一種無人機“智慧物流”配送系統設計

蔡成田 趙展 魏雯 何津津 許春敏

摘要：本文研究了無人機物流配送系統的原理，基于STM32F405ZG平臺實現并優化了無人機的自巡航功能功能，增加無人機飛行過程中的自動避障設計。通過4G網絡通信及2.4G點對點無線通信模式，可以解決通信量過大造成的信息擁堵，并且在客戶端使用射頻識別技術實現無人機接送貨的安全性，具有低功耗、高效率、成本低、靈活性高等特點，可以代替人類實現快遞最后一公里的配送，在民用領域具有很高的使用價值，在工業化生產具有一定的研究價值。

關鍵詞：STM32F405ZG單片機；NRF24L01無線通信模組；RFID通信模組；USR-NB75 4G通信模組

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0210-02

本論文設計了以STM32F405ZG為主要控制器的無人機“智慧物流”配送系統，其由NRF24L01無線通信模組、RFID通信模組、USR-NB75 4G通信模組等組成。利用2.4G無線通信的形式去分擔部分通信信息，以減小4G通信信息量過大帶來的網絡擁堵，規避部分空間信號不穩定的問題[1-2]。

擬解決快遞包裹最后一公里的急速送達問題，減小了快遞工作者的工作量，可以適應市場需求應用于各種場合，并加快中國物流無人化配送的布局。

1 控制系統框圖設計

圖1為系統的總體設計框圖。以STM32F405ZG作為主控制芯片，實現對智能分配臺、自提柜及客戶收發箱進行檢測與控制實現包裹的實時配送。利用USR-NB75 4G通信模組實時檢測無人機路徑走向，通過NRF24L01無線通信模組對無人機最后的降落通信進行對接實現高精度低數據流量降落。RFID通信模組實現降落后的身份卻認，以防止非本系統無人機的違規操作。

2 硬件電路設計

硬件電路滿足是高質量、安全性、簡略性等。硬件電路主要包括：STM32F405ZG增強MCU最小系統，電源模塊，2.4G通信模塊設計，超聲波空間探測模塊設計，電機驅動電路，NSR-NB75 4G通信模組和RFID通信模組等。這里選取USR-NB75 4G通信模組和客戶端卸貨裝置步進電機電流進行說明。

2.1 USR-NB75 4G通信模組電路設計

USR-NB75采用850MHZ的通信頻段運營商為中國電信，現中國電信已經實現對此頻段的通信實現全國覆蓋，此模塊可實現串口指令對設備進行設置或查詢，可以較簡單的應用于各種設備間的通信，而且支持與服務器之間的二次開發，有更高的自主性與服務器采用UDC通信協議或透明傳輸可以更好地適應各種服務器環境，使開發出的產品具有更高的移植性。內部結構如圖2所示。

USR-NB75通信模組內部含有電源管理電路，可以支持到5至16的電源供電也可采用3.5V至4.2V的電源供電，可以更好地兼容更多使用環境，帶有兩個工作狀態指示燈可對當前工作狀態進行指示，USR-NB75外圍電路如圖3所示。

2.2 步進電機驅動電路設計

根據設計要求，可以利用SLA4061音頻功率放大芯片作為只要控制芯片來對電機進行驅動，可以提供足夠的功率驅動步進電機。信號輸入端采用光耦將控制信號與電機驅動端進行隔離，防止電機電路出現故障后會牽連主控電路受損。電機驅動電路采用12V供電而控制電路采用3.3V供電采用光耦的設計可以有效保護主控電路。電路如圖4所示。

3 軟件驅動程序設計

按照無人機物流系統的設計要求，要對物流系統軟件程序設計主要有以下幾點，分別為：控制臺對貨物的調度，無人機路徑的規劃，無人機路徑的探測避障，降落后的身份確認。我們選取降落后的身份確認程序和無人機路徑的探測避障程序進行詳細的說明。

3.1 身份確認程序設計

本系統采用雙重加密，身份識別數據加密框圖如圖5所示，由中亞控制端產密匙流，并將明文密匙搭載與其中儲存于無人機所隨機攜帶的RFID卡中，密匙流則通過4G通信傳輸至客戶端無人機降落后讀取無人機RFID數據并通過4G網絡傳輸至客戶端的密匙流進行處理后解密，最終確認無人機身份保證每一次運輸的安全性。每一次的密匙流及明文都經隨機產生，以防數據被破解或截取。

3.2 無人機路徑的探測避障程序設計

規避功能采用超聲波對環境相對距離進行采集，并通過程序分析是否對默認巡航路徑做出修正，避免在飛行過程中產生撞機事故。空間信息采集主要對無人機所飛行平面進行360度距離采集與無人機機身上方與下方的空間距離信息采集，通過兩組超聲波模塊繞固定中心旋轉來實現360度無死角距離信息采集。通過采集的數據進行處理后從而判斷是否需要做出規避動作。具體流程如圖6所示。

4 系統實現

目前無人機已實現對固定地點的送貨，及貨物的分揀及智能路徑規劃，但也只是完成配送系統基礎功能。除此之外，還需要實現對各種突發狀況的應對及應急功能，為更好地完善此系統后續會優化路徑自動規劃功能，及在飛行過程中把位置數據實時發送至主控端實現對所有已飛出無人機位置的監控進一步提高無人機的安全性能。

5 結論

本設計主要針對無人機物流系統的設計進行研究，對于無人機的制作及優化還存在很多問題，相對于無人機平臺研究得不夠透徹，對于日后的性能的提升還有很大空間。目前系統總體應用相對比較成熟的模塊化設計，只有部分關鍵性電路部分及機械機構部分為自主設計。

軟件安全方面采用明文與流密匙的加密算法，讓安全性得到質的提高，通過每次無人機所載明文與4G網絡鎖傳輸的流密匙以及解碼方式的不同，使得安全鎖的破解變的難上加難。可以更放心的進行商業投放。

參考文獻：

[1] 陳俊羽.無人機物流快遞配送系統設計[J].電子制作，2018（24）：28-29.

[2] 龍吉. 基于STM32的無人機精準空投控制裝置的設計[J]，電子技術與軟件工程，2019（02）：83.

【通聯編輯：梁書】