無(wú)人機(jī)物流模式及機(jī)型概念設(shè)計(jì)

朱啟豪 干靜 呂冰心

摘要：在無(wú)人機(jī)技術(shù)和市場(chǎng)飛速發(fā)展的今天，無(wú)人機(jī)將徹底改變物流業(yè)已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。文章通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)物流發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的分析，指出其在發(fā)展道路上存在的瓶頸，并提出創(chuàng)新無(wú)人機(jī)物流模式和對(duì)應(yīng)的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，力求在問(wèn)題出現(xiàn)之前解決問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：物流無(wú)人機(jī) 模式 概念設(shè)計(jì)

一、背景分析

（一）民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)趨勢(shì)。目前無(wú)人機(jī)市場(chǎng)發(fā)展速度極其迅速。從國(guó)內(nèi)來(lái)看，大疆創(chuàng)新在五年內(nèi)總營(yíng)收翻7--百倍，其他無(wú)人機(jī)廠商也出現(xiàn)了這種翻倍增收的趨勢(shì)。從國(guó)外看，五年前美國(guó)聯(lián)邦航空管理局曾經(jīng)預(yù)測(cè)2020年美國(guó)無(wú)人機(jī)數(shù)量將會(huì)達(dá)到15000架，但現(xiàn)在其每月售出的無(wú)人機(jī)數(shù)量都已超過(guò)這一數(shù)字；Teal集團(tuán)預(yù)測(cè)截至2023年民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)將達(dá)到15億美元，復(fù)合增速將達(dá)到9%，該集團(tuán)還特別提到，Google、Amazon等科技巨頭將給無(wú)人機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)潛在的、難以預(yù)計(jì)的顛覆性變化。

在這樣爆發(fā)式增長(zhǎng)的情況下，如果無(wú)人機(jī)物流仍然沿用目前單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的配送模式，不僅效率低下，而且將對(duì)民用空域資源造成過(guò)度占用?？梢灶A(yù)期的是，如果任由無(wú)人機(jī)發(fā)展，并占用空域資源而不受到任何政策或管理制度上的限制，十余年后的天空將會(huì)受到除溫室氣體、霧霾以外的又一種形式的污染——無(wú)人機(jī)污染。因此有必要提前考慮在增加無(wú)人機(jī)運(yùn)輸效率的前提下降低其對(duì)空域資源占用的方法。

（二）無(wú)人機(jī)物流研究現(xiàn)狀。目前民用市場(chǎng)普遍應(yīng)用的無(wú)人機(jī)類型有多旋翼式無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)兩種。

多旋翼無(wú)人機(jī)性能靈活，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜且精確的飛行運(yùn)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)垂直起降和空中懸停，這一點(diǎn)使得其起飛和降落的空間要求和限制相當(dāng)小。但由于旋翼的能量轉(zhuǎn)換率低，其續(xù)航時(shí)間和飛行距離十分受限，并且飛行速度較其他形式的無(wú)人機(jī)低。

固定翼無(wú)人機(jī)具有續(xù)航能力較強(qiáng)，能量利用率高的特點(diǎn)，且由于其產(chǎn)生升力的原理，可以達(dá)到很高的飛行速度。另外，固定翼無(wú)人機(jī)承載能力強(qiáng)，在飛行中可通過(guò)對(duì)襟翼和尾翼的微調(diào)來(lái)適應(yīng)變化的載重，維持平衡和穩(wěn)定。但固定翼無(wú)人機(jī)靈活性較差，轉(zhuǎn)向較慢且轉(zhuǎn)向弧度較大，對(duì)起降場(chǎng)所要求比較苛刻，另外由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本昂貴。

可以看出兩種主流無(wú)人機(jī)類型的優(yōu)劣勢(shì)基本上互補(bǔ)，但多旋翼無(wú)人機(jī)由于其出色的靈活性，在民用領(lǐng)域應(yīng)用范圍更廣因此占有了民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的絕大部分份額。

無(wú)人機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)讓企業(yè)開(kāi)始思考是否可以將無(wú)人機(jī)運(yùn)用到物流領(lǐng)域，如此一來(lái)不僅可以減少成本，同時(shí)還可以克服環(huán)境帶來(lái)的不確定影響，增加效率。因此國(guó)內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)著手于物流無(wú)人機(jī)的研究（如表1）。

正在研發(fā)中的物流無(wú)人機(jī)多集中在多旋翼無(wú)人機(jī)和垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)兩類上。垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)結(jié)合了多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以在旋翼模式和固定翼模式之間切換，相比傳統(tǒng)多旋翼無(wú)人機(jī)，其續(xù)航能力和飛行速度都得到了較大提升。

然而無(wú)論何種類型的物流無(wú)人機(jī)都沒(méi)有擺脫單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)配送模式的限制，因此對(duì)空域資源的占用問(wèn)題仍然得不到有效解決。

二、無(wú)人機(jī)物流模式設(shè)計(jì)

本文設(shè)想了一個(gè)全新的模式，采用多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)相互配合作業(yè)的方式，不僅能提升物流效率，還能有效減少物流無(wú)人機(jī)對(duì)空域資源的占用。

模式將多旋翼式無(wú)人機(jī)作為子機(jī)，直接運(yùn)載貨物，而將固定翼無(wú)人機(jī)作為母機(jī)，能夠裝載和釋放多架子機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)物流中多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)和單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)合，并能夠有效地將多旋翼無(wú)人機(jī)的靈活性和垂直起降能力與固定翼無(wú)人機(jī)的快速高效性能相結(jié)合，大大提高效率，顯著減少無(wú)人機(jī)對(duì)空域資源的占用。

下面以單個(gè)子機(jī)為第一人稱對(duì)該模式設(shè)計(jì)進(jìn)行分階段解讀。從單個(gè)子機(jī)的視角，在其配送作業(yè)過(guò)程中會(huì)依次經(jīng)過(guò)發(fā)貨點(diǎn)、接收站點(diǎn)、經(jīng)停站點(diǎn)（配送距離短時(shí)可能不會(huì)經(jīng)過(guò)）、分離站點(diǎn)和到貨點(diǎn)。

（一）運(yùn)輸階段一：發(fā)貨點(diǎn)至接收站點(diǎn)。經(jīng)客戶確認(rèn)線路后，多旋翼無(wú)人機(jī)從發(fā)貨點(diǎn)起飛，按照階段一的線路盡可能按直線飛向中轉(zhuǎn)站點(diǎn)，子機(jī)將在中轉(zhuǎn)站點(diǎn)被母機(jī)接收并裝載?？赡苁顾男頍o(wú)人機(jī)不能按直線飛行的原因有目不限于：民航設(shè)施周?chē)w、政治因素（如政府機(jī)關(guān)上空禁飛）等。

在即將到達(dá)接收站點(diǎn)時(shí)，固定翼機(jī)已在站點(diǎn)處懸停并開(kāi)啟接收艙蓋，旋翼機(jī)降落在接收入口的降落區(qū)域后收疊以減小占用空間，并由接收入口進(jìn)入固定翼機(jī)內(nèi)部的旋翼機(jī)艙位，等待分離。階段一的示意簡(jiǎn)圖（如圖1）所示，A地為旋翼機(jī)出發(fā)地，B地為接收站點(diǎn)。

（二）運(yùn)輸階段二：接收站點(diǎn)至釋放站點(diǎn)。固定翼母機(jī)的運(yùn)作方式類似于公交車(chē)，在規(guī)劃好的機(jī)場(chǎng)（可建設(shè)在市郊的空曠區(qū)域）起飛和降落、按照規(guī)劃好的路線飛行，并在規(guī)劃好的站點(diǎn)進(jìn)入懸停模式接收子機(jī)。

母機(jī)完成對(duì)子機(jī)的接收后，由懸停狀態(tài)轉(zhuǎn)換為飛行狀態(tài)，進(jìn)入運(yùn)輸?shù)牡诙A段。此階段母機(jī)按照其班次規(guī)劃好的航線飛行，途中可能會(huì)經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)接收/釋放站點(diǎn)，在此處不論有無(wú)旋翼機(jī)待接收或釋放，固定翼機(jī)都將按照時(shí)間表在站點(diǎn)懸停一段時(shí)間。階段二的示意簡(jiǎn)圖（如圖2）所示，C、D兩地為母機(jī)在航線中可能經(jīng)停的站點(diǎn)，E地為子機(jī)分離站點(diǎn)。

（三）運(yùn)輸階段三：分離站點(diǎn)至收貨點(diǎn)。固定翼母機(jī)在進(jìn)入站點(diǎn)前會(huì)進(jìn)行—段距離的減速，到達(dá)站點(diǎn)時(shí)速度剛好減為0，進(jìn)入懸停狀態(tài)。

母機(jī)與子機(jī)的分離步驟早于其在同一站點(diǎn)對(duì)子機(jī)的接收步驟。理論上在固定翼機(jī)完全懸停前，其飛行速度減速至旋翼機(jī)最大速度時(shí)即可開(kāi)始釋放，如釋放過(guò)早會(huì)導(dǎo)致子機(jī)需要超過(guò)最大速度飛行一段時(shí)間，容易造成旋翼受損。子機(jī)在下落時(shí)自動(dòng)展開(kāi)旋翼，并通過(guò)四個(gè)旋翼之間的轉(zhuǎn)速差找回平衡，隨后便可飛向預(yù)定的收貨點(diǎn)。

階段三的示意簡(jiǎn)圖（如圖3）所示，F(xiàn)地為到貨點(diǎn)。

（四）回收管理階段。完成送貨任務(wù)的子機(jī)，將自主前往就近的發(fā)貨配送點(diǎn)。所有配送點(diǎn)均能夠完成旋翼機(jī)的回收工作，并可以在其內(nèi)對(duì)回收的旋翼機(jī)進(jìn)行檢查并補(bǔ)給損耗，狀態(tài)合格的旋翼機(jī)便可以直接從當(dāng)前配送點(diǎn)執(zhí)行新的配送任務(wù)。

在配送點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行能源補(bǔ)給，將采用機(jī)械手自動(dòng)更換電池的方式。更換掉的電池將統(tǒng)一送至配送點(diǎn)內(nèi)的充電區(qū)進(jìn)行充電，完成后這些電池便可以用來(lái)補(bǔ)給其他旋翼機(jī)。其他損耗需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行維修。這樣的體系可以有效加快配送點(diǎn)內(nèi)旋翼機(jī)的周轉(zhuǎn)速度，從而加快了整體物流效率。配送點(diǎn)內(nèi)部示意圖（如圖4）所示。

三、物流無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)效果圖（如圖5、6）所示。

（一）子機(jī)（四旋翼無(wú)人機(jī)）設(shè)計(jì)。該模式設(shè)計(jì)的核心即是以固定翼機(jī)裝載旋翼機(jī)的概念，而旋翼機(jī)尺寸越小，在固定翼機(jī)尺寸不變的前提下就可以裝載越多的旋翼機(jī)，提高運(yùn)輸效率。因此在盡可能使用較大貨箱尺寸的前提下，通過(guò)變形手段減小裝載過(guò)程中旋翼機(jī)的尺寸。出于方便折疊的考慮，旋翼數(shù)量選定為四，即采用四旋翼無(wú)人機(jī)的形式。

設(shè)計(jì)的四旋翼折疊結(jié)構(gòu)，能夠使其進(jìn)入固定翼機(jī)時(shí)體積可以減小到飛行狀態(tài)的20%以下。折疊前后對(duì)比圖和折疊過(guò)程示意圖（如圖7、8）所示。

四旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)連接每個(gè)旋翼的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸的異向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙層折疊，且折疊全過(guò)程中保持槳葉在水平狀態(tài)，因此自由下落過(guò)程中可以在完全展開(kāi)前就開(kāi)始提供升力。

在起落架的設(shè)計(jì)上參考了昆蟲(chóng)足部的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了局部仿生設(shè)計(jì)。在其轉(zhuǎn)換過(guò)程中，每個(gè)起落架內(nèi)部的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸會(huì)帶動(dòng)其外層運(yùn)動(dòng)，使起落架展開(kāi)成一個(gè)四桿結(jié)構(gòu)，一來(lái)增加了起落架長(zhǎng)度，二來(lái)在降落過(guò)程中進(jìn)行緩沖，避免貨物造成損傷。

（二）母機(jī)（固定翼無(wú)人機(jī)）設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的固定翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是由兩小一大總共三臺(tái)渦輪風(fēng)扇式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組成的，其中主發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)身中間，而兩個(gè)副發(fā)動(dòng)機(jī)掛在兩機(jī)翼下面。同時(shí)，從主發(fā)動(dòng)機(jī)分出兩個(gè)排氣口放置在機(jī)身前側(cè)。

飛行狀態(tài)時(shí)，副發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，僅由主發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力前進(jìn)。當(dāng)進(jìn)行懸停狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)，排氣口首先向前排氣，進(jìn)行減速，隨速度降低升力降低，此時(shí)排氣口由向前排氣逐漸轉(zhuǎn)換到垂直向下排氣，提供升力補(bǔ)足，與此同時(shí)副發(fā)動(dòng)機(jī)傾轉(zhuǎn)到垂直向下的方向后開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，最終當(dāng)由氣流在機(jī)翼上提供的升力降為0，升力全部由排氣口和副發(fā)動(dòng)機(jī)提供時(shí)完成向懸停狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。此時(shí)，艙蓋通過(guò)滑移的方式打開(kāi)準(zhǔn)備接收子機(jī)。轉(zhuǎn)換前后（如圖9）所示。

子機(jī)的艙位在母機(jī)下方，兩列共18個(gè)艙位。旋翼機(jī)在通過(guò)傳送帶進(jìn)入固定翼機(jī)內(nèi)部時(shí)，為了節(jié)省空間，會(huì)由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，再根據(jù)艙位空余在母機(jī)內(nèi)部進(jìn)行分配。

（三）子機(jī)與母機(jī)的配合過(guò)程。當(dāng)進(jìn)行與旋翼機(jī)的分離操作時(shí)，需要分離的旋翼機(jī)所在的艙位蓋打開(kāi)，旋翼機(jī)以垂直姿態(tài)自由落體，落體過(guò)程中展開(kāi)旋翼，通過(guò)展開(kāi)時(shí)旋翼之間的轉(zhuǎn)速差找回平衡（如圖10）。平衡過(guò)程中，處于下方的旋翼先開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生—個(gè)將旋翼機(jī)拉回平衡狀態(tài)的力矩之后，其他旋翼再開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，相互配合回到平衡狀態(tài)。

在艙蓋滑移后，旋翼機(jī)便可以降落在懸停的固定翼機(jī)上。在艙蓋下有一條鏈輪傳送帶，旋翼機(jī)需降落在傳送帶的前端降落區(qū)域，隨后在傳送帶的帶動(dòng)下進(jìn)入其內(nèi)部，直至旋翼機(jī)儲(chǔ)存箱。另外，在傳送帶前方與其相鄰的還有信號(hào)發(fā)送與接收裝置，用于與準(zhǔn)備降落的旋翼機(jī)進(jìn)行信息交流（如圖11）。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)作為初步踏入民用領(lǐng)域的科技產(chǎn)品，其形式和應(yīng)用領(lǐng)域還相當(dāng)有限。本文探討的物流無(wú)人機(jī)和無(wú)人機(jī)物流模式設(shè)計(jì)，在無(wú)人機(jī)已有但遠(yuǎn)不成熟的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析探討，預(yù)測(cè)出在產(chǎn)業(yè)成熟的道路上會(huì)遇到的問(wèn)題，站在未來(lái)的視角使用新的思維解決問(wèn)題，為無(wú)人機(jī)發(fā)展提出一種創(chuàng)新的思路。

目前無(wú)人機(jī)發(fā)展的兩個(gè)主要瓶頸是空域資源問(wèn)題和安全問(wèn)題，本文的探討和設(shè)計(jì)僅針對(duì)前者。但即便如此，新的無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)仍然需要有關(guān)部門(mén)的協(xié)調(diào)和配合，需要相關(guān)法律法規(guī)的完善。因此，要想徹底打開(kāi)人們對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的想象空間，政府協(xié)調(diào)和制度優(yōu)化將必不可少。