基于Pixhawk 及Arduino 高原物流空地配送的研究與設計

張智淇 蔣超 龔栩 王辛巖 胡恒瑋

西藏大學 西藏拉薩市 850000

1 引言

在物流整體配送流程中，最后一公里配送環節所占的運輸時間和配送成本高達 30%和 50%。配送需求劇增、人力成本飆升、服務場景復雜。無人機因其靈活部署、高效運輸、高速飛行的特點，在最后一公里配送場景中具有得天獨厚的優勢。無人機以其輕便、靈活、易于控制等優點被廣泛應用于物流最后一公里配送場景，大大降低了時間和人力成本，并且可利用在送達急需品領域。高原地區地質環境復雜，氣候條件惡劣，物流空地結合配送可以有效的提高效率，并且帶動物流產業的發展，兩全其美。完成城區送貨到樓及偏遠地區克服地形問題的配送。利用該模式靈活、快速的特點，也可用于急需用品的配送。通過算法實現優化無人配送的配送路徑避免無人配送路途中可能發生的意外事故。

2 高原地區典型的地域特點

青藏高原是中國最大、世界海拔最高的高原，它大部分在中國西藏自治區和青海省，占全中國23% 的面積。西藏自治區的地貌基本上可分為極高山、高山、中山、低山、丘陵和平原等6 種類型，還有冰緣地貌、巖溶地貌、風沙地貌、火山地貌等。西藏地貌大致又可分為喜瑪拉雅山區，藏南山原湖盆谷地區，藏北高原湖盆區和藏東高山峽谷區。其中該地區人口主要分布在湟水谷地、雅魯藏布江谷地，多呈條帶狀。本項目的高原物流空地配送主要面向復雜的城區環境以及廣闊偏遠的牧區環境。以拉薩城區為例，交通情況復雜、人口密集、不定因素多、配送方式不便等等是城區配送的特點；以人與機代替人與人配送，在降低成本的條件下減少了人與人之間的接觸機會，在一定程度上減少了病毒的傳播。以阿里牧區為例，地形復雜、人口稀少、氣候環境多變、配送路途遙遠等等是牧區配送的特點。本項目在運行過程中需要強大的導航系統和環境應變能力，同時還要保障配送物品的安全與質量。

3 民用無人機

民用無人機，是指除國家無人機（軍用、警用、海關海事等）外，能在民用領域從事航空活動的無人機。隨著無人機技術逐漸成熟，制造成本和進入門檻低，無人機的市場正逐漸爆發。目前，民用無人機主要在為航拍攝影、環境監測、快遞送貨等領域內發揮著不可或缺的作用。

4 配送小車

小車面對的地面環境相對于無人機面對的空中環境簡便，小車在地面需要及時避讓地面的障礙物，同時利用GPS 跟蹤路線、規劃最優路線，實現減少能耗和避免沖突。但是在地面也存在很多問題亟待解決，西藏山高地面崎嶇不平，沒有充足的能源和強勁的馬力，很難及時送達甚至丟失貨物迷失野外；當無人機帶上貨物與小車飛躍不可避免的障礙物時，整體的重量不能過重。

5 連接框架及載物筐

純鋁的密度低，塑性優秀，成本較低，但強度不高。作為航空應用，低密度材料的選擇是增加有效載荷的重要方法，鋁是一個好的選擇。但其強度的提高需要合金化。高強度鋁合金具有密度小、強度高、加工性能好及焊接性能優良等特點。被廣泛地應用于航空工業及民用工業等領域，尤其在航空工業中占有十分重要的地位，是航空工業的主要結構材料之一。考慮到成本問題，我們采用了7075 鋁合金包裹3003 鋁合金的形式，7075 合金屬冷處理鍛壓合金，其強度遠超于軟鋼，是商用最強力合金之一，而3003 鋁合金耐腐蝕性強，焊接性良好，二者相結合十分契合西藏自治區的晝夜溫差巨大的高原環境。

6 整體空地配送的構件圖

圖1

7 對飛行器起輔助作用的元器件

飛控作為起到對飛行器輔助作用的元器件，能夠對無人機的空控系統進行管理控制。Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。本項目高原特種無人機的物資投放，利用Pixhawk 及Arduino 的交互實現高原物流空地配送，提高配送效率和準確性。

圖2 實驗所用無人機Pixhawk系統

8 路徑優化系統

本項目的無人機掃描三維成像的路徑優化系統能夠支持路徑優化服務。該系統開發的功能包含了：（1）云臺控制。（2）端口設置。（3）航拍基本設置。（4）手動控制。（5）軟件運行穩定無插件。具有多種安全訪問控制機制，同時支持多種網絡環境。因為軟件實時性優，備份數據庫時刻獲得最新的更新數據。擁有自己獨立的模板數據，通過模板來控制規則模板數據、任務模板數據。依照模板來控制能夠更有效，更準確的控制數據。

用于操作無人機的手機操作系統，自帶衛星地圖、無人機定位及多個實時參數（圖3）。

圖3

9 物資投放系統

基于高原特種無人機的物資投放信息系統可支持物資投放信息服務，該系統開發的功能包含了：（1）燒錄界面。（2）固件升級。（3）無人機物資投放。（4）飛控設置。軟件能夠自動完成用戶輸入的參數指令。擁有自己獨立的模板數據，通過模板來控制規則模板數據、任務模板數據。依照模板來控制能夠更有效，更準確的控制數據。

10 未來社會效益以及發展前景的分析

近年來，在線購物人數逐漸增多，訂單量也隨之增加。在2018 年11 月11 日，淘寶平臺全天的物流訂單達到10 億，這一數據在2019 年超過了12.92 億。物流企業需要在規定時間內完成全部訂單的配送工作。在整體配送流程中，最后一公里配送環節所占的運輸時間和配送成本高達30%和50%。配送需求劇增、人力成本飆升、服務場景復雜。無人機因其靈活部署、高效運輸、高速飛行的特點，在最后一公里配送場景中具有得天獨厚的優勢。無人機以其輕便、靈活、易于控制等優點被廣泛應用于物流最后一公里配送場景，大大降低了時間和人力成本，并且可利用在送達急需品領域。高原地區地質環境復雜，氣候條件惡劣，物流空地結合配送可以有效的提高效率，并且帶動物流產業的發展，兩全其美。利用該模式靈活、快速的特點，也可用于急需用品的配送。通過算法實現優化無人配送的配送路徑避免無人配送路途中可能發生的意外事故。未來對于物流市場一定會進行一次技術改革，將人工配送逐漸淘汰，減少人工成本，進行產業升級；同時近年兩會代表不斷提到快遞的“最后一公里”問題，說明解決快遞的“最后一公里”問題是十分重要的。小車加無人機的聯合配送的方式能夠大大減小配送人員的配送風險、同時能夠有效解決牧區藏民與外交流困難的問題；同時陸空兩棲的配送模式對西藏復雜地形的適應程度更高，將部分急需的貨物快速有效送入牧區；也實現了快遞的“最后一公里”，為貨源公司和配送員帶來便利，方便藏民生活；因為小車加無人機的配送具有及時性和快速性以及廣泛性，對于部分緊急物品貨物配送也多了一種解決方案，豐富配送方式。

11 結語

當前無人機領域與市場廣泛，同時無人機對于不同領域的使用也在不斷深化。基于Pixhawk 及Arduino 的高原物流空地配送，不僅僅需要無人機與小車智能有效地結合，還需要不斷的研究深入。高原物流配送這一部分，大部分城市都處于剛剛萌芽起步階段，大部分都是由人工完成，高原物流配送還有這巨大的潛力。在研究高遠物流配送的同時，還要結合國內外發展情況以及高原實際情況，做到真正適用于高原地區，促進西藏發展。