自動化無人機快遞配送系統研究

杜洋+劉洪辰

摘 要 在微電子技術、現代導航技術以及新材料的支持下，四旋翼無人飛行器成為了一種相對成熟的民用飛行器。四旋翼飛行器具有結構簡單、成本低廉、性能卓越的優點，依靠四旋翼飛行器作為快遞投放終端，建立自動化快遞投放系統，這會使傳統快遞業發生革命性改變。若合理布局快遞接收基座、建立無人機群協作模式、完善地面監控系統，大范圍應用自動化快遞系統將成為現實。

關鍵詞 四旋翼飛行器；無人機；快遞投放

中圖分類號 TP39 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0096-02

1 研究背景

據統計，中國一年要收發約90億件快遞。目前末端物流主要依靠人力投放，投放成本高、效率低，穿梭在大街小巷的快遞三輪車不僅造成了交通擁堵，也成為了潛在的交通隱患。現有快遞投放方式制約了快遞行業的發展，如何高效、安全、低成本投放快遞已成為現代快遞行業的發展方向。

2 設計原理

2.1 應用型四旋翼飛行器設計

作為快遞投放終端的無人飛行器必須具備險情預警、自我檢修的功能，以適應復雜飛行環境。機身結構應高度一體化，具備防水、防雷、抗風、抗摔、抗磁的性能。

無人機自身重量是影響其續航能力和尺寸的主要因素，同時其動力系統在整機重量中占了很大比例。在機身材料的選擇上，在保證強度、剛度穩定性的前提下，應優先選擇重量輕的材料。

在飛行器重量相同時，其尺寸與速度、能耗成反比，因此在進行飛行器設計時應進行系統的最優化設計，確保飛行穩定的同時，應考慮機身的受到的空氣阻力作用和能耗之間的關系。

飛行器工作環境多為居民區，在設計時不只要考慮到飛行器自身的飛行安全更要考慮到其工作區域內居民的生命財產安全。目前，民用四旋翼飛行器大多采用旋翼裸露在外的設計，無保護裝置。旋翼轉速極高，這種旋翼裸露在外的設計不僅威脅到工作人員的安全，其飛行過程更有可能威脅居民的生命安全。因此，對于工作環境為居民區的飛行器，其旋翼應有保護裝置。

飛行器的自身成本較高，應用于商業領域，在設計時必須考慮到其使用率。四旋翼飛行器的多采用充電電池供電，但是電池充電過程需要很長的時間，這是影響飛行器使用率的主要因素。快速充電技術和無線充電技術已處于實際應用階段，將這兩項技術應用飛行器，隨著技術的發展成熟，飛行器的使用率會得到提高。

2.2 快遞終端接收基座設計

快遞終端接收基座是設置在居民區，具備起降飛行器、自動接收快遞、信號中繼功能的基礎設施。

快遞終端接收基座是直接面向于用戶的服務型設施，在設計上應符合人體工程學，用戶體驗要友好。作為一種服務型的公共設施，其材料應具備抗老化的性能，結構設計也應該考慮到高頻率使用造成的磨損因素。

城市用地緊張，已建成的居民區可利用公共空間極少。快遞終端接收基座在設計要降低空間占用率，同時也做到功能整合性。把新能源汽車充電基座和快遞終端接收集中整合，達到了一個基座多種使用功能的目的。

城市公共設置本身應具備城市景觀的功能，快遞終端接收基座在外觀設計上須具備美觀性、時代性和標志性，符合大眾審美需求。

3 自主飛行控制系統設計

飛行器需要具備全面的環境感知能力和學習適應能力，以完成在復雜條件下的自主導航任務。通信、協調、目標識別、分配與應急處理是建立自主飛行系統的關鍵。

為保證無人機通信系統穩定安全，應建立其專有通信網，采用數字加密信號進行通信。同時，飛行器應具有至少2種通信方式，在專有通信網發生故障時，可以緊急調用民用4G通信網絡來確保飛行器的安全運行。

在飛行器的工作區域建立由監測基站組成的監測網，由調度中心統一進行數據處理，再把飛行指令傳送到飛行器，使各個飛行器的飛行路線互不干擾。

飛行器應裝置“黑匣子”，收集飛行數據。調度中心定期對飛行數據分析處理，建立云數據庫。飛行器在遇到緊急情況時，把現場數據傳回調度中心，通過和云數據庫數據比對分析，做出最佳應急反應。通過這種循環學習的模式，飛行器會隨著飛行時間的增長和飛行環境的增多而變得更加智能。

四旋翼飛行器高靈活度、控制簡單、起降要求低、維護成本低的優點，能安全、高效、迅速地投放快遞。

多功能快遞接收基座同時具備編碼識別、快遞自動接收、為無人機充電、作為新能源汽車充電基座3大功能。無人機充電采用無線充電供給方式。基座采用一體化設計，在兼顧結構合理和造型美觀的同時，一個基座多種使用功能，最大限度地降低空間占用率。

配送系統自動化程度高，人力成本大大降低。空運方式運送，能緩解城市地面交通擁擠。

整個系統只消耗電能，實現了碳的零排放。

4 應用前景

目前，四旋翼飛行器民用領域主要應用于航拍和地面測量。隨著新材料、電池和導航技術的發展，四旋翼飛行器在民用領域將有著更廣闊的應用。

飛行器和飛行系統本身具有很大的拓展空間，其潛在的社會和經濟價值巨大。例如，可以建立城市無人機安保系統，安保飛行器和快遞飛行器共用通信和導航系統，政府和多家企業合資建設基礎設施，這樣的整合能緩解在前期基礎設施建設上的資金壓力。

現有技術完全能支持該系統的建立。以“大疆”為代表的民用無人機企業在技術上已經處于全球領先地位，同時我國在軍用無人機制造上也有技術沉淀，這為無人機快遞系統建設創造了客觀條件。

民用四旋翼飛行器主要運用于航拍領域，面向對象窄，經濟附加值不高，這限制了其市場需求。無人機廣泛應用物流配送領域，能促進國家的高新技術的發展，創造就業崗位，從而推動國家經濟建設。？

參考文獻

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