自動化無人機快遞配送系統(tǒng)研究

杜洋+劉洪辰

摘 要 在微電子技術、現(xiàn)代導航技術以及新材料的支持下，四旋翼無人飛行器成為了一種相對成熟的民用飛行器。四旋翼飛行器具有結構簡單、成本低廉、性能卓越的優(yōu)點，依靠四旋翼飛行器作為快遞投放終端，建立自動化快遞投放系統(tǒng)，這會使傳統(tǒng)快遞業(yè)發(fā)生革命性改變。若合理布局快遞接收基座、建立無人機群協(xié)作模式、完善地面監(jiān)控系統(tǒng)，大范圍應用自動化快遞系統(tǒng)將成為現(xiàn)實。

關鍵詞 四旋翼飛行器；無人機；快遞投放

中圖分類號 TP39 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0096-02

1 研究背景

據(jù)統(tǒng)計，中國一年要收發(fā)約90億件快遞。目前末端物流主要依靠人力投放，投放成本高、效率低，穿梭在大街小巷的快遞三輪車不僅造成了交通擁堵，也成為了潛在的交通隱患。現(xiàn)有快遞投放方式制約了快遞行業(yè)的發(fā)展，如何高效、安全、低成本投放快遞已成為現(xiàn)代快遞行業(yè)的發(fā)展方向。

2 設計原理

2.1 應用型四旋翼飛行器設計

作為快遞投放終端的無人飛行器必須具備險情預警、自我檢修的功能，以適應復雜飛行環(huán)境。機身結構應高度一體化，具備防水、防雷、抗風、抗摔、抗磁的性能。

無人機自身重量是影響其續(xù)航能力和尺寸的主要因素，同時其動力系統(tǒng)在整機重量中占了很大比例。在機身材料的選擇上，在保證強度、剛度穩(wěn)定性的前提下，應優(yōu)先選擇重量輕的材料。

在飛行器重量相同時，其尺寸與速度、能耗成反比，因此在進行飛行器設計時應進行系統(tǒng)的最優(yōu)化設計，確保飛行穩(wěn)定的同時，應考慮機身的受到的空氣阻力作用和能耗之間的關系。

飛行器工作環(huán)境多為居民區(qū)，在設計時不只要考慮到飛行器自身的飛行安全更要考慮到其工作區(qū)域內居民的生命財產安全。目前，民用四旋翼飛行器大多采用旋翼裸露在外的設計，無保護裝置。旋翼轉速極高，這種旋翼裸露在外的設計不僅威脅到工作人員的安全，其飛行過程更有可能威脅居民的生命安全。因此，對于工作環(huán)境為居民區(qū)的飛行器，其旋翼應有保護裝置。

飛行器的自身成本較高，應用于商業(yè)領域，在設計時必須考慮到其使用率。四旋翼飛行器的多采用充電電池供電，但是電池充電過程需要很長的時間，這是影響飛行器使用率的主要因素。快速充電技術和無線充電技術已處于實際應用階段，將這兩項技術應用飛行器，隨著技術的發(fā)展成熟，飛行器的使用率會得到提高。

2.2 快遞終端接收基座設計

快遞終端接收基座是設置在居民區(qū)，具備起降飛行器、自動接收快遞、信號中繼功能的基礎設施。

快遞終端接收基座是直接面向于用戶的服務型設施，在設計上應符合人體工程學，用戶體驗要友好。作為一種服務型的公共設施，其材料應具備抗老化的性能，結構設計也應該考慮到高頻率使用造成的磨損因素。

城市用地緊張，已建成的居民區(qū)可利用公共空間極少。快遞終端接收基座在設計要降低空間占用率，同時也做到功能整合性。把新能源汽車充電基座和快遞終端接收集中整合，達到了一個基座多種使用功能的目的。

城市公共設置本身應具備城市景觀的功能，快遞終端接收基座在外觀設計上須具備美觀性、時代性和標志性，符合大眾審美需求。

3 自主飛行控制系統(tǒng)設計

飛行器需要具備全面的環(huán)境感知能力和學習適應能力，以完成在復雜條件下的自主導航任務。通信、協(xié)調、目標識別、分配與應急處理是建立自主飛行系統(tǒng)的關鍵。

為保證無人機通信系統(tǒng)穩(wěn)定安全，應建立其專有通信網，采用數(shù)字加密信號進行通信。同時，飛行器應具有至少2種通信方式，在專有通信網發(fā)生故障時，可以緊急調用民用4G通信網絡來確保飛行器的安全運行。

在飛行器的工作區(qū)域建立由監(jiān)測基站組成的監(jiān)測網，由調度中心統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理，再把飛行指令傳送到飛行器，使各個飛行器的飛行路線互不干擾。

飛行器應裝置“黑匣子”，收集飛行數(shù)據(jù)。調度中心定期對飛行數(shù)據(jù)分析處理，建立云數(shù)據(jù)庫。飛行器在遇到緊急情況時，把現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳回調度中心，通過和云數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比對分析，做出最佳應急反應。通過這種循環(huán)學習的模式，飛行器會隨著飛行時間的增長和飛行環(huán)境的增多而變得更加智能。

四旋翼飛行器高靈活度、控制簡單、起降要求低、維護成本低的優(yōu)點，能安全、高效、迅速地投放快遞。

多功能快遞接收基座同時具備編碼識別、快遞自動接收、為無人機充電、作為新能源汽車充電基座3大功能。無人機充電采用無線充電供給方式。基座采用一體化設計，在兼顧結構合理和造型美觀的同時，一個基座多種使用功能，最大限度地降低空間占用率。

配送系統(tǒng)自動化程度高，人力成本大大降低。空運方式運送，能緩解城市地面交通擁擠。

整個系統(tǒng)只消耗電能，實現(xiàn)了碳的零排放。

4 應用前景

目前，四旋翼飛行器民用領域主要應用于航拍和地面測量。隨著新材料、電池和導航技術的發(fā)展，四旋翼飛行器在民用領域將有著更廣闊的應用。

飛行器和飛行系統(tǒng)本身具有很大的拓展空間，其潛在的社會和經濟價值巨大。例如，可以建立城市無人機安保系統(tǒng)，安保飛行器和快遞飛行器共用通信和導航系統(tǒng)，政府和多家企業(yè)合資建設基礎設施，這樣的整合能緩解在前期基礎設施建設上的資金壓力。

現(xiàn)有技術完全能支持該系統(tǒng)的建立。以“大疆”為代表的民用無人機企業(yè)在技術上已經處于全球領先地位，同時我國在軍用無人機制造上也有技術沉淀，這為無人機快遞系統(tǒng)建設創(chuàng)造了客觀條件。

民用四旋翼飛行器主要運用于航拍領域，面向對象窄，經濟附加值不高，這限制了其市場需求。無人機廣泛應用物流配送領域，能促進國家的高新技術的發(fā)展，創(chuàng)造就業(yè)崗位，從而推動國家經濟建設。？

參考文獻

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