物聯網背景下基于人工勢場法和雙目視覺的城市無人機配送補貨研究

王子怡，劉 喆，李玉婉，陳 淼，韓 霖，張 亮（通信作者）

（哈爾濱理工大學榮成學院 山東 榮成 264300）

0 引言

目前，由于城市交通擁堵，如何提高同城物流配送效率成為人們關注的焦點。在我國，通常對戶外售貨機制定最優的補貨周期和策略，并安排工作人員手動補給貨物，但這種做法效率低下。近年來，隨著城市“智慧化”發展，各類依托萬物互聯的先進設備正在逐漸替代傳統人工。其中最具代表性的當屬無人機設備的開發應用。截至2023 年11 月，美團無人機已經在深圳開通近20 條航線，并完成了約21 萬個配送訂單，不僅印證了無人機能夠提高運營效率的設想，也為無人機設備在物流領域的應用提供了各種新的可能性。未來隨著深度學習和物聯網的開發，無人機設備將在戶外售貨機補貨和快遞配送領域進一步發展，讓城市物流體系實現“更快”“更準”“更有序”的巨大轉變，以提高城市運營效率。

1 人工勢場法和雙目視覺相關概念

1.1 人工勢場法

人工勢場法是一種機器路徑規劃算法，通常應用在飛行設備領域，為無人機的飛行航線進行規劃，幫助無人機在飛行過程中更好地規避障礙。其根據無人機飛行環境形成引力和斥力虛擬勢場，兩者疊加形成人工勢場。運動的設備可以看作在勢場中運動的質點，利用質點在勢場運動的原理，飛行設備能夠依靠人為規劃好的路徑安全地從起點到達終點。

1.2 雙目視覺

雙目視覺是讓機器設備獲得能夠感知三維世界能力的人工智能算法。人類兩只眼睛看向某目標物時存在視差，人們因此感知到三維世界。視差是指兩個有距離的點對同一目標物觀察時產生的方向差異［1］。利用獲得觀察的視差角度和基線長度，就可以計算出目標和觀測者之間的距離。將這一原理應用在機器上，可以通過為其安裝兩個攝像裝置來模擬人眼的功能，獲得相關圖像信息，計算設備與障礙物的距離，以實現更好的軌跡規劃。

2 當前物流配送和設備補貨存在的問題

2.1 人工配送和補貨效率低，成本高

企業為了縮減開支，會削減人工配送員的數量，導致配送員個人的配送任務加重。首先，由于每一位配送員的配送速率固定，配送任務的加重會導致整體物流的配送效率變低，從而導致補貨不及時等問題的出現。其次，由于企業物流信息存在更新不及時的問題，物流配送人員難以精確跟進物流情況，從而存在配送錯誤率，影響配送效率［2］。除此之外，人工配送在配送范圍方面存在局限性，偏遠區域難以送達，易造成補貨不及時的問題。從主觀角度分析，人工配送具有一定的隨意性。為了保證配送服務的公開透明并規避潛在的安全風險，物流企業需要進行統一管理和規范。對于企業而言，這是一項不可忽視的成本開支。

2.2 企業物流管理體系建設不夠完善

由于對物流管理體系的重視度不足，許多中小型企業仍采用傳統物流模式。傳統物流模式具有隨意性和臨時性的特點［3］。具體體現為：在物流儲存方面，庫存積壓，庫存信息更新不及時，從而導致企業倉儲成本增加。此外，物流相關部門在物流環節上采用傳統模式，依靠人工層層審批，各部門之間缺乏有效的溝通協作。多數中小型企業仍然僅僅依靠自身的物流體系，而非選擇專業、先進的第三方物流體系。然而，企業自營的物流設施利用率并不高，增加了企業的物流管理成本，企業自身競爭力較低。

3 針對自動售貨機補貨和物流配送效率的改進建議

3.1 加大無人機在補貨和物流配送領域的應用

無人機在補貨和物流配送領域要解決的問題主要有路徑規劃、機器通信和機身改進三大方面。

3.1.1 無人機路徑規劃

無人機路徑規劃是指在給定的環境中通過算法確定無人機運動的路徑。無人機路徑規劃的目的在于無人機能夠高效地、安全地到達目標點，避免與障礙物和其他飛行器相撞，并滿足飛行需求。無人機路徑規劃涉及的問題包括環境感知、路徑搜索和路徑優化。在環境感知環節，無人機需要通過傳感器獲取周圍環境的信息，例如地圖數據、傳感器測量結果等。基于這些信息，無人機可以構建對應的環境模型，用于路徑搜索和路徑優化。路徑搜索環節是無人機路徑規劃的核心環節，主要作用是在給定環境模型中搜索一條從起點到目標點的最短路徑。路徑規劃的算法分為傳統算法、圖形學的方法、智能仿生學算法和其他算法。傳統的路徑規劃算法有： 模擬退火算法、人工勢場法、 模糊邏輯算法、禁忌搜索算法等［4］。常用的圖形學路徑搜索算法包括A?算法、Dijkstra 算法和深度優先搜索算法等［5］。

然而，這些基于圖模型實現的路徑規劃存在一定的局限性，無法避免不可測因素的影響，例如建筑物的高度和面積不可視，樹的高度和分布以及風速等環境因素也未考慮在內。看似微小的環境因素對無人機的飛行安全都會造成一定的威脅。目前，無人機設備常用的避障方式有單向激光雷達和二維激光雷達兩種。這兩種激光雷達探測方向單一、視線范圍小且與障礙物相撞概率較大，而已研發的三維激光雷達雖視線范圍大，但價格昂貴，市面上使用率極低。為改善傳統避障方式的弊端，人工勢場法開始成為無人機飛行避障新的解決辦法。除此之外，雙目視覺算法的精進也讓無人機對三維世界的感知力大大增強。

首先是人工勢場法的應用，它借鑒了重力勢場和電場模型。應用此方法，障礙物會對機器人產生排斥力，而目標點則對機器人產生吸引力。將所有排斥力和吸引力進行矢量合成，得到的合力方向便是機器人的運動方向［6］。合力大小被轉化為機器人運動加速度。當機器人運動到目標點時，合力為0，也恰好停止運動［7］。人工勢場法主要被用于規劃無人機的總體運動路徑。得到人工勢場后，可以使用梯度下降法求解無人機的運動軌跡。梯度下降法的基本思路為：由初始構造點開始，沿著勢場的負梯度方向前進一段距離，然后在新的構造點重復上述步驟，直至達到最終構造點。該算法的流程如下：

式（1）中，q0代表函數F的局部極小值的初始估計。從q0出發，進行迭代，迭代公式如下：

式（2）～（5）中qi表示第i次迭代后的當前構造，迭代過程中的系數αi決定了第i次迭代時的前進步距。

式（6）代表循環，循環執行式（2）～（5），直到滿足else條件語句為止。最終規劃得到的路徑為包含各次選代結果的構造序列［qo，q1，…，qi］。需要注意的是，αi不能過小，避免計算量過大，從而使得系統不穩定。

其次是雙目深度視覺檢測技術。雙目深度視覺檢測能為無人機提供三維感知能力。當樹、鳥等隨機障礙物出現在同一水平面時，單一攝像頭受視線盲區限制，遠處的障礙物會被遮擋，導致避障建模出現誤差。而雙目視覺探測體系是根據人眼的原理，通過加裝第二個攝像頭，將兩個攝像頭收集到的信息相互補充，將兩個畫面進行同步分析疊加處理，將傳統的二維信息建模升級為三維信息建模，縮小了視線盲區，提升了避障性能，讓無人機在依據算法路線飛行的基礎上避免與不可測因素相撞。

3.1.2 無人機與自動售貨機之間的機器通信

物物互聯將會是5G 世界所必須要面對的挑戰。由國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）定義的5G 三大場景分別為增強移動寬帶（enhanced mobile broadband， eMBB）、大規模機器類通信（massive machine type communication， mMTC）以及低時延高可靠通信（ultra-reliable low-latency communications， URLLC），其中的eMBB 場景可以看作是4G 移動寬帶技術的演進。

機器類通信一直是物聯網（internet of things， IoT）的一大研究方向，對技術精度要求高。各種類型的無線通信技術支持設備在沒有線纜連接的情況下，實現設備之間或者與串口服務器之間的數據通信都是通過各種協議條件下進行的，并且許多不同類型的無線通信技術已在物聯網和設備到設備（machine to machine， M2M）通信領域的硬件設備中廣泛應用。IEEE 有七個802.15 技術任務組（標準）。802.15 任務組包括：無線個域網（wireless personal area network， WPAN）/藍牙、Coexistence（網絡共存）、高速率WPAN、低速率WPAN、mesh 網絡、局域網和可見光通信。這其中每個無線傳輸協議都有不同的特點與應用領域，而低功耗廣域網（low-power wide area network，LPWAN）技術最理想的應用場景是M2M 通信。

M2M 的潛在市場不僅限于通信業。由于M2M 是無線通信和信息技術的整合，它可用于雙向通信，如遠距離收集信息、設置參數和發送指令，因此M2M 技術可有不同的應用場景，如安全監測、自動售貨機、貨物跟蹤等［8］。為實現無人機和需要補貨戶外設備的通信互聯，可以在自動售貨機貨架上方安裝監控器，獲得的數據通過移動通信網絡傳輸給無人機。利用M2M 中的全球移動通信系統、通用分組無線服務技術和系統遠距離連接技術，整合碼分多址模塊作為數據遠程傳輸通路，直接聯網實現無人機和自動售貨機雙機器通信。自動售貨機將貨架信息反饋給無人機，無人機按算法路線到達目標點將貨物投放至自動售貨機，自動售貨機貨架信息自動進行更新。

3.1.3 無人機的設計改進

對于飛行設備而言，風速是影響飛行速度的一個重要因素。在進行無人機配貨時，需要盡可能減少風速對飛行的影響。無人機的飛行速度可以表示為：

式（7）中，v表示飛行速度，m表示無人機重量，d表示無人機長度，h表示無人機的高度。因此，可以通過控制無人機的重量和長度來調節風速對飛行的影響。另外，在無人機的飛行過程中，還需要采取一些防風策略來減少風的干擾。如在機體表面涂刷防風涂料，減少風速的影響；安裝翼展控制器，幫助無人機在飛行過程中控制方向和速度；采用固定翼無人機，使飛行方式相對穩定，減少風速的影響。

3.2 針對物流管理體系的建設改進

《“十四五”現代物流發展規劃》中明確要求加快現代物流數字化、網絡化、智慧化賦能，打造科技含量高、創新能力強的智慧物流新模式。目前，城市物流體系的信息化建設已經成為企業和政府的重要舉措，如供應鏈管理（supply chain management， SCM）系統擁有倉儲、運輸管理等多個模塊，能夠依托大數據將供應商、產品和運輸等整合；運輸管理系統（transportation management system， TMS）運用了先進的信息化技術，既簡化了信息共享，也削減了人工成本。企業應順應時代的發展，增強各環節管理，加快物流體系的信息化建設［9］。

4 結語

綜上所述，面對生活快節奏化的發展，現代人們對高效率、低成本的追求逐漸從工作領域擴展到日常生活領域。雖然目前物流業正在抓緊建設信息化體系，但是對戶外設備的補貨和快遞收發仍然由人工來完成。雇用人工需要成本，勞動者需要休息和假期，因此在物流供應鏈中必然會有部分時間沒有完全利用。無人機設備的引入為設備補貨和快遞配送提供了新的方向，而先進算法的不斷精進，也必然會讓無人機設備更加先進靈敏，從而提高運營管理效率。