基于無人機的物流自動投放系統設計研究

亢煒

（陜西職業技術學院，陜西西安 710038）

處于21 世紀背景下，科學技術飛速發展，小型無人機也能夠實現更加豐富的功能，無人機設備包括GPS、激光、雷達和聲吶等，能夠采用慣性導航系統、人為操縱多種方式，更好地幫助無人機執行特定任務，譬如監控目標、跟蹤逃犯，精準估計無人直升機所在位置及速度信息。雖然在無人機技術發展中，不同國家研究學者都展開了對無人機問題的系統研究，但是研究側重點仍然存在不同，包括集中于目標識別、跟蹤策略、模擬理論等不同研究模塊。而文中研究則將無人機技術應用于近年來迅猛發展的物流快遞行業，即物流自動投放系統設計中。其中無人機所具備的“小微型”技術特點，也創造了更好的自動智能快遞體驗，可是總體無人機技術應用還尚未形成成熟體系，所以提出了基于無人機的物流自動投放系統設計思路。豐富我國該領域的理論研究，為類似研究提供參考作用的同時，也為無人機在我國物流快遞行業領域更好地應用提供指導價值[1-5]。

1 系統設計總架構

文中研究是為了能夠設計可以實現自動投放的無人機投放系統，經無人機、自主快遞柜、調度中心多個單位之間共同完成。那么，在設計該自動投放系統時，作為該核心系統設計模塊的無人機快遞系統體系結構見圖1。

圖1 無人機快遞系統體系結構

2 系統硬件設計

物流投放系統主要包括了機械爪、投放塢（見圖2），通過在無人機上固定投放塢，經機械爪連接凱夫拉線，便可以實現整個系統的工作流程。即在飛行無人機至指定投放點，然后經電機1 啟動投放塢，實現對機械爪的投放控制，經對電機1 的具體轉速進行控制，并對機械爪的具體下降速度進行有效控制，從而對機械爪的具體下降姿態做到實時監控。直至到達地面均可以采用機械爪成功釋放包裹，最終將機械爪進行回收并置于投放塢內，這樣就完成了一次投放流程[6-10]。

圖2 無人機投放系統三維圖

2.1 系統硬件

圖3 為該機載無人機自動投放系統的總架構設計，包括了小型無人直升機、投放塢、機械爪三大硬件組成，主要包括了主控板、超聲波、模板、無線模塊、電機模塊。

圖3 機載無人機自動投放系統

2.2 主控芯片

在設計該系統時運用了主控芯片型號為STM 32F103C8T6 單片機，能夠依照該單片機的技術優勢，運用32 位ARM 微控制器，達到72 MHz 的工作頻率，在實際應用中真正做到減小功耗，提高系統性能，且增加運行速度等多種技術優勢。其中，該主控芯片出廠自帶SPI、I2C 接口控制器，能夠更好地與該系統的其他硬件模塊之間進行有效通信。而且，該主控芯片還能夠實現多路PWM 輸出，能較好地控制芯片內部集成定時器的功能模塊。

2.3 機載處理器及傳感器

該機載處理器及傳感器運用ODROID-U3 開發板，能夠滿足四核A9處理器以2 GB RAM，達到1.7 GHz的主頻，可以應用于高負載運算的處理測試程序中，確保整體性能良好運行，并滿足系統的負載量需求。ODROID-U3 在該系統平臺運用中，由于具備了質量輕、體積小的技術優勢，還能夠與多個外設接口相連接，其中擁有3 個USB 2.0 接口、一個RJ-45 網口和調試串口。并選用小巧輕便、方便機載安裝的USB 相機，采用了MPI6050 型號的6 軸運動處理傳感器，能夠支持UVC 免驅協議，在Linux 開發環境下成功開發驅動程序，并且具備了各3 軸的陀螺儀、加速度，同時該傳感器還擁有I2C 第二個接口，能夠在實際應用中運用自帶DMP 連接嵌入式運動處理驅動庫，來轉換處理加速度、陀螺儀兩個傳感器采集所獲的數據，最終得出四元數。該傳感器在實際應用過程中，加速度、角速度這兩大測量范圍分別如下：

加速度：±2 g、±4 g、±8 g、±16 g；角速度：±250 rad/s、±500 rad/s、±1 000 rad/s、以及20 000 rad/s(dsp)，可以經編程代碼控制以上兩個測量范圍，示例如下：

2.4 超聲波傳感器

文中自動投放系統設計中運用的超聲波傳感器型號為KS103H，該傳感器能夠做到對發出的超聲波型號進行特有調制，然后進行成功發射，能夠擁有較強抗干擾效果。并且該傳感器還自帶溫度補償，能夠完成8 m 的距離測量，達到偏差在1 mm 以內的測量高精度，并且在測量過程中可以有效控制功耗，為了實現該傳感器和主控芯片之間的良好通信，同樣在內部設計集成I2C 接口控制器。

2.5 電機模塊及無人機參數

為了在設計自動投放系統中，滿足投放塢的低質量、大扭矩電機技術需求，最終選擇使用能夠做到全方位無死角的連續旋轉舵機，設計供電電壓為6 V，扭矩為7.5 kg/cm，能夠做到1.5 kg 以內的包裹穩定投放。采用小型飛行器，作為被控無人機，擁有成熟、簡化的模型優勢，對于指定任務目標完成容易度更大，所以被廣泛運用于航拍、監測等無人機中。該系統設計選用四旋翼經緯M100 型號飛行器，擁有輕盈機身、較大有效載荷、結構簡潔、動力系統可以達到較久的續航時間，能夠方便后期的試飛、調試及執行任務。經串口連接上層處理器和飛控，并開發SDK 完成相關參數傳遞。將錐形導向運用于投放塢在投放中的固定導向，多連桿四指運用于機械爪中，并運用了TB6612FNG 驅動芯片，能夠在運用過程中達到較高的運行效率和較大的電流量，并且設計兩個I/O 接口，一路PWM。這樣可以實現投放系統機械結構的牢固需求。

3 系統軟件設計

文中基于無人機的物流自動投放系統軟件，設計采用了嵌入式ARM 開發板，并在PC 終端成功安裝了嵌入式Linux 操作系統及ROS 開發環境。系統開發板同接地面站局域網，形成了ROS 網絡，在綁定兩個主機網卡IP 賬號時，通過ROS 網絡可以滿足主機之間的共享信息發布，從而實現主機之間信息訪問的便捷可靠，無需對通信層加以關注，作為該系統設計開發的ROS 網絡技術優勢。針對部分需要通信的相關技術指令，經某程序具體發布的相關信息話題，能夠完成傳統層面廣播。所以可以劃分該程序為多個小模塊程序，便于后期的調試管理[10-16]。

為了能夠成功可靠的對自動投放系統機械爪、投放塢進行控制，并獲得在不同姿態下的準確數據。將PID 算法引入該系統設計數據處理中，運用PID 控制器主要包括了比例、積分、微分以上三大單元，結合該投放系統的實際PID 運算應用，選用積分分離式PID 算法如式（1）所示。

運用該算法能夠對電機正反轉、速度進行有效控制，設計的投放塢程序、機械爪程序兩大控制流程圖如圖4、圖5 所示。

圖4 投放塢程序流程

圖5 機械爪程序流程

4 實驗測試

通過將文中設計的基于無人機的自動投放系統應用于實際物流自動投放中，設計的Linux 開發系統終端給出飛行器控制指令，經監控飛機端具體發布的實時位置、姿態相關數據，經UAV2car 成功獲取觀測數據情況。經該系統ROS 平臺架構的自帶rqt 工具包，可以實時觀測并繪制變化曲線，來更加直觀地觀察監控數據的變動情況。

通過主控芯片經傳感器、超聲波傳感器等獲得不同姿態下的控制數據，運用以上PID 算法公式，實現對PID 控制參數的反復調試，經多次飛行投放實驗發現可以獲得2.5 m 高度下的快遞自動投放。并且設計的該無人機自動投放系統，能夠成功控制無人機機械爪具體升降速度和定點高度，可以準確穩定地展開投放工作，從而獲得預期系統設計目標，證實了該系統設計思路的可行性。

5 結束語

總之，通過文中設計的基于無人機的物流自動投放系統設計思路，能夠擁有較高穩定性且自重較低的投放技術優勢，能夠在人機適配應用中，有效控制物流投放的原本時間，并且可以減少不必要的人力成本投入，不僅如此，在未來還能夠將該自動投放系統應用于勘探、急救、救災、高危采樣等多行業領域中，因此應用前景十分廣闊。