系。若用记第k个月时尚欠的款数,则一个月后(加上利息后)欠款 , 不过我们又还了x元所以总的欠款为 k=0,1,2,3, 而一开始的借款为.所以我们的数学模型可表述如下 (1) c. (1)的求解。由

(2)这就是之间的显式关系。 d.针对广告中的情形我们来看(1)和(2)中哪些量是已知的。N=5年=60个月,已知;每月还款x=1200元,已知A.即一次性付款购买价减去70000元后剩下的要另外去借的款,并没有告诉你,此外银行贷款利率R也没告诉你,这造成了我们决策的困难.然而,由(2)可知60个月后还清,即,从而得 (3) A和x之间的关系式,如果我们已经知道银(3)表示N=60,x=1200给定时0 A。例如,若R=0.01,则由(3)可算得行的贷款利息R,就可以算出0 53946元。如果该房地产公司说一次性付款的房价大于70000十53946=123946元的话,你就应自己去银行借款。事实上,利用图形计算器或Mathematica这样的 数学软件可把(3)的图形画出来,从而可以进行估算决策。以下我们进一步考虑下面两个问题。 注1问题1标题中“抵押贷款”的意思无非是银行伯你借了钱不还,因而要你用某种不动产(包括房子的产权)作抵押,即万一你还不出钱了,就没收你的不动产。 例题1某高校一对年青夫妇为买房要用银行贷款60000元,月利率0.01,贷款期25年=300月,这对夫妇希望知道每月要还多少钱,25年就可还清。假设这对

飞行管理 数学建模

B 题:飞行管理问题 摘要: 飞行管理问题是一个既现实又重要的课题,本文利用偏转角度尽可能的小建立两个非线性规划模型。 模型一:时间模型。考虑到各架飞机的偏转角有正有负,在此模型中,对于各架飞机调整选取各个偏转角的绝对值的和作为目标函数,要求任意两架飞机任意时刻的距离大于8公里,则可以求出任意两架飞机的距离ij d 。此时,两架飞机距离ij d 是时间t 与各个飞机偏转角i θ?的函数,编写程序时将t 离散化,且t 有最大值0.2828s (沿对角线飞过的时间),这样可得到表1-1的结果: 表1-1 模型二:闭塞区域模型。在两架飞机中,将其中一架看成“静止”,另一架相对于它而运动。而以“静止”飞机为圆心,km 8为半径的圆形区域构成该飞机的闭塞区域,任意一架飞机的方向角均不能在此区域内,则为不相撞。为此,本文用复变函数的知识表示各架飞机的速度,从而算出相对速度,再求出相对位移,以相对速度与相对位移的夹角大于每两架飞机的临界夹角来刻画不相撞。目标函数为每架飞机偏转角的平方和。利用计算机编程得到表1-2的结果: 表1-2 对于上述两个非线性规划,在理论方面,本文利用SUTM 内点法(障碍函数法)进行算法描述,在操作方面,分别利用lingo 语言与MATLAB 语言直接编写程序进行计算 关键词:非线性规划、复变函数、SUMT 内点法、闭塞区域、禁飞角

一、问题重述 1.背景知识 与其他交通工具相比,飞机以其速度快、安全舒适等特点在交通领域占据了绝对地位。而近年来飞机事故的频繁发生也预示着飞机存在一定的安全隐患。经调查造成飞机相撞事故的原因主要是人、飞机(设备)、环境,而人的因素是事故中通常起主体作用的因素,直接影响事故的发生和结局。飞机事故的发生难以预测且死亡率极高,所以航空安全机制的健全,航空人员素质的提高已变得刻不容缓。 2.问题重述 在约10000米的高空某边长为160公里的正方形区域内,经常有若干架飞机作水平飞行。区域内每架飞机的位置和速度向量均由计算机记录其数据,以便进行飞行管理。当一驾欲进入该区域的飞机到达区域边缘时,记录其数据后,要立即计算并判断是否会与区域内的飞机发生碰撞。如果会碰撞,则应计算如何调整各架(包括新进入的)飞机飞行的方向角,以避免碰撞。现假定条件如下: 1)不碰撞的标准为任意两架飞机的距离大于8公里; 2)飞机飞行方向角调整的幅度不应超过30度; 3)所有飞机飞行速度均为每小时800公里; 4)进入该区域的飞机在到达区域边缘时,与区域内飞机的距离应在60公里以上; 5)最多需考虑6架飞机; 6)不必考虑飞机离开此区域后的状况。 请你对这个避免碰撞的飞机管理问题建立数学模型,列出计算步骤,对以下数据进行计算(方向角误差不超过0.01度),要求飞机飞行方向角调整的幅度尽量小。 设该区域内4个顶点的坐标为(0,0),(160,0),(160,160),(0,160)。 记录数据为:

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