基于Pixhawk 及Arduino 高原物流空地配送的研究與設(shè)計

張智淇 蔣超 龔栩 王辛巖 胡恒瑋

西藏大學 西藏拉薩市 850000

1 引言

在物流整體配送流程中，最后一公里配送環(huán)節(jié)所占的運輸時間和配送成本高達 30%和 50%。配送需求劇增、人力成本飆升、服務(wù)場景復(fù)雜。無人機因其靈活部署、高效運輸、高速飛行的特點，在最后一公里配送場景中具有得天獨厚的優(yōu)勢。無人機以其輕便、靈活、易于控制等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于物流最后一公里配送場景，大大降低了時間和人力成本，并且可利用在送達急需品領(lǐng)域。高原地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，氣候條件惡劣，物流空地結(jié)合配送可以有效的提高效率，并且?guī)游锪鳟a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，兩全其美。完成城區(qū)送貨到樓及偏遠地區(qū)克服地形問題的配送。利用該模式靈活、快速的特點，也可用于急需用品的配送。通過算法實現(xiàn)優(yōu)化無人配送的配送路徑避免無人配送路途中可能發(fā)生的意外事故。

2 高原地區(qū)典型的地域特點

青藏高原是中國最大、世界海拔最高的高原，它大部分在中國西藏自治區(qū)和青海省，占全中國23% 的面積。西藏自治區(qū)的地貌基本上可分為極高山、高山、中山、低山、丘陵和平原等6 種類型，還有冰緣地貌、巖溶地貌、風沙地貌、火山地貌等。西藏地貌大致又可分為喜瑪拉雅山區(qū)，藏南山原湖盆谷地區(qū)，藏北高原湖盆區(qū)和藏東高山峽谷區(qū)。其中該地區(qū)人口主要分布在湟水谷地、雅魯藏布江谷地，多呈條帶狀。本項目的高原物流空地配送主要面向復(fù)雜的城區(qū)環(huán)境以及廣闊偏遠的牧區(qū)環(huán)境。以拉薩城區(qū)為例，交通情況復(fù)雜、人口密集、不定因素多、配送方式不便等等是城區(qū)配送的特點；以人與機代替人與人配送，在降低成本的條件下減少了人與人之間的接觸機會，在一定程度上減少了病毒的傳播。以阿里牧區(qū)為例，地形復(fù)雜、人口稀少、氣候環(huán)境多變、配送路途遙遠等等是牧區(qū)配送的特點。本項目在運行過程中需要強大的導航系統(tǒng)和環(huán)境應(yīng)變能力，同時還要保障配送物品的安全與質(zhì)量。

3 民用無人機

民用無人機，是指除國家無人機（軍用、警用、海關(guān)海事等）外，能在民用領(lǐng)域從事航空活動的無人機。隨著無人機技術(shù)逐漸成熟，制造成本和進入門檻低，無人機的市場正逐漸爆發(fā)。目前，民用無人機主要在為航拍攝影、環(huán)境監(jiān)測、快遞送貨等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著不可或缺的作用。

4 配送小車

小車面對的地面環(huán)境相對于無人機面對的空中環(huán)境簡便，小車在地面需要及時避讓地面的障礙物，同時利用GPS 跟蹤路線、規(guī)劃最優(yōu)路線，實現(xiàn)減少能耗和避免沖突。但是在地面也存在很多問題亟待解決，西藏山高地面崎嶇不平，沒有充足的能源和強勁的馬力，很難及時送達甚至丟失貨物迷失野外；當無人機帶上貨物與小車飛躍不可避免的障礙物時，整體的重量不能過重。

5 連接框架及載物筐

純鋁的密度低，塑性優(yōu)秀，成本較低，但強度不高。作為航空應(yīng)用，低密度材料的選擇是增加有效載荷的重要方法，鋁是一個好的選擇。但其強度的提高需要合金化。高強度鋁合金具有密度小、強度高、加工性能好及焊接性能優(yōu)良等特點。被廣泛地應(yīng)用于航空工業(yè)及民用工業(yè)等領(lǐng)域，尤其在航空工業(yè)中占有十分重要的地位，是航空工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料之一?？紤]到成本問題，我們采用了7075 鋁合金包裹3003 鋁合金的形式，7075 合金屬冷處理鍛壓合金，其強度遠超于軟鋼，是商用最強力合金之一，而3003 鋁合金耐腐蝕性強，焊接性良好，二者相結(jié)合十分契合西藏自治區(qū)的晝夜溫差巨大的高原環(huán)境。

6 整體空地配送的構(gòu)件圖

圖1

7 對飛行器起輔助作用的元器件

飛控作為起到對飛行器輔助作用的元器件，能夠?qū)o人機的空控系統(tǒng)進行管理控制。Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。本項目高原特種無人機的物資投放，利用Pixhawk 及Arduino 的交互實現(xiàn)高原物流空地配送，提高配送效率和準確性。

圖2 實驗所用無人機Pixhawk系統(tǒng)

8 路徑優(yōu)化系統(tǒng)

本項目的無人機掃描三維成像的路徑優(yōu)化系統(tǒng)能夠支持路徑優(yōu)化服務(wù)。該系統(tǒng)開發(fā)的功能包含了：（1）云臺控制。（2）端口設(shè)置。（3）航拍基本設(shè)置。（4）手動控制。（5）軟件運行穩(wěn)定無插件。具有多種安全訪問控制機制，同時支持多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因為軟件實時性優(yōu)，備份數(shù)據(jù)庫時刻獲得最新的更新數(shù)據(jù)。擁有自己獨立的模板數(shù)據(jù)，通過模板來控制規(guī)則模板數(shù)據(jù)、任務(wù)模板數(shù)據(jù)。依照模板來控制能夠更有效，更準確的控制數(shù)據(jù)。

用于操作無人機的手機操作系統(tǒng)，自帶衛(wèi)星地圖、無人機定位及多個實時參數(shù)（圖3）。

圖3

9 物資投放系統(tǒng)

基于高原特種無人機的物資投放信息系統(tǒng)可支持物資投放信息服務(wù)，該系統(tǒng)開發(fā)的功能包含了：（1）燒錄界面。（2）固件升級。（3）無人機物資投放。（4）飛控設(shè)置。軟件能夠自動完成用戶輸入的參數(shù)指令。擁有自己獨立的模板數(shù)據(jù)，通過模板來控制規(guī)則模板數(shù)據(jù)、任務(wù)模板數(shù)據(jù)。依照模板來控制能夠更有效，更準確的控制數(shù)據(jù)。

10 未來社會效益以及發(fā)展前景的分析

近年來，在線購物人數(shù)逐漸增多，訂單量也隨之增加。在2018 年11 月11 日，淘寶平臺全天的物流訂單達到10 億，這一數(shù)據(jù)在2019 年超過了12.92 億。物流企業(yè)需要在規(guī)定時間內(nèi)完成全部訂單的配送工作。在整體配送流程中，最后一公里配送環(huán)節(jié)所占的運輸時間和配送成本高達30%和50%。配送需求劇增、人力成本飆升、服務(wù)場景復(fù)雜。無人機因其靈活部署、高效運輸、高速飛行的特點，在最后一公里配送場景中具有得天獨厚的優(yōu)勢。無人機以其輕便、靈活、易于控制等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于物流最后一公里配送場景，大大降低了時間和人力成本，并且可利用在送達急需品領(lǐng)域。高原地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，氣候條件惡劣，物流空地結(jié)合配送可以有效的提高效率，并且?guī)游锪鳟a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，兩全其美。利用該模式靈活、快速的特點，也可用于急需用品的配送。通過算法實現(xiàn)優(yōu)化無人配送的配送路徑避免無人配送路途中可能發(fā)生的意外事故。未來對于物流市場一定會進行一次技術(shù)改革，將人工配送逐漸淘汰，減少人工成本，進行產(chǎn)業(yè)升級；同時近年兩會代表不斷提到快遞的“最后一公里”問題，說明解決快遞的“最后一公里”問題是十分重要的。小車加無人機的聯(lián)合配送的方式能夠大大減小配送人員的配送風險、同時能夠有效解決牧區(qū)藏民與外交流困難的問題；同時陸空兩棲的配送模式對西藏復(fù)雜地形的適應(yīng)程度更高，將部分急需的貨物快速有效送入牧區(qū)；也實現(xiàn)了快遞的“最后一公里”，為貨源公司和配送員帶來便利，方便藏民生活；因為小車加無人機的配送具有及時性和快速性以及廣泛性，對于部分緊急物品貨物配送也多了一種解決方案，豐富配送方式。

11 結(jié)語

當前無人機領(lǐng)域與市場廣泛，同時無人機對于不同領(lǐng)域的使用也在不斷深化?；赑ixhawk 及Arduino 的高原物流空地配送，不僅僅需要無人機與小車智能有效地結(jié)合，還需要不斷的研究深入。高原物流配送這一部分，大部分城市都處于剛剛萌芽起步階段，大部分都是由人工完成，高原物流配送還有這巨大的潛力。在研究高遠物流配送的同時，還要結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展情況以及高原實際情況，做到真正適用于高原地區(qū)，促進西藏發(fā)展。