物流無人機發(fā)展現(xiàn)狀綜述

張釋軒

摘要：當今，互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的飛速發(fā)展給物流行業(yè)帶來了不小的業(yè)務壓力。受限于傳統(tǒng)運輸平臺的能力，以物流無人機為代表的一系列新型智能運輸平臺正成為物流行業(yè)研究的熱點。本文以物流無人機為研究對象，通過對技術發(fā)展脈絡的梳理，總結出其存在的動力、安全、監(jiān)管三大關鍵問題，并提出了相應的解決途徑。

關鍵詞：物流;無人機;動力技術;安全性能;監(jiān)管機制

0? 引言

當前，我國的物流行業(yè)正處于飛速發(fā)展的成長期，物流需求平穩(wěn)向好。但與發(fā)達國家相比，物流的運行效率仍有待提升。傳統(tǒng)物流運輸主要依靠運輸車輛以及快遞人員進行配送：在農(nóng)村，快遞投送的范圍大、一個地點投送的數(shù)量相對較少，效率低的問題比較明顯;在城市物流配送容易受交通狀況的影響。因此，以無人機為代表的智能運輸平臺，正逐步被各物流公司推廣應用。自2012年8月Google實施Project Wing送貨無人機研發(fā)項目以來[1]，國內(nèi)外公司紛紛在物流無人機領域展開研究，國外以Google、Amazon等為代表，國內(nèi)以順豐、京東等為代表。那么經(jīng)過近幾年的發(fā)展，物流無人機的現(xiàn)狀如何？存在哪些問題？又應該如何解決？本文即對這些問題進行闡述。

1? 物流無人機技術發(fā)展現(xiàn)狀

物流無人機作為無人機在物流這一專業(yè)領域的特殊應用，其配送能力和配送安全一直是圍繞物流無人機的兩大核心問題，涉及動力和避障等諸多關鍵技術。本節(jié)即以無人機動力技術和避障技術為代表，闡述物流無人機技術的發(fā)展情況：

1.1 無人機動力技術

當前無人機動力技術已形成電動、油動并舉的局面，其中典型物流無人機的性能參數(shù)如表1所示。

由1表可見，電動無人機的載重、航程相對油動無人機有限，更適合執(zhí)行末端、短距離的配送任務;油動無人機則有更大的載重量，航程也更遠，更適合執(zhí)行長距離的轉運任務。另外，城市中的末端配送很可能需要在樓宇間飛行，降落場地狹小，而且配送的包裹數(shù)量也相對有限，在這種情況下，油動無人機不僅無法發(fā)揮自身載重、航程的優(yōu)勢，反而會因體積過大，增加操控難度;同時，電動無人機用于末端配送還有噪音小、安全性高等優(yōu)勢。

1.2 無人機避障技術

目前無人機采用的避障方式，從傳感器類型來看，主要包括超聲波、光學、紅外3種：

1.2.1 超聲波

超聲波測距裝置包括聲波的發(fā)射和接受裝置，主要用于無人機的避障以及降落。目前許多無人機已經(jīng)用到了這一技術，如大疆的精靈4的前避障裝置。但超聲波探測有效距離較近，遠距離探測精度較低。

1.2.2 光學

①單目視覺?；趩文恳曈X的無人機避障主要有2種應用方式，一是利用光流原理，二是利用相似三角形原理，具體如下：所謂光流是指運動物體或場景表面的光學特征部位在投影平面的瞬時速度，包含了物體或場景的運動參數(shù)和豐富的三維結構信息。單目視覺只適用于探測相對運動的物體間的距離，對相對靜止的物體之間則無法感知，可信度不高。而相似三角形的原理，在測距時需依靠GPS、慣性導航、氣壓計等測定相機的高度，之后進行距離的解算。②雙目視覺。雙目視覺測距類似于人眼判斷距離的原理，利用兩部攝像機產(chǎn)生的視差，可以判斷物體的距離。視差越小，距離越遠，景深越深。該技術目前主要應用于無人機低空（<15m）的輔助定位、降落時的定位。

1.2.3 紅外

當前紅外傳感器主要有2種應用方式，一是TOF原理，二是結構光原理，具體如下：所謂TOF原理即通過紅外發(fā)射器發(fā)射調(diào)制過的光脈沖，接收器（CMOS傳感器）接收偏移后的脈沖波計算時間來測定距離。因為對時間的測定要求，TOF系統(tǒng)的計算功耗較高。但其結構相對緊湊。而結構光原理為紅外傳感器投射出一個具有特定形狀的紅外光圖形，遇到物體后，紅外光圖形反射至傳感器，根據(jù)反射回來結構光圖案在攝像機上的位置和形變程度來測算出前方物體的三維深度圖信息，當前，該技術在一些手機攝像頭以及體感游戲機上已有成熟應用。

2? 物流無人機當前存在的問題

由物流無人機發(fā)展現(xiàn)狀可見，雖然當前在技術層面以取得了較為快速的發(fā)展，但仍存在諸多不足。另外，要使無人機最終得以廣泛應用于物流行業(yè)，還和管理層面密不可分。因此，綜合技術因素和管理因素，以下將物流無人機當前存在的問題總結為3個方面：

2.1 動力性能有待提升

由動力技術發(fā)展現(xiàn)狀可見，當前以鋰電池為主的電動無人機，其技術發(fā)展已進入瓶頸期，短時間內(nèi)電池性能很難有大幅提升，因此新型電動能源形式有待進一步開發(fā);同時，燃油發(fā)動機的應用雖然解決了巡航狀態(tài)的能耗問題，無法應對突然機動等短時高功耗場景。

2.2 安全性能有待增強

物流無人機飛行的低空區(qū)域存在的障礙較多。當前的避障技術還不足以完美應對所有威脅，無人機撞樓、撞樹等新聞時有發(fā)生。

2.3 監(jiān)管機制有待完善

物流無人機監(jiān)管涉及到監(jiān)管部門、法律體系等諸多方面，僅從法律體系來看，物流無人機的監(jiān)管機制便存在很多不足。國內(nèi)外針對無人機的法律較少，且大多數(shù)法律只是針對禁飛區(qū)的規(guī)定，并沒有更加細化的規(guī)定;同時，無人機的管理涉及的部門較多，各部門的管理范圍之間存在重合與空擋，也是無人機管理的一大難題。

3? 問題解決途徑探討

對于上一節(jié)所提出的3大問題，本節(jié)針對性地提出相應解決途徑以供參考：

3.1 動力技術發(fā)展途徑

3.1.1 開發(fā)燃料電池

目前，燃料電池已經(jīng)被安裝在無人機上，且獲得了較好的使用效果：新加坡HUS公司Hycopter是世界首個使用氫燃料電池的多軸無人機，無載重時能連續(xù)飛行4小時[2]。當前以質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展前景較好，其能量密度、轉化效率高，可快速補充燃料;但其存在交換膜制作困難、成本高等問題。盡管如此，在目前蓄電池發(fā)展受限的情況下，燃料電池的應用可以大大提升無人機的續(xù)航能力。

3.1.2 深化混合動力

混合動力無人機是通過不同能源形式的結合，將瞬時功率高和持續(xù)功率穩(wěn)定持久的能源形式進行優(yōu)勢互補，實現(xiàn)在飛行、盤旋時，長時間、小功率提供能量，在起飛、爬升、降落、抗湍流等工況下提供短時間、大功率的輸出，最終提升無人機的動力性能。

表2中列舉了部分目前已研制完成，或正在進行研制的混合動力無人機。

由表2可以看出，混合動力無人機類型多種多樣，特點也不同。與單一動力形式相比，混合動力無人機環(huán)境適應能力更強，但其結構較復雜，因此技術難度也較大。

綜上所述，混合動力無人機能夠發(fā)揮各種動力形式的優(yōu)勢，實現(xiàn)無人機整體性能的優(yōu)化。因此深化混合動力，提高混合動力的技術成熟度，是提高物流無人機動力性能的一個途徑。

3.2 避障性能改善途徑

3.2.1 單傳感器優(yōu)化

各種傳感器技術都有其提升的空間，此處以光學傳感器為例。目前的光學傳感器多為單、雙目視覺傳感器，而更為先進的三目視覺技術[4]，在原有視覺傳感器的基礎上利用中間的相機可以去掉雙目視覺中的陰影，通過對每個像素的多次計算減小誤差。但三目視覺技術相對不成熟，計算量大的問題也較為突出。

3.2.2 多傳感器融合

不同類型傳感器的性能對比如表3所示。

由表3可見，各種傳感器的性能特點不同，且僅使用單一傳感器無法應對所有工況。在單傳感器性能提升受限的情況下，將不同的傳感器結合，使它們的優(yōu)勢互補，以滿足物流無人機對環(huán)境感知的需求，也不失為一種很好的應對策略。

3.3 監(jiān)管機制健全途徑

3.3.1 明確部門的監(jiān)管職責

無人機的監(jiān)管涉及到國務院、中央軍委空中管理委員會、空軍、地方飛行管制部門、民用航空局、公安部等一系列部門、單位。無人機涉及到的部門、單位多，管理關系復雜，在監(jiān)管的過程中會出現(xiàn)管理界限不清晰、責任劃分不明確等問題。本文認為，國務院作為國家最高行政機關，應逐步制定完善的行政法規(guī)引導物流無人機的發(fā)展，并推進人大在該領域的立法進程;中央軍委空中管理委員會全面領導國家的飛行管制工作，并由空軍統(tǒng)一組織實施，二者應合理統(tǒng)籌我國的航空資源，為物流無人機的發(fā)展提供保障;民用航空局、地方飛行管制部門作為具體的空中交通管制服務部門，則應在上級部門的領導下落實各項管制政策，協(xié)調(diào)解決物流無人機在應用過程中存在的實際困難;公安部則應領導各基層公安單位，著重解決物流無人機可能因安全問題等引發(fā)的民事糾紛。

3.3.2 制定完善的法律法規(guī)

無人機在物流行業(yè)的應用涉及到生產(chǎn)、銷售、使用等一系列環(huán)節(jié)，同時也和無人機操作員的管理密不可分。為規(guī)范物流無人機的健康發(fā)展，相關的法律法規(guī)應做到對所有環(huán)節(jié)的全覆蓋：在生產(chǎn)方面，應針對原材料、加工工藝等方面進行規(guī)范，并要求出廠前綜合驗證無人機的性能，確保質(zhì)量過關、性能可靠;在銷售方面，應建立跟蹤制度，確保無人機出現(xiàn)安全問題或事故時責任可溯，同時應明確物流無人機合法持有者的范圍;在使用方面，應明確物流無人機所有者的權利義務，例如飛行數(shù)據(jù)上傳、強制險繳納等;另外，在飛行員管理方面應進行分級，例如不同等級、類型的無人機駕駛員可使用的無人機的尺寸、類型不同等。

4? 結論與展望

本文以物流無人機為研究對象，對其發(fā)展脈絡進行了梳理。通過分析，指出了存在動力性能、安全性能、監(jiān)管機制3方面的關鍵問題;進而，本文提出了相應的解決途徑，其中，針對物流無人機續(xù)航里程的問題，本文提出開發(fā)燃料電池等新能源以及深化混合動力;針對安全性能問題，本文提出通過單傳感器的優(yōu)化及多傳感器的融合提升傳感器性能;針對監(jiān)管機制不健全的問題，本文在明確部門監(jiān)管職責、完善法律法規(guī)兩方面提出了相應的建議。

未來的物流無人機仍有待長足發(fā)展，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術在物流無人機上的應用，同時結合新材料、新能源的開發(fā)，勢必能使物流無人機獲得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1]搜狐網(wǎng).谷歌無人機開始送貨：院子里收到了墨西哥卷餅和藥品.http：//www.sohu.com/a/198534347_114760.2017-10-17.

[2]劉春娜.無人機電池研發(fā)新進展[J].電子技術，2015，07（07）：1354.

[3]美國公司研制混合動力無人機[J].國際航空，2009（08）：6.

[4]王一凡，諶德榮，張立燕.一種用于小型無人機避障的快速視差測距方法[J].中國測試技術，2008，05（03）：114.

[5]吳永鑫.物流無人機在中國農(nóng)村電商物流市場應用研究[D].浙江大學碩士學位論文，2017：21-22.