一種無(wú)人機(jī)“智慧物流”配送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡成田 趙展 魏雯 何津津 許春敏

摘要：本文研究了無(wú)人機(jī)物流配送系統(tǒng)的原理，基于STM32F405ZG平臺(tái)實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化了無(wú)人機(jī)的自巡航功能功能，增加無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的自動(dòng)避障設(shè)計(jì)。通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)通信及2.4G點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信模式，可以解決通信量過(guò)大造成的信息擁堵，并且在客戶端使用射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)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(diǎn)，可以代替人類實(shí)現(xiàn)快遞最后一公里的配送，在民用領(lǐng)域具有很高的使用價(jià)值，在工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32F405ZG單片機(jī)；NRF24L01無(wú)線通信模組；RFID通信模組；USR-NB75 4G通信模組

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）08-0210-02

本論文設(shè)計(jì)了以STM32F405ZG為主要控制器的無(wú)人機(jī)“智慧物流”配送系統(tǒng)，其由NRF24L01無(wú)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(wú)線通信的形式去分擔(dān)部分通信信息，以減小4G通信信息量過(guò)大帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)擁堵，規(guī)避部分空間信號(hào)不穩(wěn)定的問(wèn)題[1-2]。

擬解決快遞包裹最后一公里的急速送達(dá)問(wèn)題，減小了快遞工作者的工作量，可以適應(yīng)市場(chǎng)需求應(yīng)用于各種場(chǎng)合，并加快中國(guó)物流無(wú)人化配送的布局。

1 控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。以STM32F405ZG作為主控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能分配臺(tái)、自提柜及客戶收發(fā)箱進(jìn)行檢測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)包裹的實(shí)時(shí)配送。利用USR-NB75 4G通信模組實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)人機(jī)路徑走向，通過(guò)NRF24L01無(wú)線通信模組對(duì)無(wú)人機(jī)最后的降落通信進(jìn)行對(duì)接實(shí)現(xiàn)高精度低數(shù)據(jù)流量降落。RFID通信模組實(shí)現(xiàn)降落后的身份卻認(rèn)，以防止非本系統(tǒng)無(wú)人機(jī)的違規(guī)操作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路滿足是高質(zhì)量、安全性、簡(jiǎn)略性等。硬件電路主要包括：STM32F405ZG增強(qiáng)MCU最小系統(tǒng)，電源模塊，2.4G通信模塊設(shè)計(jì)，超聲波空間探測(cè)模塊設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)電流進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 USR-NB75 4G通信模組電路設(shè)計(jì)

USR-NB75采用850MHZ的通信頻段運(yùn)營(yíng)商為中國(guó)電信，現(xiàn)中國(guó)電信已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)此頻段的通信實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋，此模塊可實(shí)現(xiàn)串口指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置或查詢，可以較簡(jiǎn)單的應(yīng)用于各種設(shè)備間的通信，而且支持與服務(wù)器之間的二次開(kāi)發(fā)，有更高的自主性與服務(wù)器采用UDC通信協(xié)議或透明傳輸可以更好地適應(yīng)各種服務(wù)器環(huán)境，使開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品具有更高的移植性。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

USR-NB75通信模組內(nèi)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(huán)境，帶有兩個(gè)工作狀態(tài)指示燈可對(duì)當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行指示，USR-NB75外圍電路如圖3所示。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以利用SLA4061音頻功率放大芯片作為只要控制芯片來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以提供足夠的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。信號(hào)輸入端采用光耦將控制信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)端進(jìn)行隔離，防止電機(jī)電路出現(xiàn)故障后會(huì)牽連主控電路受損。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用12V供電而控制電路采用3.3V供電采用光耦的設(shè)計(jì)可以有效保護(hù)主控電路。電路如圖4所示。

3 軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

按照無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，要對(duì)物流系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要有以下幾點(diǎn)，分別為：控制臺(tái)對(duì)貨物的調(diào)度，無(wú)人機(jī)路徑的規(guī)劃，無(wú)人機(jī)路徑的探測(cè)避障，降落后的身份確認(rèn)。我們選取降落后的身份確認(rèn)程序和無(wú)人機(jī)路徑的探測(cè)避障程序進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

3.1 身份確認(rèn)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用雙重加密，身份識(shí)別數(shù)據(jù)加密框圖如圖5所示，由中亞控制端產(chǎn)密匙流，并將明文密匙搭載與其中儲(chǔ)存于無(wú)人機(jī)所隨機(jī)攜帶的RFID卡中，密匙流則通過(guò)4G通信傳輸至客戶端無(wú)人機(jī)降落后讀取無(wú)人機(jī)RFID數(shù)據(jù)并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至客戶端的密匙流進(jìn)行處理后解密，最終確認(rèn)無(wú)人機(jī)身份保證每一次運(yùn)輸?shù)陌踩?。每一次的密匙流及明文都?jīng)隨機(jī)產(chǎn)生，以防數(shù)據(jù)被破解或截取。

3.2 無(wú)人機(jī)路徑的探測(cè)避障程序設(shè)計(jì)

規(guī)避功能采用超聲波對(duì)環(huán)境相對(duì)距離進(jìn)行采集，并通過(guò)程序分析是否對(duì)默認(rèn)巡航路徑做出修正，避免在飛行過(guò)程中產(chǎn)生撞機(jī)事故?？臻g信息采集主要對(duì)無(wú)人機(jī)所飛行平面進(jìn)行360度距離采集與無(wú)人機(jī)機(jī)身上方與下方的空間距離信息采集，通過(guò)兩組超聲波模塊繞固定中心旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)360度無(wú)死角距離信息采集。通過(guò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后從而判斷是否需要做出規(guī)避動(dòng)作。具體流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

目前無(wú)人機(jī)已實(shí)現(xiàn)對(duì)固定地點(diǎn)的送貨，及貨物的分揀及智能路徑規(guī)劃，但也只是完成配送系統(tǒng)基礎(chǔ)功能。除此之外，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種突發(fā)狀況的應(yīng)對(duì)及應(yīng)急功能，為更好地完善此系統(tǒng)后續(xù)會(huì)優(yōu)化路徑自動(dòng)規(guī)劃功能，及在飛行過(guò)程中把位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至主控端實(shí)現(xiàn)對(duì)所有已飛出無(wú)人機(jī)位置的監(jiān)控進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)的安全性能。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)無(wú)人機(jī)物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)于無(wú)人機(jī)的制作及優(yōu)化還存在很多問(wèn)題，相對(duì)于無(wú)人機(jī)平臺(tái)研究得不夠透徹，對(duì)于日后的性能的提升還有很大空間。目前系統(tǒng)總體應(yīng)用相對(duì)比較成熟的模塊化設(shè)計(jì)，只有部分關(guān)鍵性電路部分及機(jī)械機(jī)構(gòu)部分為自主設(shè)計(jì)。

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(zhì)的提高，通過(guò)每次無(wú)人機(jī)所載明文與4G網(wǎng)絡(luò)鎖傳輸?shù)牧髅艹滓约敖獯a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(jìn)行商業(yè)投放。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳俊羽.無(wú)人機(jī)物流快遞配送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2018（24）：28-29.

[2] 龍吉. 基于STM32的無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)空投控制裝置的設(shè)計(jì)[J]，電子技術(shù)與軟件工程，2019（02）：83.

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