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

      2023-03-29 09:38:34張智淇蔣超龔栩王辛巖胡恒瑋
      時代汽車 2023年7期
      關(guān)鍵詞:空地小車高原

      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。

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