一種用于物流的多無人機組合搬運系統

吳紫怡 賴虹羽 楊芃芊 劉奕棣

（北京理工大學，北京 102488）

0 引言

隨著智能制造和“互聯網+”的提出，我國政府推出了一系列標準化和產業融合政策，國內物流業增長迅速。目前，物流業已成為國民經濟的重要組成部分。然而，龐大的物流任務數量給傳統的物流配送方式帶來了巨大壓力。如何發展自動化、智能化的現代物流配送體系，成為物流運輸產業迫切需要解決的問題。

近年來，無人機技術迅猛發展。目前，無人機已經在許多領域有了重要的應用，如軍用無人機進行空中的偵察和配合軍隊作戰、遙感無人機對森林的火情做出探測并估計、利用無人機開展攝像錄影等。國內外針對無人機技術在物流運輸領域的應用也有了初步探索——無人機物流具有距離短、成本低、效率高、實用性強等優勢。利用無人機進行物流配送，可使物流配送體系產業化、規?；?；可以降低成本、提高效率，產業前景十分廣闊，對國家物流產業的發展具有強勁的推動力。同時，利用無人機配合地面進行網絡的構建和地空配合，也能夠優化目前人工配送的一些缺陷。

然而，無人機在物流方面的應用目前依然存在一定的限制因素與困難：對于現行使用的傳統無人機而言，其自身存在短板，如傳統的小型無人機航程短、負載量小，在物流端使用難以應對多種物流產品的不同定制要求；而中大型的無人機由于成本高昂、操作復雜，難以在民營企業大范圍推廣。盡管國內外都在積極地探索，但是目前大多數無人機產品都集中于在開闊地帶進行研究型實驗的階段，物流無人機在實際應用中的維護及空中管理問題亟待解決。針對上述問題，無人機的協同和組合運作模式是一種創新的物流運輸方式，可以對現行無人機的運輸缺陷進行改善。在實際的運輸配送環節，根據需要將無人機拆分或者組合為不同運力程度的運輸單元，利用智能化、自動化的無人機組合和協同控制技術，可以實現無人機在物流過程中的高效運配和高效管理（見圖1）。

圖1 無人機組合運作模式

1 多無人機組合搬運系統

1.1 概念淺析

根據目前物流領域的實際需求，在技術層面設計一種能夠應用于物流領域的可在空中組合分離的無人機。該無人機能夠攜帶貨物、傳送貨物，通過不同組合方式提高運載能力與效率。該無人機具備視覺識別系統，可以通過算法實現多架無人機間的識別與控制對接（類似于空間站的自動對接），達到操控人員輸入兩個無人機的對接/分離指令，無人機即可自動對接/分離。該無人機具備可靠的對接機構，以實現無人機對接的硬件保障。對對接機構進行功能擴展，可以實現空中充電、通信等功能。空中組合無人機與傳統無人機運輸效益對比如圖2所示。

圖2 空中組合無人機與傳統無人機運輸效益對比

以高運輸能力、可在空中組合與分離的無人機為基礎，可以進一步設計多無人機的協同作業方式，即多架無人機交互進行作業的模式（如無人機間傳遞貨物、通過組合分離交替作業），以此來提高無人機在物流運輸領域的工作能力與應用可能性，達成運力的優化配置，避免無人機資源的浪費。在物流運輸領域，亦可設計具有不同功能的物流原子機，組合飛行至任務場地后分離，各司其職。并在配送網絡中依照需求不斷進行組合與分離，彌補單無人機的功能唯一性，實現配送高效暢通。

1.2 物流原子機視覺與控制系統

在物流原子機視覺與控制系統中，應用機載計算機通過外圍接口連接飛控板和攝像頭，并在ROS框架下實現串口連接通訊。采用GPS導航+單目視覺識別定位的方法保證物流原子機之間的相對位置，以實現后續的精準對接。

無人機在遠距離條件下難以進行視覺識別精準定位，此時通過GPS確定兩物流原子機的位置并進行導航，將相對距離縮短。當兩原子機靠近時，利用附于物流原子機機身上的特殊圖像（見圖3），另一架無人機上的機載計算機采用快速橢圓檢測算法初步識別目標，快速有效地確定圖像在三維坐標下的位姿，并將位姿信息傳輸至自身的飛控板上，再結合串級PID控制得到具體的控制指令。在相關控制指令輸入電機與螺旋槳后，電機運轉產生拉力與力矩，從而改變無人機的位置與姿態，使無人機完成定點控制，到達預定的目的地，循環往復直到兩無人機成功組合。視覺識別圖像效果圖如圖4所示。

圖3 無人機上的特殊圖像

實驗過程中，也可考慮將視覺傳感器采集的圖像信息通過WiFi回傳到地面的控制站再做數據處理，以此驗證算法的可行性。機載計算機進行對接控制流程圖如圖5所示。

圖5 機載計算機進行對接控制流程圖

1.3 物流原子機空中對接

無人機對接組合的實現，主要決定于對接機構的設計。對接機構內部可采用磁鐵吸引式對接，即通過控制電磁鐵電流改變磁力實現模塊化無人機間的組合和分離。同時，設計結構以擴大對接面積、引導無人機對接，從而降低對無人機視覺識別定位精度上的要求，并且可以配合以特定的機械輔助鎖定結構保證對接穩定。無人機對接機構示意圖如圖6所示。

圖6 無人機對接機構示意圖

在上述實現基本對接功能的對接機構基礎上，對對接機構進行功能拓展，可以進一步實現無人機間的充電和通訊功能。

1.4 運輸與組合無人機協同控制

針對無人機運輸貨物的要求，在無人機底部添加多個位置對稱均布的掛鉤（見圖7），通過掛鉤對貨物進行取卸。也可在無人機底部設計電磁吸盤，通過吸盤與貨物上磁鐵等特殊材料的電磁作用，使無人機實現其物流功能。

圖7 在無人機底部添加貨物掛鉤

對于不同的貨物體積和重量，采用不同數目的物流原子機組合來對貨物進行運輸，以此改善小型無人機載重低的問題。

對接及控制技術進一步突破后，可以實現多無人機組合飛行（見圖8），僅由部分專門負責“飛行”的無人機提供飛行動力，運輸貨物的無人機暫不提供飛行動力。到達距各戶主家位置折中較近的地點后，多無人機分離，運輸貨物的無人機按照貨物收貨點抵達各戶主家完成送貨。

圖8 多無人機組合飛行

同時，亦可設計一種機械傳動結構，使攜帶貨物的無人機能夠于空中從掛鉤上卸下貨物，將貨物傳遞給另一架臨近無人機（見圖9），以實現物流運輸線上的無人機交接作業，增加飛行里程。

圖9 無人機間傳遞貨物示意圖

2 結語

無人機于物流領域的應用前景光明，但應用的實現尚存問題。設計一種可在空中進行組合分離的物流無人機，可以使物流無人機的現存問題得到改善。通過創新對接機構、貨物運輸裝置設計，配合以特殊的圖像對接標識和基于特定算法的視覺導航，輔之以多無人機協同控制方法，可以設計出具有更高物流本領的物流無人機組合搬運系統。若能良好利用該系統設計、掌握發揮無人機空中優勢的方法并克服其弊端，無人機技術在物流運輸領域的應用將大有可為。