物聯(lián)網(wǎng)背景下基于人工勢場法和雙目視覺的城市無人機配送補貨研究

王子怡，劉 喆，李玉婉，陳 淼，韓 霖，張 亮（通信作者）

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 山東 榮成 264300）

0 引言

目前，由于城市交通擁堵，如何提高同城物流配送效率成為人們關(guān)注的焦點。在我國，通常對戶外售貨機制定最優(yōu)的補貨周期和策略，并安排工作人員手動補給貨物，但這種做法效率低下。近年來，隨著城市“智慧化”發(fā)展，各類依托萬物互聯(lián)的先進設(shè)備正在逐漸替代傳統(tǒng)人工。其中最具代表性的當(dāng)屬無人機設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用。截至2023 年11 月，美團無人機已經(jīng)在深圳開通近20 條航線，并完成了約21 萬個配送訂單，不僅印證了無人機能夠提高運營效率的設(shè)想，也為無人機設(shè)備在物流領(lǐng)域的應(yīng)用提供了各種新的可能性。未來隨著深度學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)，無人機設(shè)備將在戶外售貨機補貨和快遞配送領(lǐng)域進一步發(fā)展，讓城市物流體系實現(xiàn)“更快”“更準(zhǔn)”“更有序”的巨大轉(zhuǎn)變，以提高城市運營效率。

1 人工勢場法和雙目視覺相關(guān)概念

1.1 人工勢場法

人工勢場法是一種機器路徑規(guī)劃算法，通常應(yīng)用在飛行設(shè)備領(lǐng)域，為無人機的飛行航線進行規(guī)劃，幫助無人機在飛行過程中更好地規(guī)避障礙。其根據(jù)無人機飛行環(huán)境形成引力和斥力虛擬勢場，兩者疊加形成人工勢場。運動的設(shè)備可以看作在勢場中運動的質(zhì)點，利用質(zhì)點在勢場運動的原理，飛行設(shè)備能夠依靠人為規(guī)劃好的路徑安全地從起點到達終點。

1.2 雙目視覺

雙目視覺是讓機器設(shè)備獲得能夠感知三維世界能力的人工智能算法。人類兩只眼睛看向某目標(biāo)物時存在視差，人們因此感知到三維世界。視差是指兩個有距離的點對同一目標(biāo)物觀察時產(chǎn)生的方向差異［1］。利用獲得觀察的視差角度和基線長度，就可以計算出目標(biāo)和觀測者之間的距離。將這一原理應(yīng)用在機器上，可以通過為其安裝兩個攝像裝置來模擬人眼的功能，獲得相關(guān)圖像信息，計算設(shè)備與障礙物的距離，以實現(xiàn)更好的軌跡規(guī)劃。

2 當(dāng)前物流配送和設(shè)備補貨存在的問題

2.1 人工配送和補貨效率低，成本高

企業(yè)為了縮減開支，會削減人工配送員的數(shù)量，導(dǎo)致配送員個人的配送任務(wù)加重。首先，由于每一位配送員的配送速率固定，配送任務(wù)的加重會導(dǎo)致整體物流的配送效率變低，從而導(dǎo)致補貨不及時等問題的出現(xiàn)。其次，由于企業(yè)物流信息存在更新不及時的問題，物流配送人員難以精確跟進物流情況，從而存在配送錯誤率，影響配送效率［2］。除此之外，人工配送在配送范圍方面存在局限性，偏遠區(qū)域難以送達，易造成補貨不及時的問題。從主觀角度分析，人工配送具有一定的隨意性。為了保證配送服務(wù)的公開透明并規(guī)避潛在的安全風(fēng)險，物流企業(yè)需要進行統(tǒng)一管理和規(guī)范。對于企業(yè)而言，這是一項不可忽視的成本開支。

2.2 企業(yè)物流管理體系建設(shè)不夠完善

由于對物流管理體系的重視度不足，許多中小型企業(yè)仍采用傳統(tǒng)物流模式。傳統(tǒng)物流模式具有隨意性和臨時性的特點［3］。具體體現(xiàn)為：在物流儲存方面，庫存積壓，庫存信息更新不及時，從而導(dǎo)致企業(yè)倉儲成本增加。此外，物流相關(guān)部門在物流環(huán)節(jié)上采用傳統(tǒng)模式，依靠人工層層審批，各部門之間缺乏有效的溝通協(xié)作。多數(shù)中小型企業(yè)仍然僅僅依靠自身的物流體系，而非選擇專業(yè)、先進的第三方物流體系。然而，企業(yè)自營的物流設(shè)施利用率并不高，增加了企業(yè)的物流管理成本，企業(yè)自身競爭力較低。

3 針對自動售貨機補貨和物流配送效率的改進建議

3.1 加大無人機在補貨和物流配送領(lǐng)域的應(yīng)用

無人機在補貨和物流配送領(lǐng)域要解決的問題主要有路徑規(guī)劃、機器通信和機身改進三大方面。

3.1.1 無人機路徑規(guī)劃

無人機路徑規(guī)劃是指在給定的環(huán)境中通過算法確定無人機運動的路徑。無人機路徑規(guī)劃的目的在于無人機能夠高效地、安全地到達目標(biāo)點，避免與障礙物和其他飛行器相撞，并滿足飛行需求。無人機路徑規(guī)劃涉及的問題包括環(huán)境感知、路徑搜索和路徑優(yōu)化。在環(huán)境感知環(huán)節(jié)，無人機需要通過傳感器獲取周圍環(huán)境的信息，例如地圖數(shù)據(jù)、傳感器測量結(jié)果等。基于這些信息，無人機可以構(gòu)建對應(yīng)的環(huán)境模型，用于路徑搜索和路徑優(yōu)化。路徑搜索環(huán)節(jié)是無人機路徑規(guī)劃的核心環(huán)節(jié)，主要作用是在給定環(huán)境模型中搜索一條從起點到目標(biāo)點的最短路徑。路徑規(guī)劃的算法分為傳統(tǒng)算法、圖形學(xué)的方法、智能仿生學(xué)算法和其他算法。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法有： 模擬退火算法、人工勢場法、 模糊邏輯算法、禁忌搜索算法等［4］。常用的圖形學(xué)路徑搜索算法包括A?算法、Dijkstra 算法和深度優(yōu)先搜索算法等［5］。

然而，這些基于圖模型實現(xiàn)的路徑規(guī)劃存在一定的局限性，無法避免不可測因素的影響，例如建筑物的高度和面積不可視，樹的高度和分布以及風(fēng)速等環(huán)境因素也未考慮在內(nèi)?？此莆⑿〉沫h(huán)境因素對無人機的飛行安全都會造成一定的威脅。目前，無人機設(shè)備常用的避障方式有單向激光雷達和二維激光雷達兩種。這兩種激光雷達探測方向單一、視線范圍小且與障礙物相撞概率較大，而已研發(fā)的三維激光雷達雖視線范圍大，但價格昂貴，市面上使用率極低。為改善傳統(tǒng)避障方式的弊端，人工勢場法開始成為無人機飛行避障新的解決辦法。除此之外，雙目視覺算法的精進也讓無人機對三維世界的感知力大大增強。

首先是人工勢場法的應(yīng)用，它借鑒了重力勢場和電場模型。應(yīng)用此方法，障礙物會對機器人產(chǎn)生排斥力，而目標(biāo)點則對機器人產(chǎn)生吸引力。將所有排斥力和吸引力進行矢量合成，得到的合力方向便是機器人的運動方向［6］。合力大小被轉(zhuǎn)化為機器人運動加速度。當(dāng)機器人運動到目標(biāo)點時，合力為0，也恰好停止運動［7］。人工勢場法主要被用于規(guī)劃無人機的總體運動路徑。得到人工勢場后，可以使用梯度下降法求解無人機的運動軌跡。梯度下降法的基本思路為：由初始構(gòu)造點開始，沿著勢場的負梯度方向前進一段距離，然后在新的構(gòu)造點重復(fù)上述步驟，直至達到最終構(gòu)造點。該算法的流程如下：

式（1）中，q0代表函數(shù)F的局部極小值的初始估計。從q0出發(fā)，進行迭代，迭代公式如下：

式（2）～（5）中qi表示第i次迭代后的當(dāng)前構(gòu)造，迭代過程中的系數(shù)αi決定了第i次迭代時的前進步距。

式（6）代表循環(huán)，循環(huán)執(zhí)行式（2）～（5），直到滿足else條件語句為止。最終規(guī)劃得到的路徑為包含各次選代結(jié)果的構(gòu)造序列［qo，q1，…，qi］。需要注意的是，αi不能過小，避免計算量過大，從而使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。

其次是雙目深度視覺檢測技術(shù)。雙目深度視覺檢測能為無人機提供三維感知能力。當(dāng)樹、鳥等隨機障礙物出現(xiàn)在同一水平面時，單一攝像頭受視線盲區(qū)限制，遠處的障礙物會被遮擋，導(dǎo)致避障建模出現(xiàn)誤差。而雙目視覺探測體系是根據(jù)人眼的原理，通過加裝第二個攝像頭，將兩個攝像頭收集到的信息相互補充，將兩個畫面進行同步分析疊加處理，將傳統(tǒng)的二維信息建模升級為三維信息建模，縮小了視線盲區(qū)，提升了避障性能，讓無人機在依據(jù)算法路線飛行的基礎(chǔ)上避免與不可測因素相撞。

3.1.2 無人機與自動售貨機之間的機器通信

物物互聯(lián)將會是5G 世界所必須要面對的挑戰(zhàn)。由國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）定義的5G 三大場景分別為增強移動寬帶（enhanced mobile broadband， eMBB）、大規(guī)模機器類通信（massive machine type communication， mMTC）以及低時延高可靠通信（ultra-reliable low-latency communications， URLLC），其中的eMBB 場景可以看作是4G 移動寬帶技術(shù)的演進。

機器類通信一直是物聯(lián)網(wǎng)（internet of things， IoT）的一大研究方向，對技術(shù)精度要求高。各種類型的無線通信技術(shù)支持設(shè)備在沒有線纜連接的情況下，實現(xiàn)設(shè)備之間或者與串口服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信都是通過各種協(xié)議條件下進行的，并且許多不同類型的無線通信技術(shù)已在物聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備到設(shè)備（machine to machine， M2M）通信領(lǐng)域的硬件設(shè)備中廣泛應(yīng)用。IEEE 有七個802.15 技術(shù)任務(wù)組（標(biāo)準(zhǔn)）。802.15 任務(wù)組包括：無線個域網(wǎng)（wireless personal area network， WPAN）/藍牙、Coexistence（網(wǎng)絡(luò)共存）、高速率WPAN、低速率WPAN、mesh 網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)和可見光通信。這其中每個無線傳輸協(xié)議都有不同的特點與應(yīng)用領(lǐng)域，而低功耗廣域網(wǎng)（low-power wide area network，LPWAN）技術(shù)最理想的應(yīng)用場景是M2M 通信。

M2M 的潛在市場不僅限于通信業(yè)。由于M2M 是無線通信和信息技術(shù)的整合，它可用于雙向通信，如遠距離收集信息、設(shè)置參數(shù)和發(fā)送指令，因此M2M 技術(shù)可有不同的應(yīng)用場景，如安全監(jiān)測、自動售貨機、貨物跟蹤等［8］。為實現(xiàn)無人機和需要補貨戶外設(shè)備的通信互聯(lián)，可以在自動售貨機貨架上方安裝監(jiān)控器，獲得的數(shù)據(jù)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給無人機。利用M2M 中的全球移動通信系統(tǒng)、通用分組無線服務(wù)技術(shù)和系統(tǒng)遠距離連接技術(shù)，整合碼分多址模塊作為數(shù)據(jù)遠程傳輸通路，直接聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)無人機和自動售貨機雙機器通信。自動售貨機將貨架信息反饋給無人機，無人機按算法路線到達目標(biāo)點將貨物投放至自動售貨機，自動售貨機貨架信息自動進行更新。

3.1.3 無人機的設(shè)計改進

對于飛行設(shè)備而言，風(fēng)速是影響飛行速度的一個重要因素。在進行無人機配貨時，需要盡可能減少風(fēng)速對飛行的影響。無人機的飛行速度可以表示為：

式（7）中，v表示飛行速度，m表示無人機重量，d表示無人機長度，h表示無人機的高度。因此，可以通過控制無人機的重量和長度來調(diào)節(jié)風(fēng)速對飛行的影響。另外，在無人機的飛行過程中，還需要采取一些防風(fēng)策略來減少風(fēng)的干擾。如在機體表面涂刷防風(fēng)涂料，減少風(fēng)速的影響；安裝翼展控制器，幫助無人機在飛行過程中控制方向和速度；采用固定翼無人機，使飛行方式相對穩(wěn)定，減少風(fēng)速的影響。

3.2 針對物流管理體系的建設(shè)改進

《“十四五”現(xiàn)代物流發(fā)展規(guī)劃》中明確要求加快現(xiàn)代物流數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化賦能，打造科技含量高、創(chuàng)新能力強的智慧物流新模式。目前，城市物流體系的信息化建設(shè)已經(jīng)成為企業(yè)和政府的重要舉措，如供應(yīng)鏈管理（supply chain management， SCM）系統(tǒng)擁有倉儲、運輸管理等多個模塊，能夠依托大數(shù)據(jù)將供應(yīng)商、產(chǎn)品和運輸?shù)日希贿\輸管理系統(tǒng)（transportation management system， TMS）運用了先進的信息化技術(shù)，既簡化了信息共享，也削減了人工成本。企業(yè)應(yīng)順應(yīng)時代的發(fā)展，增強各環(huán)節(jié)管理，加快物流體系的信息化建設(shè)［9］。

4 結(jié)語

綜上所述，面對生活快節(jié)奏化的發(fā)展，現(xiàn)代人們對高效率、低成本的追求逐漸從工作領(lǐng)域擴展到日常生活領(lǐng)域。雖然目前物流業(yè)正在抓緊建設(shè)信息化體系，但是對戶外設(shè)備的補貨和快遞收發(fā)仍然由人工來完成。雇用人工需要成本，勞動者需要休息和假期，因此在物流供應(yīng)鏈中必然會有部分時間沒有完全利用。無人機設(shè)備的引入為設(shè)備補貨和快遞配送提供了新的方向，而先進算法的不斷精進，也必然會讓無人機設(shè)備更加先進靈敏，從而提高運營管理效率。