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利用无人机送快递的讨论

发布时间:2017-12-07 09:08:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:无人机;快递;导航
    1 无人机简述
    1.1 基本概述
    无人机(UAV),也叫空中机器人。它通过机身传感器获得飞机飞行状况,并且在自动或半自动的飞控系统控制飞行任务。其具有价格低廉和替代人操作而省时省力的功能,在现代社会得到了广泛推广。广泛的需求、极高的效率和电子、新能源以及软件技术的快速发展,促使无人机在飞控与通信导航技术方面获得长足进步,先进的机载设备大大扩展了无人机的使用范围。随着技术和市场的日趋完善,以及其具有轻量化、便携式、造价低等特点小型无人机在近年其在交通运输以及城市中“最后两公里”的快递运送中发挥着重要作用。
    1.2 无人机分类
    无人机根据其机翼可分为固定翼无人机与旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机;按其翼展和航程可分为大型机、中型机、小型机和微型机;旋翼无人机可分为单旋翼、三旋翼、四翼无人机、六翼无人机等;按其飞行高度可分为超低空无人机(0~100m),低空无人机(100~1000m),中空无人机(1000~7000m),高空无人机(7000~18000m)。
    1.3 无人机的应用
    无人机主要用于军事领域的侦查、攻击等,但是近年来无人机也被广泛应用于民间,尤其是多旋翼无人机由于其机动性强、噪音小、便于起降等优点被广泛的用于电线架设、喷洒农药、影视拍摄等方面。
    2 无人机投放快递优势与前景分析
    2.1 无人机投送快递的优势
    (1)快速:无人机投送最大的优势就是快速。当今中国城市发展迅速且协调性较差,再加上汽车走进了千家万户,造成严重的城市拥堵,尤其在早晚高峰外卖快递等更多时候被堵在拥挤的道路上,而城市上空的空间却未被有效利用,例如送快递、送快餐等可以在空中进行,不用占用城市道路。
    (2)价格低廉:有人或许担心无人机投送这种高科技装备其运送成本过高的问题,一般人是否用得起。所使用进行投送的无人机其主要能源为电力,其运输成本大概在两毛至三毛五分钱,按其任务半径为十公里计算其运送一个件大概为两块至三块五毛钱。相对于越来越高的运输称成本其优势越来越明显。
    (3)方便:无人机投送快递不会受到地形的限制,效率极高尤其对于复杂地形条件其优势明显
    2.2 无人机投放快递前景
    2015年我国快递业务量超过了200亿,居全球首位,有相关机构预测未来我国每天的快递单数将达3亿个,在农村偏远地区有时快递员开着车可能只是为了送一个包裹,这种普通的快递派送方式浪费资源效率低下,同时随着我国经济发展快递行业的运营成本也将节节攀升,此时需要技术来解决运营陈本问题。与此同时,随着科技的进步我国也出现了许多著名的无人机生产厂商,无人机也逐渐运用到了生活中的各个领域。若将无人机与中国的快递行业相结合其前景无不可限量。
    3 无人机载重的探讨
    3.1 用于投送快递的无人机类型
    用于进行快递投送的无人机因在城市中穿梭起降,需采用旋翼式无人机。一般单旋翼无人电能转化为势能效率较高,但稳定性较差;而旋翼越多的无人机效率较低,具体机型结合具体情况确定。其中在各行各业四旋翼无人机使用较为广泛,体现在以下几个方面:(1)旋翼尺寸小,且不需要专口的反扭矩奖,飞行安全性高,特别适合在近地面环境中;(2)巧结构紧凑,动力装置效率高,有效载荷大;(3)结构对称,制造和控制简单,拆卸方便,易于维护,成本低,安全性好;(4)四旋翼飞行器的设计和研制是集诸多衣术成果于一体的综合科学技术问题,涵盖了结构设计、动力与能源、控制与导航、通信技术、微机电技术和传感器技术等专业技术领域,因此可作为一个优秀的交叉学科科研实验平台[2]。
    3.2 旋翼无人机的飞行原理
    用于快递投放的无人机为旋翼无人机,其飞行原理与直升机相同,为了能够模拟桨叶的绕流,叶素理论将桨叶划分为有限个微小段(称为叶素),然后计算每一个叶素上的气动力,最后沿径向求和得到桨叶上的总气动力[1]。电机通电带动旋翼旋转产生向上的升力,当升力大于整套无人机系统的重力时,无人机加速上升,两者相同时无人机悬停或者匀速飞行,升力小于无人机重力时无人机下降。改变旋翼的姿态来调整飞行动作,比如转弯等。
    3.3 无人机载荷
    一个普通包裹一般在10公斤以内,可满足基本的包裹需求。无人机的起飞重量时无人机能否被用于派送的关键。无人机的起飞重量减去无人机自身各个零部件的重量,就得出了无人机的载货量。无人机的输出功率和旋翼的大小决定了起飞重量的大小,表中给出的是江斌[3],吴江等[4]设计试验四旋翼无人机的单个旋翼设计参数。
    由表1中数据,当某快递质量较小时可选用功率与旋翼较小的无人机,在满足要求的情况下,尽量减小能耗。当选用两对9英寸正反桨时、功率为60w时总升力达1600g,载重达800g,可满足小件的派送,当选用29英寸×9.5英寸、输出功率为2840w时旋翼的总升力为38010g,空机重量为13670g,其载重可达24340g可满足绝大多数快递重量要求。
    4 无人机投送快递信息技术预想
    未来可以成立一个类似于阿里巴巴的独立于买家与卖家的第三方机构,为卖家提供无人机送货以及各种相关的信息化服务,卖家可以购买或者租赁我方的无人机,由商家接单,将买家的地址信息发送过来,由我方录入系统,传送至飞行控制板,然后无人机起飞在卖家载货后飞往买家,买家在线签收,返回执行下此任务或返回基站降落于自动化的传送带送至检修中心进行检修对电池进行充电,准备下次任务。
         5 无人机投放系统的基本组成情况讨论
    无人机投放系统其主要包括自动化的地面基站、无人机和用户组成。
    5.1 地面基站控制中心
    地面控制中心是整套系统的大脑,不断的接收来自整个城市的客户信息,并进行分类汇总,它相当于现代铁路网中的火车站,民航客机的控制塔台和航天指挥中心等。各架无人机的各种飞行参数包括所载的经度、维度、高度、距离指挥中心的距离、电池剩余电量、本次任务的目的地是否给此无人机下次安排任务等各种信息均储存于地面基站。
    5.2 无人机
    无人机系统包括:能源系统、引擎、旋翼、GPS信号接收模块、超声波测距模块、飞行控制主板、货箱等。
    能源系统:为了减轻无人机把自身的重量,可以采用锂聚合物电池。其能源系统可分为两部分,一是较高电压(根据其载重选择电源的电压)为引擎提供电源可以为一整块大容量电池也可以为若干块电源的串联。二是电压较低的电源为电调系统、飞行控制板等定位装置,超声波测距装置提供直流工作电源。
    引擎:引擎为无人机的心脏,选择时既要考虑引擎与能源的匹配还要考虑引擎的功率与自身的重量,可以选择无刷直流电动机。无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体的机电一体化产品。无刷直流电机以其出力大、效率高、体积小和可靠性高等显著优点,已经广泛应用于航模和无人机领域[5]。
    旋翼:无人机在加速上升阶段或载重较大时旋翼转速较大,旋翼在飞行时转速可达近万转/分,需要承受较大的弯曲应力和剪切应力。而碳纤维复合材料在这方面具有独特的优点[6],其具有形变小、阻力小、重量较轻的优点。同时需注意无人机飞行时由于旋翼转速较高,机翼的些微的不平衡将会造成机身的剧烈震动影响飞行安全。所以必须保证旋翼的各个扇片面积,厚度质量等完全相等。当检测出某个扇片重量较轻时可以在此扇片上粘上若干层胶带以平衡其不足。
    GPS信号接收模块:无人机接收到目的地信息后,系统为其设计航线,在航线上设有若干个航点无人机需要GPS信号进行导航 使无人机由一个航点飞向下一个航点。同时无人机不断向地面基地发送无人机的基本状态,包括航向、经纬度、高度电池的续航能力,地面控制中心能充分了解每架无人机的实时信息。
    超声波测距模块:无人机主要飞行于市区的上空,市区中较高的建筑以及到达目的地时有可能撞上建筑物。未解决这一问题,可在机身较为暴露的位置加装超声波测距模块,当无人机与建筑物距离较近时向飞行控制主板发送相应的信号对相应的航路进行微调或者降低在相应水平方向上的距离以避免无人机发生碰撞事故。
    飞行控制主板:飞行控制主板是无人机的大脑,超声波测距模块和GPS信号接收模块接收到的来自地面基站、用户以及自身的飞行数据等各种信息汇聚于此进行分析处理,同时做出相应的飞行调整。
    无人机运货箱:无人机运货箱相当于大货车的车厢,用于盛放快件物品。其具有以下优点。(1)材质质地较轻,无人机本身动力有限,尽量降低自身的重量。(2)具有相应的硬度,需防止货箱在空中解体或者掉落等情况发生。(3)具有相对较大的体积,有时可能快递本省重量不大,而体积较大,需要具有较大的体积。(4)耐用,由于货箱长期暴露于空气中,有时可能淋雨生锈等。另外,在货箱的底部四个角各加装一个弹簧以尽量减小无人机降落时的震动,防止对机体内各个零件的损害。
    5.3 用户
    用户系统可以是一个客户收货的小“邮箱”,可以设置在用户的窗户上或者阳台上其内置相应的信号发出装置,可以将用户的地理坐标直接发送至地面基站的控制中心和无人机以便于航线的设计和让无人机精确的找到客户。无人机将快件送至用户后无人机将悬停于阳台或者窗台,用户从货箱取回快件后无人机飞走。
    综上,现有硬件系统可以满足相应的技术要求。
    6 外界对无人机送快递的几点担忧
    (1)无人机在城市上空穿梭有可能撞上城市中的高楼大厦或者将来无人机数量较多时也有可能出现无人机之间发生碰撞。这种担心有一定的根据,但是是多余,无人机飞行的高度较高避开了大多数较矮的建筑物同时上文我们曾提到无人机系统上加装有超声波测距装置,在其距离建筑物较近时会自主改变航道(只是较小的改变)远离建筑物以及其他无人机。初创公司 Skyward 正在研发无人机交通控制系统,这套系统使数千无人机在城市上空飞行而不会互相碰撞。Skyward 正在跟 FAA 和全球三大无人机制造商(大疆、3D Robotics、Parrot)合作以证明大量的无人机可以在拥挤空域安全地共存[7]。
    (2)有些不法分子可能对无人机进行“劫机越货”。无人机只有在起降时距离地面较近,其余均远离建筑物和地面,所担心的不法分子进行劫机的情况不会发生。
    (3)国内 2009 年相关部门下发的《民用无人机空中交通管理办法》并未涉及商业应用的相关内容[8]。也就是说有关无人机飞行的立法还是空白,但是随着经济与科技的发展,无人机的使用会更加普遍,市场会更加繁荣,这势必会促使有关部门加速制定相关标准。据了解,以中国航空器 拥有者及驾驶者协会(AOPA)为代表的组织,正在推动无人机行业的飞行标准,以及合规化。
    7 在小型无人机使用中目前需解决的问题
    (1)无人机在相对恶劣的天气条件下难以保证安全。小型无人机重量较轻,在大风和强降雨条件下可能会被吹翻,或者雨水的冲击可能发生坠毁事故。
    (2)无人机系统结构较为简单,安全难以保障,在飞行途中可能出现坠机事件,砸伤行人毁坏快件。所有的航空设备都要面对这一问题,对于这一问题的解决各个研发单位都在优化无人机的飞行程序,积累更多的飞行数据。
    8 结束语
    随着市场,技术的完善,无人机送快递,虽然还存在一些问题,但不可否认在不久的将来必将普及。
    参考文献
    [1]岳基隆.四旋翼无人机自适应控制方法研究[D].长沙:国防科学技术大学,2010.
    [2]杨广杰.四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计[D].西安:西安电子科技大学,2013.
    [3]江斌.小型四旋翼低空无人飞行综合设计[D].杭州:浙江大学,2013.
    [4]吴江,周国庆,王峰.多旋翼电动无人机方案设计研究[C].北京:中国会议,2015:47-49.
    [5]何昱.基于无刷电机的航模系统的研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.
    [6]刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:56-59.
    [7]全权.解密多旋翼发展进程[J].机器人产业,2015(2):72-83.
    [8]李铎,王运.亚马逊无人机送快递成本1美元中国五年内难大范围商用[N].北京商报,2015-4-13(005).
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