高層配送無人機停放平臺的設計

張坤 石愛平 水清梅

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.013

摘? 要：目前由于國內物流和外賣行業處于興盛階段，在現有的運行模式下，“最后一公里”配送作為唯一與消費者面對面接觸的環節，成為制約電商物流發展的最大阻礙。該項目針對物流配送“最后一公里”的痛點，設計一種基于無人機快遞的新式室外快遞接收終端平臺。通過一個與室內連通的裝置，使業主足不出戶便可接收與發送快遞，其中無人機運輸解決了一般人員運輸受地形和交通規則制約而導致貨物運送較慢的問題，大大降低了貨物配送的晚點率和損壞率。

關鍵詞：STM89C52;無人機配送;壓力傳感器;最后一公里

中圖分類號：TP215? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0045-04

Design of the Parking Platform for High-rise Distribution UAV

ZHANG Kun，SHI Aiping，SHUI Qingmei

（Binzhou University，Binzhou? 256600，China）

Abstract：At present，as the domestic logistics and takeout industry are in a prosperous stage. As the only link for face-to-face contacting with consumers in the existing operation mode，the “last kilometer” distribution has become the biggest obstacle restricting the development of e-commerce logistics. Aiming at the pain points of the “last kilometer” of logistics distribution，this project designs a new outdoor express receiving terminal platform based on UVA express. Through a device connected to the indoor，the owner can receive and send express without leaving the house. Among them，UAV transportation solves the problem of slow goods transportation because that the general personnel transportation is restricted by terrain and traffic rules，which reduce greatly the delay rate and damage rate of goods distribution.

Keywords：STM89C52;UAV distribution;pressure sensor;last kilometer

0? 引? 言

由于目前國內物流快遞行業興盛，快遞的配送逐漸成為物流發展的一個熱點問題，美中不足的是物流鏈的末端存在著“最后一公里的痛”。物流末端當今現狀的處理方式是把快遞放在相應的暫存點等顧客自己去取件，但是暫存點有相應的工作時間，做不到提供二十四小時取件服務。其次是將快遞暫存在智能自提柜，顧客可憑相應的取件碼享受二十四小時的取件服務，但是如今的自提柜規定了免費暫存時間，超過這個時間顧客必須支付相應的暫存費用才可將快遞取走。

近年來智能快遞柜如雨后春筍般“成長出來，但是在市場的巨大競爭下并沒有發展得順風順水。即使在智能自提柜的加持下物流配送末端的問題依然難以完美解決。并且存在著種種難以迅速解決的痛點。目前，這些痛點主要為：

（1）由于道路堵塞，導致的運輸不便，進而影響了運輸效率;由于目前交通流量的不斷增長，交通壓力驟升，在很大程度上影響到了快遞的陸路運輸，而相較于發展空間廣闊的空中運輸，對空中運輸產生的影響微乎其微。

（2）送貨端與顧客端存在嚴重的時間沖突，大部分的上班族需要在規定的時間待在固定的場所進行相應的工作，因此難以與配送員進行快遞的對接，而配送員也是按照公司安排的配送時間進行配送，因此在實踐上造成了沖突。

（3）隨著經濟時代的生活節奏愈加迅速，大多數人更為傾向于網上購物，這就直接導致貨物量的驟增，對于條件艱苦的一線快遞服務大多數應屆生和往屆生是表示拒絕的。因此造成配送人員供不應求。

（4）隨著“豐巢風波”的興起，智能快遞柜告別無限期免費暫存，進而采取有限的暫存時間之后進行相應時長的收費。而本項目就是針對快遞“最后一公里”配送的種種問題來設計的一款與無人機對接的智能快遞接收終端平臺。

（5）由于在快遞柜的發展前期需要投入的成本過于巨大，快遞柜的盈利模式卻過于單一，再加上顧客對于快遞柜收費模式不買單。導致大多數快遞柜企業入不敷出，根據有關機構計算，一臺快遞柜一年的成本在十萬元左右。入不敷出之下，智能快遞柜虧損情況仍待解決。

1? 無人機停放平臺介紹

經過設計，智能快遞接收終端平臺三視圖如圖1、圖2、圖3所示，產品實物圖如圖4所示。

該裝置平臺部分的長為35 cm，寬為30 cm，高為30 cm;右側控制盒長為10 cm，最外邊框厚度為0.5 cm，內裝置厚度為1 cm;二折滾珠滑軌長為35 cm，寬為4 cm，高為2 cm，自動伸縮裝置長為10 cm，寬為10 cm，高為2 cm;裝置后部180°可翻動擋板長35 cm，寬為1 cm，高為29 cm;該裝置應用到的零件：自動伸縮裝置，二折滾珠滑軌，光流傳感器，定位模塊。

本產品圖為初代實物展示圖，圖中產品處于待機狀態，如圖中所示STM32C52單片機控制中心連接著產品所使用的大多數的設備-壓力傳感器、定位模塊、Wi-Fi模組等;并使用可調電源對電機進行供電，使用調速器對電機頻率進行調節。

2? 設計原理

2.1? 設計思路

本項目針對物流配送“最后一公里”的痛點問題，為解決無人機運輸配送過程中人員受地形、交通規則制約導致貨物運送較慢的現象以及快遞員在某些情況下不被準入高端寫字樓的問題。本項目擬設計一種與無人機對接的智能快遞接收平臺，將物流配送的最后一公里問題交給無人機去解決，而接收快遞的問題則由終端接收平臺來解決，通過一個與室內連通的終端接收平臺裝置與無人機相結合，使業主足不出戶便可接收快遞。

總體思路主要以智能快遞接收平臺為核心，首先無人機在利用GPS與實時視頻監控輔助的前提下，尋找顧客所在具體位置，后期在相應的路徑學習算法與北斗衛星導航的加持下，使無人機自主巡航定位顧客終端接收平臺，當無人機靠近裝置時，終端平臺接收無人機發送的Wi-Fi信號從墻體中緩緩滑出，然后通過光流定位實現無人機與接收平臺的感應，從而精準投放快遞，無人機投放完畢5秒后向接收平臺發送信號使其自動收回室內，并給收貨人發送信息，使快遞得以及時收取。

2.2? 定位模塊

定位系統模塊是該設計中的關鍵模塊，由北斗和GPS雙模定位模塊，氣壓值傳感器，溫度傳感器等組成，具有兩大功能：其一，雙模較單模多了一種系統，從而大大提高了定位準確率;其二，有效地解決了無人機配送時遇到的城市峽谷效應等問題。

北斗和GPS雙模芯片采用UM220-INS-N芯片，是一款集成基帶芯片和射頻芯片，采集無人機配送時水平位置信息，無人機同時配有氣壓值傳感器，溫度傳感器，接收來自隨高度變化的氣壓值來確定高層用戶的垂直位置，經過水平與垂直的定位來確定用戶的位置。

其中，高層用戶位置定位原理為：

首先，根據氣壓值隨樓層變化的特點，首先將氣壓值轉換成相對高度，根據氣象學，兩個不同海拔高度處的大氣壓強之間的關系可近似描述如式（1）所示。

式中h，h0為氣壓P，P0對應的海拔高度;Rd為氣體常數Rd=287.052 87 ㎡/（s?K）;T為空氣的熱力學溫度;g為重力加速度g=9.806 65 m/s?。記h-h₀=?h，?h則表示氣壓為P的水平面到氣壓為P₀的水平面的相對高度，將溫度T轉換成攝氏溫度t，代入相關參數值，并以10為底的對數表示上式，有式（2）：

式中?=1/237.15^-0C^-1，接下來就是樓層的估算，用無人機采集環境氣壓值作為起始氣壓值，記為P_S;當檢測到升高或降低結束時，采集環境氣壓值作為結束氣壓值，記為P_E。結合式（1）計算無人機上升下降期間，在垂直方向上移動的距離。根據建筑物的層高信息，估算樓層的改變量，進一步結合初始樓層信息，則無人機當前所在的樓層可以被確定，如式（3）：

式中H為無人機當前所在的樓層，H₁為無人機的初始樓層，h₀為建筑物每層的高度。

定位時常常遇到的城市峽谷效應會影響定位的準確率，因此可以根據高樓與衛星的高度角和方向角的關系將非視距衛星剔除，再利用算法將位置定位。

本產品采用GPS定位系統，終端快遞接收裝置實時將位置信息通過信息處理器發送給位于快遞站點的主控芯片，從而幫助快遞員進行控制。

2.3? 軟件設計

產品通過編寫相關的軟件程序，將電機的運作頻率通過多次實驗進行合適的設計，以達到對滑軌的精確控制。并且利用傳感器的參數設計上限和下限對傳感器感應數據進行合理的安全距離限制。通過設置傳感器的優先級以及選擇函數達到對對接時間的精確控制，保證在最短時間內安全無誤的完成快遞投遞工作。對于無人機的循跡路徑則需要在后期的項目升級階段實現，通過設定裝置的自檢程序對于在運行過程中出現的特殊狀況進行記錄與改進，并通過報警程序向控制后臺進行報備。

以下為紅外傳感器對無人機檢測的部分程序：

45.? Crc_return_data=cal_crc（mbus_Sendbuf， 5）;? //取得將要發送數據的CRC值46.Crc_buf[0]=（（Crc_return_data >> 8） &0xff）;? //取得CRC值的高8位

47. Crc_buf[1]=（Crc_return_data & 0xff）;? ?//取得CRC值的低8位

48. mbus_Sendbuf[5]=Crc_buf[1];? //CRC值低8位賦值給將要發送的數據的倒數第二個字節

49. mbus_Sendbuf[6]=Crc_buf[0];? //CRC值高8位賦值給將要發送的數據的最后一個

2.4? 硬件電路設計

終端平臺設備以STM89C52為控制核心，由895電機、HX711重力傳感器、紅外傳感器、GL9306光流傳感器、Wi-Fi模組、GSM模塊等裝置組成。實現了傳動、位置感知與對接精準以及信號對接等功能。同時項目采用了GPS（NEO-7M）與北斗雙定位（ATK1218-BD）系統，將更精確的實現無人機對接收平臺的定位，并且以多個紅外傳感器與光流傳感器進行輔助，不僅充分實現了技術應用上的創新，而且實現了無人機系統精確準時的配送，提高了物流服務水平。部分模塊電路圖如圖5所示。

3? 應用前景

本設計項目在未來將嵌入快遞和外賣配送最后一公里等應用場景，融合快遞外賣等剛需行業。在未來國內空域改革、低空逐漸有序開放及監管水平提升的趨勢下，無人機最后一公里配送功能將廣泛應用于高層住宅及寫字樓。高空專業接收平臺的收發快遞和接收外賣的實現將有效的解決當下高層住宅樓、寫字樓禁止外賣人員進入與不方便下樓取快遞這類問題。在將來高頻率的生活工作節奏下，此設計必將大大提高效率，無論是在生活還是工作方面都將會是一個有力的“聚變反應”。

4? 結? 論

在“5G+物聯網+人工智能”的時代，智慧物流不斷發展，并且用戶對智能產品的體驗感在進一步提高，如何將新興智能產品應用于生活是產品不斷改進的目標之一。本文設計的校園智慧物流平臺，有效提升了校園實物傳遞系統的信息化水平，降低了經濟和時間成本，提高了工作效率，提高了師生的滿意度和體驗感。

綜合來看，此設計在現今的物流配送模式上做出了變革，當第三方購物平臺聯合商家進行大型的商品促銷活動時，超大量的物流量是使各大物流系統癱瘓的重要原因，無論是在快遞的轉運車輛上、物流中轉節點物流倉的中轉效率、末端快遞的投遞效率上都是難以應對這種物流高峰。這種狀況產生的最終結果就是使物流末端的快遞站點快遞堆積成山，在每一年的新聞報道中這種現象已將屢見不鮮，這種現象還會引發快遞損壞率提高、快遞丟失率提高等惡性事件的發生。為此，此平臺以當前的快遞痛點問題為切入點，力求在為末端的快遞配送提供一種新型的快遞配送模式。早在2018年我國民航局發布了《民用無人駕駛航空器經營性飛行活動管理辦法（暫行）》為后期的無人機配送“保駕護航”。因此，我們在無人機配送的支持下利用此平臺的高空作業優勢將有效的緩解末端快遞站點的庫存壓力以及配送人員和設備不足的問題。目前，此平臺已經達到我們的預期效果，可以完成基本的快遞接收任務。程序的運行基本沒有問題但對于多個傳感器的應用優先級問題后期還有改進的空間，對于平臺的結構設計方面，由于對于材料的局限性認識，因此對材料的使用還有改進空間。

綜上所述，此設計將有效地提升社會資源的利用效率，推動配送行業最后一公里運營水平，改善快遞及外賣末端收貨服務體驗，在未來配合無人機末端配送具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1] 李自立，黃芬.基于無人收派的智能快遞箱設計探究 [J].物流工程與管理，2018，40（4）：160-161.

[2] 張午陽，章偉，宋芳，等.基于光流和超聲波模塊的小型四旋翼無人機定點懸停控制 [J].化工自動化及儀表，2018，45（4）：289-293.

[3] 孫輝.“最后一公里”智能快遞柜配送模式研究 [D].淮南：安徽理工大學，2018.

[4] IT時報.順豐每天飛500架次無人機快遞推向鄉村、山區 [J].全國商情，2015（Z4）：9.

[5] 李俊霆.無人機物流快遞終端收取裝置設計 [J].通訊世界，2018（9）：214-215.

[6] 杜洋，劉洪辰.自動化無人機快遞配送系統研究 [J].科技傳播，2016，8（10）：96-97.

[7] 朱艷，李曙生，張亞萍，等.基于物聯網的全自動智能快遞柜系統設計 [J].工業儀表與自動化裝置，2018（6）：39-42+65.

[8] 梅琪，王峰，李詩語，等.一種抑制城市峽谷多徑衛星信號的定位方法 [J].廣東工業大學學報，2018，35（2）：81-85.

[9] 李楊辰.無人機+快遞柜聯合配送模式探討 [J].中外企業文化，2020（7）：81-82.

作者簡介：張坤（1999—），男，漢族，山東濟南人，本科在讀，研究方向：航空物流。

收稿日期：2021-04-05

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃（S202010449012）