高層配送無(wú)人機(jī)停放平臺(tái)的設(shè)計(jì)

張坤 石愛(ài)平 水清梅

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.013

摘? 要：目前由于國(guó)內(nèi)物流和外賣(mài)行業(yè)處于興盛階段，在現(xiàn)有的運(yùn)行模式下，“最后一公里”配送作為唯一與消費(fèi)者面對(duì)面接觸的環(huán)節(jié)，成為制約電商物流發(fā)展的最大阻礙。該項(xiàng)目針對(duì)物流配送“最后一公里”的痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于無(wú)人機(jī)快遞的新式室外快遞接收終端平臺(tái)。通過(guò)一個(gè)與室內(nèi)連通的裝置，使業(yè)主足不出戶(hù)便可接收與發(fā)送快遞，其中無(wú)人機(jī)運(yùn)輸解決了一般人員運(yùn)輸受地形和交通規(guī)則制約而導(dǎo)致貨物運(yùn)送較慢的問(wèn)題，大大降低了貨物配送的晚點(diǎn)率和損壞率。

關(guān)鍵詞：STM89C52;無(wú)人機(jī)配送;壓力傳感器;最后一公里

中圖分類(lèi)號(hào)：TP215? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0045-04

Design of the Parking Platform for High-rise Distribution UAV

ZHANG Kun，SHI Aiping，SHUI Qingmei

（Binzhou University，Binzhou? 256600，China）

Abstract：At present，as the domestic logistics and takeout industry are in a prosperous stage. As the only link for face-to-face contacting with consumers in the existing operation mode，the “l(fā)ast kilometer” distribution has become the biggest obstacle restricting the development of e-commerce logistics. Aiming at the pain points of the “l(fā)ast kilometer” of logistics distribution，this project designs a new outdoor express receiving terminal platform based on UVA express. Through a device connected to the indoor，the owner can receive and send express without leaving the house. Among them，UAV transportation solves the problem of slow goods transportation because that the general personnel transportation is restricted by terrain and traffic rules，which reduce greatly the delay rate and damage rate of goods distribution.

Keywords：STM89C52;UAV distribution;pressure sensor;last kilometer

0? 引? 言

由于目前國(guó)內(nèi)物流快遞行業(yè)興盛，快遞的配送逐漸成為物流發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，美中不足的是物流鏈的末端存在著“最后一公里的痛”。物流末端當(dāng)今現(xiàn)狀的處理方式是把快遞放在相應(yīng)的暫存點(diǎn)等顧客自己去取件，但是暫存點(diǎn)有相應(yīng)的工作時(shí)間，做不到提供二十四小時(shí)取件服務(wù)。其次是將快遞暫存在智能自提柜，顧客可憑相應(yīng)的取件碼享受二十四小時(shí)的取件服務(wù)，但是如今的自提柜規(guī)定了免費(fèi)暫存時(shí)間，超過(guò)這個(gè)時(shí)間顧客必須支付相應(yīng)的暫存費(fèi)用才可將快遞取走。

近年來(lái)智能快遞柜如雨后春筍般“成長(zhǎng)出來(lái)，但是在市場(chǎng)的巨大競(jìng)爭(zhēng)下并沒(méi)有發(fā)展得順風(fēng)順?biāo)?。即使在智能自提柜的加持下物流配送末端的?wèn)題依然難以完美解決。并且存在著種種難以迅速解決的痛點(diǎn)。目前，這些痛點(diǎn)主要為：

（1）由于道路堵塞，導(dǎo)致的運(yùn)輸不便，進(jìn)而影響了運(yùn)輸效率;由于目前交通流量的不斷增長(zhǎng)，交通壓力驟升，在很大程度上影響到了快遞的陸路運(yùn)輸，而相較于發(fā)展空間廣闊的空中運(yùn)輸，對(duì)空中運(yùn)輸產(chǎn)生的影響微乎其微。

（2）送貨端與顧客端存在嚴(yán)重的時(shí)間沖突，大部分的上班族需要在規(guī)定的時(shí)間待在固定的場(chǎng)所進(jìn)行相應(yīng)的工作，因此難以與配送員進(jìn)行快遞的對(duì)接，而配送員也是按照公司安排的配送時(shí)間進(jìn)行配送，因此在實(shí)踐上造成了沖突。

（3）隨著經(jīng)濟(jì)時(shí)代的生活節(jié)奏愈加迅速，大多數(shù)人更為傾向于網(wǎng)上購(gòu)物，這就直接導(dǎo)致貨物量的驟增，對(duì)于條件艱苦的一線(xiàn)快遞服務(wù)大多數(shù)應(yīng)屆生和往屆生是表示拒絕的。因此造成配送人員供不應(yīng)求。

（4）隨著“豐巢風(fēng)波”的興起，智能快遞柜告別無(wú)限期免費(fèi)暫存，進(jìn)而采取有限的暫存時(shí)間之后進(jìn)行相應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的收費(fèi)。而本項(xiàng)目就是針對(duì)快遞“最后一公里”配送的種種問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)的一款與無(wú)人機(jī)對(duì)接的智能快遞接收終端平臺(tái)。

（5）由于在快遞柜的發(fā)展前期需要投入的成本過(guò)于巨大，快遞柜的盈利模式卻過(guò)于單一，再加上顧客對(duì)于快遞柜收費(fèi)模式不買(mǎi)單。導(dǎo)致大多數(shù)快遞柜企業(yè)入不敷出，根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)計(jì)算，一臺(tái)快遞柜一年的成本在十萬(wàn)元左右。入不敷出之下，智能快遞柜虧損情況仍待解決。

1? 無(wú)人機(jī)停放平臺(tái)介紹

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，智能快遞接收終端平臺(tái)三視圖如圖1、圖2、圖3所示，產(chǎn)品實(shí)物圖如圖4所示。

該裝置平臺(tái)部分的長(zhǎng)為35 cm，寬為30 cm，高為30 cm;右側(cè)控制盒長(zhǎng)為10 cm，最外邊框厚度為0.5 cm，內(nèi)裝置厚度為1 cm;二折滾珠滑軌長(zhǎng)為35 cm，寬為4 cm，高為2 cm，自動(dòng)伸縮裝置長(zhǎng)為10 cm，寬為10 cm，高為2 cm;裝置后部180°可翻動(dòng)擋板長(zhǎng)35 cm，寬為1 cm，高為29 cm;該裝置應(yīng)用到的零件：自動(dòng)伸縮裝置，二折滾珠滑軌，光流傳感器，定位模塊。

本產(chǎn)品圖為初代實(shí)物展示圖，圖中產(chǎn)品處于待機(jī)狀態(tài)，如圖中所示STM32C52單片機(jī)控制中心連接著產(chǎn)品所使用的大多數(shù)的設(shè)備-壓力傳感器、定位模塊、Wi-Fi模組等;并使用可調(diào)電源對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電，使用調(diào)速器對(duì)電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2? 設(shè)計(jì)原理

2.1? 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目針對(duì)物流配送“最后一公里”的痛點(diǎn)問(wèn)題，為解決無(wú)人機(jī)運(yùn)輸配送過(guò)程中人員受地形、交通規(guī)則制約導(dǎo)致貨物運(yùn)送較慢的現(xiàn)象以及快遞員在某些情況下不被準(zhǔn)入高端寫(xiě)字樓的問(wèn)題。本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一種與無(wú)人機(jī)對(duì)接的智能快遞接收平臺(tái)，將物流配送的最后一公里問(wèn)題交給無(wú)人機(jī)去解決，而接收快遞的問(wèn)題則由終端接收平臺(tái)來(lái)解決，通過(guò)一個(gè)與室內(nèi)連通的終端接收平臺(tái)裝置與無(wú)人機(jī)相結(jié)合，使業(yè)主足不出戶(hù)便可接收快遞。

總體思路主要以智能快遞接收平臺(tái)為核心，首先無(wú)人機(jī)在利用GPS與實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控輔助的前提下，尋找顧客所在具體位置，后期在相應(yīng)的路徑學(xué)習(xí)算法與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的加持下，使無(wú)人機(jī)自主巡航定位顧客終端接收平臺(tái)，當(dāng)無(wú)人機(jī)靠近裝置時(shí)，終端平臺(tái)接收無(wú)人機(jī)發(fā)送的Wi-Fi信號(hào)從墻體中緩緩滑出，然后通過(guò)光流定位實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與接收平臺(tái)的感應(yīng)，從而精準(zhǔn)投放快遞，無(wú)人機(jī)投放完畢5秒后向接收平臺(tái)發(fā)送信號(hào)使其自動(dòng)收回室內(nèi)，并給收貨人發(fā)送信息，使快遞得以及時(shí)收取。

2.2? 定位模塊

定位系統(tǒng)模塊是該設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵模塊，由北斗和GPS雙模定位模塊，氣壓值傳感器，溫度傳感器等組成，具有兩大功能：其一，雙模較單模多了一種系統(tǒng)，從而大大提高了定位準(zhǔn)確率;其二，有效地解決了無(wú)人機(jī)配送時(shí)遇到的城市峽谷效應(yīng)等問(wèn)題。

北斗和GPS雙模芯片采用UM220-INS-N芯片，是一款集成基帶芯片和射頻芯片，采集無(wú)人機(jī)配送時(shí)水平位置信息，無(wú)人機(jī)同時(shí)配有氣壓值傳感器，溫度傳感器，接收來(lái)自隨高度變化的氣壓值來(lái)確定高層用戶(hù)的垂直位置，經(jīng)過(guò)水平與垂直的定位來(lái)確定用戶(hù)的位置。

其中，高層用戶(hù)位置定位原理為：

首先，根據(jù)氣壓值隨樓層變化的特點(diǎn)，首先將氣壓值轉(zhuǎn)換成相對(duì)高度，根據(jù)氣象學(xué)，兩個(gè)不同海拔高度處的大氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系可近似描述如式（1）所示。

式中h，h0為氣壓P，P0對(duì)應(yīng)的海拔高度;Rd為氣體常數(shù)Rd=287.052 87 ㎡/（s?K）;T為空氣的熱力學(xué)溫度;g為重力加速度g=9.806 65 m/s?。記h-h₀=?h，?h則表示氣壓為P的水平面到氣壓為P₀的水平面的相對(duì)高度，將溫度T轉(zhuǎn)換成攝氏溫度t，代入相關(guān)參數(shù)值，并以10為底的對(duì)數(shù)表示上式，有式（2）：

式中?=1/237.15^-0C^-1，接下來(lái)就是樓層的估算，用無(wú)人機(jī)采集環(huán)境氣壓值作為起始?xì)鈮褐?，記為P_S;當(dāng)檢測(cè)到升高或降低結(jié)束時(shí)，采集環(huán)境氣壓值作為結(jié)束氣壓值，記為P_E。結(jié)合式（1）計(jì)算無(wú)人機(jī)上升下降期間，在垂直方向上移動(dòng)的距離。根據(jù)建筑物的層高信息，估算樓層的改變量，進(jìn)一步結(jié)合初始樓層信息，則無(wú)人機(jī)當(dāng)前所在的樓層可以被確定，如式（3）：

式中H為無(wú)人機(jī)當(dāng)前所在的樓層，H₁為無(wú)人機(jī)的初始樓層，h₀為建筑物每層的高度。

定位時(shí)常常遇到的城市峽谷效應(yīng)會(huì)影響定位的準(zhǔn)確率，因此可以根據(jù)高樓與衛(wèi)星的高度角和方向角的關(guān)系將非視距衛(wèi)星剔除，再利用算法將位置定位。

本產(chǎn)品采用GPS定位系統(tǒng)，終端快遞接收裝置實(shí)時(shí)將位置信息通過(guò)信息處理器發(fā)送給位于快遞站點(diǎn)的主控芯片，從而幫助快遞員進(jìn)行控制。

2.3? 軟件設(shè)計(jì)

產(chǎn)品通過(guò)編寫(xiě)相關(guān)的軟件程序，將電機(jī)的運(yùn)作頻率通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)滑軌的精確控制。并且利用傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)上限和下限對(duì)傳感器感應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的安全距離限制。通過(guò)設(shè)置傳感器的優(yōu)先級(jí)以及選擇函數(shù)達(dá)到對(duì)對(duì)接時(shí)間的精確控制，保證在最短時(shí)間內(nèi)安全無(wú)誤的完成快遞投遞工作。對(duì)于無(wú)人機(jī)的循跡路徑則需要在后期的項(xiàng)目升級(jí)階段實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)定裝置的自檢程序?qū)τ谠谶\(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的特殊狀況進(jìn)行記錄與改進(jìn)，并通過(guò)報(bào)警程序向控制后臺(tái)進(jìn)行報(bào)備。

以下為紅外傳感器對(duì)無(wú)人機(jī)檢測(cè)的部分程序：

45.? Crc_return_data=cal_crc（mbus_Sendbuf， 5）;? //取得將要發(fā)送數(shù)據(jù)的CRC值46.Crc_buf[0]=（（Crc_return_data >> 8） &0xff）;? //取得CRC值的高8位

47. Crc_buf[1]=（Crc_return_data & 0xff）;? ?//取得CRC值的低8位

48. mbus_Sendbuf[5]=Crc_buf[1];? //CRC值低8位賦值給將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的倒數(shù)第二個(gè)字節(jié)

49. mbus_Sendbuf[6]=Crc_buf[0];? //CRC值高8位賦值給將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的最后一個(gè)

2.4? 硬件電路設(shè)計(jì)

終端平臺(tái)設(shè)備以STM89C52為控制核心，由895電機(jī)、HX711重力傳感器、紅外傳感器、GL9306光流傳感器、Wi-Fi模組、GSM模塊等裝置組成。實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)、位置感知與對(duì)接精準(zhǔn)以及信號(hào)對(duì)接等功能。同時(shí)項(xiàng)目采用了GPS（NEO-7M）與北斗雙定位（ATK1218-BD）系統(tǒng)，將更精確的實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)接收平臺(tái)的定位，并且以多個(gè)紅外傳感器與光流傳感器進(jìn)行輔助，不僅充分實(shí)現(xiàn)了技術(shù)應(yīng)用上的創(chuàng)新，而且實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)精確準(zhǔn)時(shí)的配送，提高了物流服務(wù)水平。部分模塊電路圖如圖5所示。

3? 應(yīng)用前景

本設(shè)計(jì)項(xiàng)目在未來(lái)將嵌入快遞和外賣(mài)配送最后一公里等應(yīng)用場(chǎng)景，融合快遞外賣(mài)等剛需行業(yè)。在未來(lái)國(guó)內(nèi)空域改革、低空逐漸有序開(kāi)放及監(jiān)管水平提升的趨勢(shì)下，無(wú)人機(jī)最后一公里配送功能將廣泛應(yīng)用于高層住宅及寫(xiě)字樓。高空專(zhuān)業(yè)接收平臺(tái)的收發(fā)快遞和接收外賣(mài)的實(shí)現(xiàn)將有效的解決當(dāng)下高層住宅樓、寫(xiě)字樓禁止外賣(mài)人員進(jìn)入與不方便下樓取快遞這類(lèi)問(wèn)題。在將來(lái)高頻率的生活工作節(jié)奏下，此設(shè)計(jì)必將大大提高效率，無(wú)論是在生活還是工作方面都將會(huì)是一個(gè)有力的“聚變反應(yīng)”。

4? 結(jié)? 論

在“5G+物聯(lián)網(wǎng)+人工智能”的時(shí)代，智慧物流不斷發(fā)展，并且用戶(hù)對(duì)智能產(chǎn)品的體驗(yàn)感在進(jìn)一步提高，如何將新興智能產(chǎn)品應(yīng)用于生活是產(chǎn)品不斷改進(jìn)的目標(biāo)之一。本文設(shè)計(jì)的校園智慧物流平臺(tái)，有效提升了校園實(shí)物傳遞系統(tǒng)的信息化水平，降低了經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，提高了工作效率，提高了師生的滿(mǎn)意度和體驗(yàn)感。

綜合來(lái)看，此設(shè)計(jì)在現(xiàn)今的物流配送模式上做出了變革，當(dāng)?shù)谌劫?gòu)物平臺(tái)聯(lián)合商家進(jìn)行大型的商品促銷(xiāo)活動(dòng)時(shí)，超大量的物流量是使各大物流系統(tǒng)癱瘓的重要原因，無(wú)論是在快遞的轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輛上、物流中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)物流倉(cāng)的中轉(zhuǎn)效率、末端快遞的投遞效率上都是難以應(yīng)對(duì)這種物流高峰。這種狀況產(chǎn)生的最終結(jié)果就是使物流末端的快遞站點(diǎn)快遞堆積成山，在每一年的新聞報(bào)道中這種現(xiàn)象已將屢見(jiàn)不鮮，這種現(xiàn)象還會(huì)引發(fā)快遞損壞率提高、快遞丟失率提高等惡性事件的發(fā)生。為此，此平臺(tái)以當(dāng)前的快遞痛點(diǎn)問(wèn)題為切入點(diǎn)，力求在為末端的快遞配送提供一種新型的快遞配送模式。早在2018年我國(guó)民航局發(fā)布了《民用無(wú)人駕駛航空器經(jīng)營(yíng)性飛行活動(dòng)管理辦法（暫行）》為后期的無(wú)人機(jī)配送“保駕護(hù)航”。因此，我們?cè)跓o(wú)人機(jī)配送的支持下利用此平臺(tái)的高空作業(yè)優(yōu)勢(shì)將有效的緩解末端快遞站點(diǎn)的庫(kù)存壓力以及配送人員和設(shè)備不足的問(wèn)題。目前，此平臺(tái)已經(jīng)達(dá)到我們的預(yù)期效果，可以完成基本的快遞接收任務(wù)。程序的運(yùn)行基本沒(méi)有問(wèn)題但對(duì)于多個(gè)傳感器的應(yīng)用優(yōu)先級(jí)問(wèn)題后期還有改進(jìn)的空間，對(duì)于平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于對(duì)于材料的局限性認(rèn)識(shí)，因此對(duì)材料的使用還有改進(jìn)空間。

綜上所述，此設(shè)計(jì)將有效地提升社會(huì)資源的利用效率，推動(dòng)配送行業(yè)最后一公里運(yùn)營(yíng)水平，改善快遞及外賣(mài)末端收貨服務(wù)體驗(yàn)，在未來(lái)配合無(wú)人機(jī)末端配送具有良好的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：張坤（1999—），男，漢族，山東濟(jì)南人，本科在讀，研究方向：航空物流。

收稿日期：2021-04-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（S202010449012）