一個無人機輕小型快遞投送系統的設計

苑航 樊騏愷 劉佳裔 王金宇 郭昂朋 田鑫 何苗青 石瑩瑩 張虎

摘要：在無人機廣泛使用的環境下，結合校園實際，在四旋翼無人機的應用基礎上，結合快遞取件的無人接觸的需求，項目完成了一個無人機輕小型快遞投送系統的設計。項目以無人機為基礎設備，在完成硬件設計的基礎上，完成了應用程序的開發，實現了商家、快遞點、用戶之間的無接觸投送接收，最大限度地降低了人力成本，提高了快遞投送、接收的效率。

關鍵詞：無人機；快遞投遞；飛行控制；信息系統

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0107-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

1 項目設計背景和內容

伴隨無人機技術的飛速發展，無人機的行業使用范圍已經擴大到各種民生領域，從日常的航拍、農林業的農藥噴灑到公安、消防等，都已經廣泛使用無人機技術及設備。

為了解決無接觸式的快遞取送，本文基于無人機設備和Web程序設計了一個輕小型快遞投送系統，希望通過互聯網+無人機的手段實現零接觸配送，實現真正意義上的零人員流動的同時也充分保障外賣、網購物品的取件需求，解決商家（快遞點）、外賣點到學生取件的“最后一公里”問題。

2 配送無人機原理與設計選型

2.1 配送無人機設計原理

目前主流的無人飛行器主要有以下幾種：無人型固定翼無人機、無人型直升機、無人型多旋翼無人機、無人型傘翼機和撲翼型微型無人機等[1]，其中無人型多旋翼飛行器結構最為簡單，動力系統只需要驅動電機，通過槳葉旋轉提供的動力就能夠實現垂直起降、飛行，機械結構簡單，雖然續航時間短、載荷小，但完全能夠滿足基本的快遞取件的投遞工作。本項目以四旋翼無人機為設計實現，四旋翼無人機不僅能夠垂直起降和穩定的懸停，而且具有飛行損耗小、制造成本低、機動性能強。四臺電機配置原理如圖1所示。

無人機在空中飛行過程中是依靠旋翼槳葉的旋轉運動引起空氣的運動而產生的推動力實現飛行，根據各槳葉運動的狀態產生的推力不同形成前后、垂直、俯仰和偏航飛行運動模態。無人機的最基本飛行運動是垂直起降，實現飛行器的起飛和降落。以四旋翼無人機為例，垂直起飛時，同時增加四個旋翼槳葉對應電機的輸出功率，電機的大功率輸出帶動槳葉轉速加大，氣流運動加快，當克服自身重力值即可實現向上起飛。需要下降時，逐漸降低電機的轉速，氣流產生的向上推力小于無人機自身重力時，實現降落的動作，當轉速達到一定值時，向上的推力等于機身重力，即可實現在空中懸停的動作，如圖1（a） 所示。當無人機改變飛行方向時，要通過俯仰運動實現方向的改變，如圖1（b） 所示。在對角線上的電機1的轉速增加的同時降低電機3的轉速，其他電機轉速保持不變，使得對角線上的兩個電機的轉速產生差值，原本在一個平面上的推力出現不平衡狀態，導致無人機的整體受力朝空間坐標中的Y 軸方向傾斜，即實現無人機仰俯運動。俯仰飛行動作可分為向上仰飛和向下俯沖飛行，兩種飛行動作原理完全相同，只是電機輸出功率變化值的差異。無人機水平方向的飛行可以細化為前后、左右、斜向飛行動作，如圖1（c） 所示。飛行原理與俯仰飛行類似，均為通過一條對角線上電機的轉速變化，引起四個電機在水平面上產生推力的變化，產生飛行仰角，從而實現水平方向的飛行，比如在圖1（c） 中增加電機3轉速并減小電機1的轉速，而2和4號電機的轉速保持不變，無人機原本在水平面上四個推力平衡的狀態被打破，四個旋翼的推力平面產生仰角，即實現在水平面內的飛行。無人機的偏航飛行時，如圖1（d） 所示，在增加主對角線上兩個電機的轉速的同時降低副對角方向上兩個電機的轉速，并保證增加值大于減小值，無人機在不平衡受力的作用下即實現的偏航飛行。

2.2 配送無人機的設計要求

載荷的計算，要通過電機的輸出功率、槳葉的配合計算，實現載荷大小的值[2]。電機的選用：根據起飛重量及載荷重量計算所需電機的功率。電機的KV值是決定電機升力扭矩的關鍵值。電機線圈繞線粗、匝數少、轉速快，但扭矩小，所以升力小載荷小，反之，扭矩大、載荷相對較大。槳葉的選擇要與電機匹配。受空氣動力的影響，槳葉的直徑、面積受阻力影響，直接關系飛行的質量。槳葉的運動產生向上及橫向的推力，橫向推力越小越好，所以，在四旋翼無人機設計時，對角電機方向相反，相互抵消橫向推力。無人機載荷大，升力扭矩要求高，所以要選擇KV值低、槳葉稍大的配置，選用細長的柳葉型槳葉能夠有效提高電機、槳葉的工作效率。

設計要求：軸距不大于500mm，飛行半徑不大于100m，飛行高度不大于30m，載荷重量不大于2kg，飛行控制模式：手動，操作方式：遙控器、手機、筆記本電腦。其中，機械部分包含電機、槳葉、電池組、電子調速器、電調連接板、通信模塊、飛行控制模塊等，無人機機械部分應帶有保護罩，既保護周邊人員，也保護槳葉的安全，同時要配備防脫鉤裝置，實現所承載快遞物品的防脫落安全保障。飛行控制單片機選擇STM32F103CX進行設計，設計中包括電源模塊、復位電路、電源指示燈電路和晶振電路，通過穩壓芯片提供3.3伏電壓給芯片供電。姿態傳感器模塊采用MPU6050芯片，內部集成了4軸陀螺儀和4軸加速度計，輸出16 位的數字量的信號，通過IIC總線和單片機進行數據交互。單片機通過讀取姿態傳感器數值解算出當前姿態，然后控制電機保證飛行姿態穩定。

無人機飛行控制開發平臺的飛控核心及遙控器之間數據使用NORDIC公司生產的nRF24L01通信模塊進行無線傳輸，通過SPI 總線讀取遙控器數據并傳輸給無人機，由于直接采用了整體模塊，故只需接入SPI總線即可。

電池組電量監視模塊采用液晶顯示模塊實現人機交互，采樣模塊采集無人機電池組的電壓信息。當無人機電池組電壓低于3.6伏時，保護裝置顯示提示信息并發出蜂鳴聲，提示操作員盡快降落無人機，避免因電量下降導致的墜機風險。

2.3 無人機安全作業注意事項

1） 參與快遞送收的無人機必須符合中國民用航空局飛行標準司簽發的《輕小無人機運行規定（試行）》的相關規定；

2） 飛行范圍應嚴格按照作業方案執行，飛行距離控制在視距范圍內，可視距離內不得有樹木等障礙物；

3） 飛行配送應遠離人群，飛行作業時，若地面有其他人員，要停止飛行；

4） 起降飛行應遠離障礙物，平行飛行應遠離障礙物10m以上，并作相應減速飛行；

5） 無人機操作員應佩戴安全帽、防眩光眼鏡、身穿反光背心，在上風口并背對太陽執行飛行作業；

6） 無人機操作員應與無人機保持3m以上安全距離，作業過程中操控人員應關閉手機及其他所有電磁干擾設備；

7） 對無人機進行維護保養時，必須切斷動力電源，避免意外啟動，防止事故的發生。

3 配送軟件設計

在配送無人機設計完成后，開發出配送應用程序，實現商家、用戶之間的數據橋梁。

3.1 設計需求

根據校內外快遞配送存在的問題，項目組對配送的需求和實際情況進行了線下商家和網上信息的綜合調查，總結出項目的設計需求：

1） 項目要有管理員、商家（快遞點）、學生用戶角色的注冊和登錄功能，且各角色用戶賬號名稱唯一；

2） 快遞信息記錄完整，并能夠在系統中完整顯示，商家（快遞點）能夠對信息進行實時查詢，并能夠對自己所錄入的內容進行修改、添加；

3） 系統管理員可以添加商家（快遞點），商家（快遞點）可添加、修改訂單信息、聯系方式等；

4） 管理員有最大權限，可以添加新管理員成員進系統，還可以修改、刪除其他兩種角色用戶的基本信息；

5） 由商家發起任務，然后用戶選擇配送時間、配送地點、配送方式等，用戶手動完成任務或無人機返回確定信息并超時后系統自動完成訂單。

3.2 軟件功能設計

主要包括，登錄功能，注冊功能，訂單信息的增刪改查（其中包括與無人機信息的交互），用戶管理功能。不同用戶類型權限不同，如圖2所示。

3.3 系統編碼設計及分頁實現

本系統編碼采用UTF-8編碼格式實現，UTF-8編碼格式可以用來表示Unicode標準中的任何字符，其低八位的編碼與 ASCII碼相同，從而兼容ASCII字符軟件。分頁設計通過后臺數據庫SQL語句分頁獲取數據，然后使用limit關鍵字來實現分頁操作[4]。

3.4 系統注冊與登錄功能

本系統的Tomcat端口號設置為8080，程序啟動后，在瀏覽器地址輸入欄中輸入localhost： 8080/index.jsp即打開項目系統的首頁。首次用戶登錄該系統后，首先需要注冊用戶，成功后才可以登錄使用師生用戶或商家用戶后臺系統進行內容編輯。管理員賬號為超級管理員設置。初始管理員在數據庫表中自行添加字段，之后可通過設置添加管理員成員協助系統維護，可對師生用戶、商家用戶和訂單進行管理操作。

3.5 系統用戶和權限設計

設計為三種用戶，超級管理員、商家（快遞點）、普通用戶。超級管理員可以對所有航線任務信息及飛行記錄信息進行增刪改查，也可以對無人機信息的增刪改查；商家（快遞點）僅可對自己的任務有關信息進行查詢、創建和修改，在確定具體的某一單任務時候對無人機狀態進行查詢和更改；普通用戶僅可查詢和完成自己所屬訂單。

3.6 訂單信息的增刪改查

對具體的某一單信息進行管理，同時系統需要在用戶對系統信息更新后實時調用無人機系統的API對無人機的航線等進行控制。包括具體功能如下4項。系統需要保證功能實現過程中數據流動的穩定，也要保證用戶展示信息的實時性和對無人機操控的穩定性[4]，如圖3所示。

1） 無人機航線任務管理功能

主要包括航線的添加、編輯和刪除。點擊添加任務，即可開始設置航線，保存航線之后即可在飛行計劃列表查看任務。進入添加頁面后點擊繪制即可進行任務的繪制。選取航線的起始點和結束點即可。到達結束點完成任務后自動返航。設置無人機的任務名稱、飛行高度、飛行速度和指定無人機服務用戶。設置航線上每個航點的動作并對飛行投遞任務信息進行修改[5]。

2） 人機地圖及信息查詢功能

包括所有無人機實時視頻畫面和無人機實時軌跡。商家和普通用戶也可通過選擇框切換為自己所屬訂單服務的無人機視頻直播源。包含無人機實時軌跡，無人機經過會在地圖繪制路線，直觀顯示無人機的飛行軌跡。頁面底部設計表格顯示無人機實時數據，提供地圖實時軌跡和圖傳。

3） 飛行記錄查詢功能

主要用于對無人機記錄以軌跡回放的形式進行展示，對無人飛行速度和飛行高度進行曲線統計。無人機視頻回傳結束后，即可自動保存本次服務實時視頻到服務器，并且在視頻回放頁面生成數據，提供在線觀看以及下載，以便于后期對該次快遞服務進行控制以及管理。

4） 無人機列表、用戶、商家列表等基礎信息表的展示

在數據表的設計中，無人機表對無人機的型號、狀態、電量和各關鍵零部件狀態的重要信息進行展示。用戶表、商家表則對用戶的關鍵信息進行展示。該功能僅超級管理員擁有權限，便于對整個系統的信息進行管理。

3.7 用戶管理功能

超級管理員可在此處對所有用戶的信息進行修改，目前商家用戶和普通用戶作為兩類用戶分開管理降低耦合度，后期系統升級和完善過程中可通過登錄時選擇不同登錄狀態進入不同頁面，便于用戶對于該系統的使用。

4 結束語

本投送系統以無人機設備為基礎，采用SSH為主

導框架實現應用的程序設計。程序具有結構清晰、復用性、維護和升級換代方便的特點，SSH框架基于MVC設計模式，實現了控制器、視圖與模型的完全分離，并且業務邏輯層與持久層也實現了分離，無論前端如何變化，模型層只需改動部分代碼即可完成，數據庫的變化也不會對前段界面布局有影響，提高了系統的可復用性。降低了系統的耦合度，便于開發效率的提高。業務邏輯層通過調用無人機設備所提供的相關API實現對無人機的載荷控制、飛行控制、尋路控制等大大簡化了項目的復雜度。技術的優越性保證了系統的功能完善和用戶體驗時的安全，相信在未來的不斷發展中，輕小型快遞投送系統會不斷進行完善和發展，從而更好地為人們提供服務。

參考文獻：

[1] 張勝遜，戴偉軍.無人機綜合應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2020.

[2] 付少帥，李玢.無人機快遞系統專利分析[J].科技創新與應用，2019（30）：5-6.

[3] 谷志峰，李同偉.JSP程序設計實例教程[M].北京：電子工業出版社，2017.

[4] 杜洋，劉洪辰.自動化無人機快遞配送系統研究[J].科技傳播，2016，8（10）：96-97.

[5] 徐富元，楊蔚，祁友杰，等.一種利用可見光載荷實現運動目標搜索的方法[J].航天電子對抗，2017，33（2）：22-25，44.

【通聯編輯：聞翔軍】