一種用于物流的多無人機(jī)組合搬運系統(tǒng)

吳紫怡 賴虹羽 楊芃芊 劉奕棣

（北京理工大學(xué)，北京 102488）

0 引言

隨著智能制造和“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出，我國政府推出了一系列標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)融合政策，國內(nèi)物流業(yè)增長迅速。目前，物流業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。然而，龐大的物流任務(wù)數(shù)量給傳統(tǒng)的物流配送方式帶來了巨大壓力。如何發(fā)展自動化、智能化的現(xiàn)代物流配送體系，成為物流運輸產(chǎn)業(yè)迫切需要解決的問題。

近年來，無人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展。目前，無人機(jī)已經(jīng)在許多領(lǐng)域有了重要的應(yīng)用，如軍用無人機(jī)進(jìn)行空中的偵察和配合軍隊作戰(zhàn)、遙感無人機(jī)對森林的火情做出探測并估計、利用無人機(jī)開展攝像錄影等。國內(nèi)外針對無人機(jī)技術(shù)在物流運輸領(lǐng)域的應(yīng)用也有了初步探索——無人機(jī)物流具有距離短、成本低、效率高、實用性強等優(yōu)勢。利用無人機(jī)進(jìn)行物流配送，可使物流配送體系產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?；可以降低成本、提高效率，產(chǎn)業(yè)前景十分廣闊，對國家物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有強勁的推動力。同時，利用無人機(jī)配合地面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和地空配合，也能夠優(yōu)化目前人工配送的一些缺陷。

然而，無人機(jī)在物流方面的應(yīng)用目前依然存在一定的限制因素與困難：對于現(xiàn)行使用的傳統(tǒng)無人機(jī)而言，其自身存在短板，如傳統(tǒng)的小型無人機(jī)航程短、負(fù)載量小，在物流端使用難以應(yīng)對多種物流產(chǎn)品的不同定制要求；而中大型的無人機(jī)由于成本高昂、操作復(fù)雜，難以在民營企業(yè)大范圍推廣。盡管國內(nèi)外都在積極地探索，但是目前大多數(shù)無人機(jī)產(chǎn)品都集中于在開闊地帶進(jìn)行研究型實驗的階段，物流無人機(jī)在實際應(yīng)用中的維護(hù)及空中管理問題亟待解決。針對上述問題，無人機(jī)的協(xié)同和組合運作模式是一種創(chuàng)新的物流運輸方式，可以對現(xiàn)行無人機(jī)的運輸缺陷進(jìn)行改善。在實際的運輸配送環(huán)節(jié)，根據(jù)需要將無人機(jī)拆分或者組合為不同運力程度的運輸單元，利用智能化、自動化的無人機(jī)組合和協(xié)同控制技術(shù)，可以實現(xiàn)無人機(jī)在物流過程中的高效運配和高效管理（見圖1）。

圖1 無人機(jī)組合運作模式

1 多無人機(jī)組合搬運系統(tǒng)

1.1 概念淺析

根據(jù)目前物流領(lǐng)域的實際需求，在技術(shù)層面設(shè)計一種能夠應(yīng)用于物流領(lǐng)域的可在空中組合分離的無人機(jī)。該無人機(jī)能夠攜帶貨物、傳送貨物，通過不同組合方式提高運載能力與效率。該無人機(jī)具備視覺識別系統(tǒng)，可以通過算法實現(xiàn)多架無人機(jī)間的識別與控制對接（類似于空間站的自動對接），達(dá)到操控人員輸入兩個無人機(jī)的對接/分離指令，無人機(jī)即可自動對接/分離。該無人機(jī)具備可靠的對接機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)無人機(jī)對接的硬件保障。對對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能擴(kuò)展，可以實現(xiàn)空中充電、通信等功能。空中組合無人機(jī)與傳統(tǒng)無人機(jī)運輸效益對比如圖2所示。

圖2 空中組合無人機(jī)與傳統(tǒng)無人機(jī)運輸效益對比

以高運輸能力、可在空中組合與分離的無人機(jī)為基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步設(shè)計多無人機(jī)的協(xié)同作業(yè)方式，即多架無人機(jī)交互進(jìn)行作業(yè)的模式（如無人機(jī)間傳遞貨物、通過組合分離交替作業(yè)），以此來提高無人機(jī)在物流運輸領(lǐng)域的工作能力與應(yīng)用可能性，達(dá)成運力的優(yōu)化配置，避免無人機(jī)資源的浪費。在物流運輸領(lǐng)域，亦可設(shè)計具有不同功能的物流原子機(jī)，組合飛行至任務(wù)場地后分離，各司其職。并在配送網(wǎng)絡(luò)中依照需求不斷進(jìn)行組合與分離，彌補單無人機(jī)的功能唯一性，實現(xiàn)配送高效暢通。

1.2 物流原子機(jī)視覺與控制系統(tǒng)

在物流原子機(jī)視覺與控制系統(tǒng)中，應(yīng)用機(jī)載計算機(jī)通過外圍接口連接飛控板和攝像頭，并在ROS框架下實現(xiàn)串口連接通訊。采用GPS導(dǎo)航+單目視覺識別定位的方法保證物流原子機(jī)之間的相對位置，以實現(xiàn)后續(xù)的精準(zhǔn)對接。

無人機(jī)在遠(yuǎn)距離條件下難以進(jìn)行視覺識別精準(zhǔn)定位，此時通過GPS確定兩物流原子機(jī)的位置并進(jìn)行導(dǎo)航，將相對距離縮短。當(dāng)兩原子機(jī)靠近時，利用附于物流原子機(jī)機(jī)身上的特殊圖像（見圖3），另一架無人機(jī)上的機(jī)載計算機(jī)采用快速橢圓檢測算法初步識別目標(biāo)，快速有效地確定圖像在三維坐標(biāo)下的位姿，并將位姿信息傳輸至自身的飛控板上，再結(jié)合串級PID控制得到具體的控制指令。在相關(guān)控制指令輸入電機(jī)與螺旋槳后，電機(jī)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生拉力與力矩，從而改變無人機(jī)的位置與姿態(tài)，使無人機(jī)完成定點控制，到達(dá)預(yù)定的目的地，循環(huán)往復(fù)直到兩無人機(jī)成功組合。視覺識別圖像效果圖如圖4所示。

圖3 無人機(jī)上的特殊圖像

實驗過程中，也可考慮將視覺傳感器采集的圖像信息通過WiFi回傳到地面的控制站再做數(shù)據(jù)處理，以此驗證算法的可行性。機(jī)載計算機(jī)進(jìn)行對接控制流程圖如圖5所示。

圖5 機(jī)載計算機(jī)進(jìn)行對接控制流程圖

1.3 物流原子機(jī)空中對接

無人機(jī)對接組合的實現(xiàn)，主要決定于對接機(jī)構(gòu)的設(shè)計。對接機(jī)構(gòu)內(nèi)部可采用磁鐵吸引式對接，即通過控制電磁鐵電流改變磁力實現(xiàn)模塊化無人機(jī)間的組合和分離。同時，設(shè)計結(jié)構(gòu)以擴(kuò)大對接面積、引導(dǎo)無人機(jī)對接，從而降低對無人機(jī)視覺識別定位精度上的要求，并且可以配合以特定的機(jī)械輔助鎖定結(jié)構(gòu)保證對接穩(wěn)定。無人機(jī)對接機(jī)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 無人機(jī)對接機(jī)構(gòu)示意圖

在上述實現(xiàn)基本對接功能的對接機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，對對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能拓展，可以進(jìn)一步實現(xiàn)無人機(jī)間的充電和通訊功能。

1.4 運輸與組合無人機(jī)協(xié)同控制

針對無人機(jī)運輸貨物的要求，在無人機(jī)底部添加多個位置對稱均布的掛鉤（見圖7），通過掛鉤對貨物進(jìn)行取卸。也可在無人機(jī)底部設(shè)計電磁吸盤，通過吸盤與貨物上磁鐵等特殊材料的電磁作用，使無人機(jī)實現(xiàn)其物流功能。

圖7 在無人機(jī)底部添加貨物掛鉤

對于不同的貨物體積和重量，采用不同數(shù)目的物流原子機(jī)組合來對貨物進(jìn)行運輸，以此改善小型無人機(jī)載重低的問題。

對接及控制技術(shù)進(jìn)一步突破后，可以實現(xiàn)多無人機(jī)組合飛行（見圖8），僅由部分專門負(fù)責(zé)“飛行”的無人機(jī)提供飛行動力，運輸貨物的無人機(jī)暫不提供飛行動力。到達(dá)距各戶主家位置折中較近的地點后，多無人機(jī)分離，運輸貨物的無人機(jī)按照貨物收貨點抵達(dá)各戶主家完成送貨。

圖8 多無人機(jī)組合飛行

同時，亦可設(shè)計一種機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，使攜帶貨物的無人機(jī)能夠于空中從掛鉤上卸下貨物，將貨物傳遞給另一架臨近無人機(jī)（見圖9），以實現(xiàn)物流運輸線上的無人機(jī)交接作業(yè)，增加飛行里程。

圖9 無人機(jī)間傳遞貨物示意圖

2 結(jié)語

無人機(jī)于物流領(lǐng)域的應(yīng)用前景光明，但應(yīng)用的實現(xiàn)尚存問題。設(shè)計一種可在空中進(jìn)行組合分離的物流無人機(jī)，可以使物流無人機(jī)的現(xiàn)存問題得到改善。通過創(chuàng)新對接機(jī)構(gòu)、貨物運輸裝置設(shè)計，配合以特殊的圖像對接標(biāo)識和基于特定算法的視覺導(dǎo)航，輔之以多無人機(jī)協(xié)同控制方法，可以設(shè)計出具有更高物流本領(lǐng)的物流無人機(jī)組合搬運系統(tǒng)。若能良好利用該系統(tǒng)設(shè)計、掌握發(fā)揮無人機(jī)空中優(yōu)勢的方法并克服其弊端，無人機(jī)技術(shù)在物流運輸領(lǐng)域的應(yīng)用將大有可為。