基于Pixhawk 高原物流無人機＋小車配送方式的研究與設(shè)計

王辛巖，張智淇，張 翔，龔 栩，郎 春 （西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

近年來，隨著電子商務(wù)行業(yè)的飛速發(fā)展，線上購物已經(jīng)成為時代的熱潮，尤其在近兩年來各大電商平臺爭相舉辦線上購物銷售活動，啟用優(yōu)惠、直播帶貨等方式，2022年，淘寶平臺一年的成交額達到了137 900億元，較2021年同比增長4%。面對如此巨額的交易量，物流企業(yè)需要在規(guī)定時間內(nèi)完成全部訂單的配送，需要完成巨額的配送任務(wù)，需要大量的人力，這就對成本提出了較高的要求，此時，無人機作為一種新型配送工具起到了舉足輕重的作用。相比于地面運輸無人機具有方便高效、節(jié)約資源等優(yōu)點，在一些交通癱瘓路段、區(qū)域以及部分偏遠的區(qū)域，合理利用低空資源可以有效地減輕地面交通的負擔。在物流行業(yè)中，人工短缺問題一直也是制約物流業(yè)發(fā)展的一大因素，無人機作為物流機械化的代表，能在盤點、運輸和配送等環(huán)節(jié)中得到最大限度的開發(fā)和利用，可以與其他作業(yè)形式銜接配合，在科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)+無人機的技術(shù)與方式，實現(xiàn)產(chǎn)能協(xié)同和配送優(yōu)化。

1 現(xiàn)階段無人機發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今，商用無人機在低空領(lǐng)域的技術(shù)和成本的突破，即將開啟一個新的商業(yè)狀態(tài)，為人們的生活帶來巨大的改變。在國外，歐美國家對無人機領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用非?；钴S，無人機技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在民用領(lǐng)域，歐美國家無人機的應(yīng)用主要集中在配送、工業(yè)、建筑和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，例如風力發(fā)電機的巡檢、橋梁和高樓的檢查等。同時，無人機技術(shù)還在不斷創(chuàng)新，如使用傳感器和機器學(xué)習技術(shù)實現(xiàn)自主飛行、使用太陽能電池板實現(xiàn)長時間飛行等。在國內(nèi)，隨著近年來政府對無人機產(chǎn)業(yè)的重視和扶持，中國的無人機產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，無人機已經(jīng)成為多個領(lǐng)域的必備工具，中國成為全球最大的無人機生產(chǎn)和消費市場之一。國內(nèi)也開發(fā)了一系列高性能無人機，如彩虹系列、翼龍系列、鯤鵬系列等。在民用領(lǐng)域，中國的無人機應(yīng)用范圍正在不斷擴大，涵蓋了航拍、電力巡檢、農(nóng)業(yè)植保、物流配送等多個領(lǐng)域。近年來，中國的無人機企業(yè)不斷涌現(xiàn)，見圖1、圖2，如大疆、中國航發(fā)、中航工業(yè)等，成為了世界知名的無人機制造商。總體來看，無人機在國內(nèi)外的發(fā)展前景十分廣闊，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷拓展，無人機將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為各行各業(yè)提供更加高效、精準、安全的解決方案。同時，無人機的應(yīng)用也需要加強法規(guī)制定和管理，確保其安全性與合法性。

圖1 各品牌無人機銷量占比

圖2 2018—2021 年注冊無人機數(shù)量

2 青藏高原獨特的地域地勢

青藏地區(qū)平均海拔在4 000米以上，有“世界屋脊”之稱。青藏高原東西長約2 800千米，南北寬約300千米～1 500千米，總面積約250萬平方千米，地形上可分為羌塘高原、藏南谷地、柴達木盆地、祁連山地、青海高原和川藏高山峽谷區(qū)6個部分。西藏牧區(qū)是我國最大的高寒草甸草原畜牧區(qū)，富有獨特的高寒農(nóng)業(yè)特色。全自治區(qū)共有天然草場近8 267萬公頃，其中可利用的草場有5 646萬公頃，約占全國的1/5。在廣袤且基本無障礙物的邊遠牧區(qū)，無人機可供飛行的距離相對較大且安全性較高。

3 無人機＋配送小車組合配送方式的可行性

高原擁有廣闊的地域供無人機飛行和小車移動，基于無人機掃描三維成像的路徑優(yōu)化系統(tǒng)可支持路徑優(yōu)化服務(wù)，見圖3，該系統(tǒng)開發(fā)的功能包含：云臺控制；端口設(shè)置；航拍基本設(shè)置；手動控制。軟件運行穩(wěn)定無插件，下載后便可直接使用。擁有多種安全訪問控制機制，同時支持多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。軟件實時性強，備份數(shù)據(jù)庫時刻獲取最新的更新數(shù)據(jù)。且可同時在PC端和手機端實時觀測無人機的所在位置及周邊處境等信息[1]，見圖4、圖5。

圖3 無人機Pixhawk 原理圖

圖4 電腦端實時監(jiān)測無人機位置圖像

圖5 實驗所用無人機

配送小車由Arduino開發(fā)，具有簡單的緊急避險功能，兩者采取相結(jié)合的方式，以在能量消耗方面達到最優(yōu)。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可得出無人機懸停時[2]，電機所需提供的最大拉力Lmax。

設(shè)懸停狀態(tài)下單個電機的拉力為Lα，式中α為安全裕量，在實際應(yīng)用中α一般大于或等于0.3。

如表1所示，如此可得出無人機在懸停狀態(tài)下的最大拉力為5 720g。

表1 四旋翼無人機采用配件

4 配送筐的設(shè)計

針對西藏地區(qū)多變且氣溫波動大的天氣，選取適宜的配送筐包裹材料顯得尤為重要，現(xiàn)對三種材料進行研究。第一種，橡塑海綿，其導(dǎo)熱系數(shù)低，具有細致的獨立氣泡結(jié)構(gòu)，無空氣對流，完全閉孔結(jié)構(gòu)，絕熱效果持久且良好。在89 ℃以上、-60 ℃以下環(huán)境中物理性質(zhì)不會發(fā)生變化，不吸水，不凝露，使用壽命長。第二種，巖棉保溫氈，以玄武石及其他天然礦石等為主要原料，經(jīng)高溫熔融而成纖，加入適量粘接劑加工而成，也是導(dǎo)熱系數(shù)低的一種優(yōu)質(zhì)隔熱保溫材料。第三種，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，是一種新型高分子合成材料，具有重量輕、比強度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、隔熱性能好等優(yōu)點，是一種應(yīng)用很廣的保溫材料。在西藏晝夜溫差大、紫外線強烈、多雨多雪多冰雹的自然條件下，應(yīng)選擇合適的包裹材料。

5 無人機配送的前景分析及發(fā)展意義

在不久的將來，無人機送貨無疑會成為一種高科技且令人興奮的物流解決方案，能夠大幅減少交通擁堵、事故和溫室氣體排放。無人機配送可以大幅提高物流配送的效率，減少配送時間和成本。無人機可以在人力難以到達的地方進行配送，如山區(qū)、島嶼、雪山等，提高了配送的覆蓋范圍和效率。無人機配送可以減少人力和物力成本，使配送成本降低。無人機配送還可以減少配送過程對道路和交通的依賴，減少了交通擁堵和污染問題。無人機配送可以實現(xiàn)24小時不間斷配送，為消費者提供更加方便快捷的服務(wù)。特別是在緊急救援、醫(yī)療配送等方面，無人機配送可以大幅提高配送的效率和準確性。無人機配送離不開多個領(lǐng)域的技術(shù)支持，如航空、通信、控制等，可以促進技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。無人機與騎手是協(xié)同關(guān)系，是對現(xiàn)有人力的補充。然而，盡管它看起來極具吸引力，但我們絕不能輕易忽視其中潛在的安全風險。作為一種新興的物流方式，無人機送貨在其發(fā)展進程中面臨著一些關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)。安全問題是其中首要的挑戰(zhàn)，無人機在復(fù)雜的空中環(huán)境中飛行，可能會遭遇各種意想不到的風險，如惡劣天氣、電線、高樓等，也可能碰撞到其他飛行器或鳥類；而且，無人機還需要解決自身的技術(shù)挑戰(zhàn)，比如穩(wěn)定性、電池續(xù)航能力、抗干擾能力、載重能力等；此外，無人機的防御性也存在漏洞，在運輸過程中，無人機可能會面臨各種安全威脅，如黑客攻擊、信號干擾或惡意捕獲等。因此我們需要更好的技術(shù)來提升無人機的各項能力，需要更強的防護措施來防范黑客攻擊，還需要更完善的隱私保護政策，來確保無人機物流更安全、高效地發(fā)展[3]。