用于物流配送的四旋翼无人机设计

用于物流配送的四旋翼无人机设计

黄伟1，翟宏磊1，许晧阳2

（1华北理工大学以升创新实验基地，河北唐山063210；2华北理工大学电气工程学院，河北唐山063210；）

摘要：为实现在快递最后一段路的区域性配送，缓解由于交通、人力带来的配送压力，选用市场上现有的四旋翼无人机对其进行优化设计，由已投入使用的大疆无人机和京东快递无人机的研究，对四旋翼无人机的重要机械结构，及其他硬件和控制系统进行了优化设计。针对快递投递流程，选用了一种基于无人机的快递投递系统，与物联网相结合，可降低成本，提高效率，保障快递的安全性和隐私。

关键词：物流配送，四旋翼无人机，机械结构，快递投递，区域性

0引言

四轴飞行器具有体积小，重量轻，灵活性强的优点。[1]在快递投递等包裹运输方面，无人机具有非常大的使用空间，改进后的四旋翼无人机可进行高空自主巡航，达到目的地高空后转为人工遥控，并通过云传输飞行器上的摄像头图像到操作人员前的屏幕，在异常情况发生时或在上位机处理下也可针对局部进行监控，在快递行业飞速化发展的今天，可负载一定重量，具有物联网获取信息功能，抗干扰（包括抗风、壁障等）较强，可实现智能化包裹运输的自主巡航四轴飞行器，拥有十分广阔的市场空间。

1快递配送系统设计

现有的快递投递方式多存在人力耗费过高、丢件频繁、隐私泄露等问题。四旋翼飞行器的设计过程中，通过与其他快递投递系统比对，采用了一种基于无人机的快递投递系统，包括：

（1）地面控制中心用于处理快递申请及快递投递业务；

（2）无人机组用于接受地面控制中心统一调配，向智能快递柜投递快递；

（3）智能快递柜网覆盖某一区域，保障该区域的快递的存取功能。

快递公司把快递参数发送给地面控制中心进行评估，为无人机生成具体的快递柜及存储隔间。地面控制中心为无人机生成任务航线无人机锁定快递后，按航线起飞，无人机若遇到障碍物，进行避障，当航线发生偏差时，地面控制中心重新为无人机生成航线；无人机到达目标快递柜附近时，进行验证通信验证，通过时若智能快递柜空闲，无人机进入投递模式，若智能快递柜繁忙，无人机进入等待队列，直至智能快递柜处理完本快递为止；无人机进入投递模式后，切换到视觉定位的模式，定位成功后，智能快递柜上的电子门开启，无人机进行快递投递完后，智能快递柜上的电子门关闭，智能快递柜通过传输带把快递传输到分配好的存储隔间，存储隔间存储状态进行相应更新，智能快递柜生成提取码发送给用户，供用户凭提取码进行取件无人机返航，本次投递完成[2]。

2无人机模块的设计

2.1系统体系结构设计

四旋翼飞行器具有两种飞行模式:+模式和x模式，x模式与+模式相比，横向尺寸更小，可以通过更小的区域，飞行机动时4个电机同时改变转速，运动更加灵活、飞行速度更快。但模式分析和控制起来都更加简单，因此采用+模式作为飞行模式。

无人机的中央机身可设计为蛋壳外形，薄壳结构，具有压差阻力小的优良气动性能，整体结构不仅强度高、稳定性佳、容积大，而且也十分轻盈。该机身分成上下两部分：上半机身为设备舱，舱内安装有通信导航系统和控制装置；下半机身为载荷舱，能够容纳1.5kg以内的物品[4]。

飞行器工作环境多为居民区，飞行环境较为复杂。为防止低空飞行可能发生的危险，对飞行器旋翼做罩铁丝网的保护处理，并开启避障功能。[3]

2.2硬件系统设计

硬件系统主要包括飞行器平台、微控制器最小系统、无线遥控接收系统、动力系统、供电系统和传感器模块等几个部分。各部分主要功能介绍如下：

(1).飞行器平台是其他所有部分的载体；

(2).微控制器最小系统是核心部分，起到数据处理和协调控制其他部分的作用；

(3).无线遥控接收系统用于飞行器进行远程遥控操作；

(4).动力系统由电机及驱动器和螺旋桨组成，作用是为飞行器提供足够的推进力；

(5).传感器模块为飞行器提供姿态、高度和GPS定位等信息、是飞行器姿态、位置控制系统的重要组成部分。

2.2硬件选材及电路设计：

本设计中飞行器微处理器模块选用ARMCortex-M3内核的STM32F103C8T6，它的时钟频率可以达到72MHz，并且拥有IIC总线接口、JTAG接口、SPI接口、AD采集接口、多路PWM输出和多个串口，便于多样化传感器的挂接和程序的下载与调试。此微控制器具有8个定时器，对于信号采集和PWM输出均能满足是一款专门针对嵌入式应用开发的高性能控制器内核。

2.3电机选择

航模中常用的电机主要有刷直流电机和无刷直流电机两种，前者成本低、控制简单，但重量大且寿命短；后者成本高、控制复杂，但重量轻且寿命长，而且效率高于前者。相同体积的无刷直流电机功率远远高于有刷直流电机，因此可以不经减速直接驱动螺旋桨。

2.4球形传感器设计

对市场上四旋翼无人机所采用的传感器进行比较，选用了球形传感器，技术特点包括：

（1）整合性6轴运动处理组件MPU6050，加速度计和陀螺仪一体化。

（2）电子罗盘HMC5883，对惯性导航系统进行姿态校准。

（3）气压计BMP085，飞行器高度大于5M时的飞行高度感知。

（4）超声波测距器HC-SR04，飞行器高度小于5M时的飞行高度感知。

经实验验证后，与所需条件相符。

2.5控制系统设计

飞行控制代码采用基于STM32单片机的匿名开源飞控或者基于AVR的WMC飞控，先通过解读姿态传感器传回的飞行姿态数据，通过滤波、姿态角解算和负反馈控制电机转速等算法，初步实现飞行器的起飞和控制。后期会在飞行器底端加入三自由度机械臂，以飞行器底端中心为坐标原点建立三维空间，通过解算每个自由度旋转角度和末端在三维空间的坐标关系，达到较精确拾取运载物的目的。

定位飞行时，通过串口GPS模块实时发回的坐标数据，感知飞行器所在位置，提前设定充电桩位置和运载物目的地等信息，当到达目的地上空时，转换自动飞行模式为人工远程遥控，如果采用高质量无线数据传输模块，遥控距离可达1000米以上的距离，如果采用SIM模块使飞行器通过GPRS网络与控制端通信，则不受距离约束，视实际需要而定，达到自动巡航和人工卸货的目的。

3主要硬件与功能特性

基于以上设计，此四旋翼无人飞行器机器人的功能特性如下：

1.四轴飞行器拥有物联网功能、负载能力、快速移动和可避障能力。

2.飞行器在定点飞行时，具备抵抗人为轻推、三级风力的性能。

3.鉴于大多数快递包裹在1KG以下，此飞行器至少有1KG的负重飞行能力。

4.物联网响应速度及时并可靠，图像传输帧率不低于8FPS，数据传输通过特定编码具有验错功能。

5.避障相应迅速，对于行人或者电线应有可靠的感应，巡航时高空飞行避免障碍。

结语

综上所述，本文设计的自动化无人机快递系统利用无人机替代人工投送快递，旨在实现快递投送的自动化、无人化、信息化，提升快递的投递效率和服务质量，以便缓解快递需求与快递服务能力之间的矛盾，使快递的投送更加的安全、可靠、快捷。

本论文受资助于华北理工大学大学生创新创业训练计划项目（X2018372）。

参考文献

[1]林鹰.无人机进军空中快递业[J].交通与运输,2014,20(01):41-42.

[2]邓扬,何军,李奇.自动化无人机快递系统的研究与设计[J].计算机光盘软件与应用,2014,17(12):102-104.

[3]杜洋,刘洪辰.自动化无人机快递配送系统研究[J].科技传播,2016,8(10):96-97.

[4]洪宸,付仲良.民用无人机在物流配送行业中的分析与设计[J].内燃机与配件,2018(02):200-202.