基于Pixhawk 高原物流無人機＋小車配送方式的研究與設計

王辛巖，張智淇，張 翔，龔 栩，郎 春 （西藏大學 工學院，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

近年來，隨著電子商務行業的飛速發展，線上購物已經成為時代的熱潮，尤其在近兩年來各大電商平臺爭相舉辦線上購物銷售活動，啟用優惠、直播帶貨等方式，2022年，淘寶平臺一年的成交額達到了137 900億元，較2021年同比增長4%。面對如此巨額的交易量，物流企業需要在規定時間內完成全部訂單的配送，需要完成巨額的配送任務，需要大量的人力，這就對成本提出了較高的要求，此時，無人機作為一種新型配送工具起到了舉足輕重的作用。相比于地面運輸無人機具有方便高效、節約資源等優點，在一些交通癱瘓路段、區域以及部分偏遠的區域，合理利用低空資源可以有效地減輕地面交通的負擔。在物流行業中，人工短缺問題一直也是制約物流業發展的一大因素，無人機作為物流機械化的代表，能在盤點、運輸和配送等環節中得到最大限度的開發和利用，可以與其他作業形式銜接配合，在科學規劃的基礎上，綜合利用互聯網+無人機的技術與方式，實現產能協同和配送優化。

1 現階段無人機發展趨勢

現如今，商用無人機在低空領域的技術和成本的突破，即將開啟一個新的商業狀態，為人們的生活帶來巨大的改變。在國外，歐美國家對無人機領域的技術研發和應用非常活躍，無人機技術得到了廣泛的應用和發展。在民用領域，歐美國家無人機的應用主要集中在配送、工業、建筑和農業領域，例如風力發電機的巡檢、橋梁和高樓的檢查等。同時，無人機技術還在不斷創新，如使用傳感器和機器學習技術實現自主飛行、使用太陽能電池板實現長時間飛行等。在國內，隨著近年來政府對無人機產業的重視和扶持，中國的無人機產業蓬勃發展，無人機已經成為多個領域的必備工具，中國成為全球最大的無人機生產和消費市場之一。國內也開發了一系列高性能無人機，如彩虹系列、翼龍系列、鯤鵬系列等。在民用領域，中國的無人機應用范圍正在不斷擴大，涵蓋了航拍、電力巡檢、農業植保、物流配送等多個領域。近年來，中國的無人機企業不斷涌現，見圖1、圖2，如大疆、中國航發、中航工業等，成為了世界知名的無人機制造商。總體來看，無人機在國內外的發展前景十分廣闊，隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，無人機將在更多領域發揮重要作用，為各行各業提供更加高效、精準、安全的解決方案。同時，無人機的應用也需要加強法規制定和管理，確保其安全性與合法性。

圖1 各品牌無人機銷量占比

圖2 2018—2021 年注冊無人機數量

2 青藏高原獨特的地域地勢

青藏地區平均海拔在4 000米以上，有“世界屋脊”之稱。青藏高原東西長約2 800千米，南北寬約300千米～1 500千米，總面積約250萬平方千米，地形上可分為羌塘高原、藏南谷地、柴達木盆地、祁連山地、青海高原和川藏高山峽谷區6個部分。西藏牧區是我國最大的高寒草甸草原畜牧區，富有獨特的高寒農業特色。全自治區共有天然草場近8 267萬公頃，其中可利用的草場有5 646萬公頃，約占全國的1/5。在廣袤且基本無障礙物的邊遠牧區，無人機可供飛行的距離相對較大且安全性較高。

3 無人機＋配送小車組合配送方式的可行性

高原擁有廣闊的地域供無人機飛行和小車移動，基于無人機掃描三維成像的路徑優化系統可支持路徑優化服務，見圖3，該系統開發的功能包含：云臺控制；端口設置；航拍基本設置；手動控制。軟件運行穩定無插件，下載后便可直接使用。擁有多種安全訪問控制機制，同時支持多種網絡環境。軟件實時性強，備份數據庫時刻獲取最新的更新數據。且可同時在PC端和手機端實時觀測無人機的所在位置及周邊處境等信息[1]，見圖4、圖5。

圖3 無人機Pixhawk 原理圖

圖4 電腦端實時監測無人機位置圖像

圖5 實驗所用無人機

配送小車由Arduino開發，具有簡單的緊急避險功能，兩者采取相結合的方式，以在能量消耗方面達到最優。

根據相關數據可得出無人機懸停時[2]，電機所需提供的最大拉力Lmax。

設懸停狀態下單個電機的拉力為Lα，式中α為安全裕量，在實際應用中α一般大于或等于0.3。

如表1所示，如此可得出無人機在懸停狀態下的最大拉力為5 720g。

表1 四旋翼無人機采用配件

4 配送筐的設計

針對西藏地區多變且氣溫波動大的天氣，選取適宜的配送筐包裹材料顯得尤為重要，現對三種材料進行研究。第一種，橡塑海綿，其導熱系數低，具有細致的獨立氣泡結構，無空氣對流，完全閉孔結構，絕熱效果持久且良好。在89 ℃以上、-60 ℃以下環境中物理性質不會發生變化，不吸水，不凝露，使用壽命長。第二種，巖棉保溫氈，以玄武石及其他天然礦石等為主要原料，經高溫熔融而成纖，加入適量粘接劑加工而成，也是導熱系數低的一種優質隔熱保溫材料。第三種，硬質聚氨酯泡沫塑料，是一種新型高分子合成材料，具有重量輕、比強度高、導熱系數小、隔熱性能好等優點，是一種應用很廣的保溫材料。在西藏晝夜溫差大、紫外線強烈、多雨多雪多冰雹的自然條件下，應選擇合適的包裹材料。

5 無人機配送的前景分析及發展意義

在不久的將來，無人機送貨無疑會成為一種高科技且令人興奮的物流解決方案，能夠大幅減少交通擁堵、事故和溫室氣體排放。無人機配送可以大幅提高物流配送的效率，減少配送時間和成本。無人機可以在人力難以到達的地方進行配送，如山區、島嶼、雪山等，提高了配送的覆蓋范圍和效率。無人機配送可以減少人力和物力成本，使配送成本降低。無人機配送還可以減少配送過程對道路和交通的依賴，減少了交通擁堵和污染問題。無人機配送可以實現24小時不間斷配送，為消費者提供更加方便快捷的服務。特別是在緊急救援、醫療配送等方面，無人機配送可以大幅提高配送的效率和準確性。無人機配送離不開多個領域的技術支持，如航空、通信、控制等，可以促進技術創新和產業升級。無人機與騎手是協同關系，是對現有人力的補充。然而，盡管它看起來極具吸引力，但我們絕不能輕易忽視其中潛在的安全風險。作為一種新興的物流方式，無人機送貨在其發展進程中面臨著一些關鍵性的挑戰。安全問題是其中首要的挑戰，無人機在復雜的空中環境中飛行，可能會遭遇各種意想不到的風險，如惡劣天氣、電線、高樓等，也可能碰撞到其他飛行器或鳥類；而且，無人機還需要解決自身的技術挑戰，比如穩定性、電池續航能力、抗干擾能力、載重能力等；此外，無人機的防御性也存在漏洞，在運輸過程中，無人機可能會面臨各種安全威脅，如黑客攻擊、信號干擾或惡意捕獲等。因此我們需要更好的技術來提升無人機的各項能力，需要更強的防護措施來防范黑客攻擊，還需要更完善的隱私保護政策，來確保無人機物流更安全、高效地發展[3]。