乡村无人机物流系统架构及功能设计

张玉恒 武燕 徐延勇

优先设计好乡村无人机物流系统架构和功能是做好乡村物流最基础、最顶层的工作。针对乡村特点，探讨了乡村无人机物流系统的架构，设计了物流中心、乡村投递点及无人机等几个关键部分的功能，为下一步的系统实现奠定了基础。

在我国互联网+助力乡村振兴战略的支持下，乡村电子商务发展势头迅猛。这种快速发展势头引起了各大电商的关注，纷纷提出各种抢占农村电商市场的战略。然而由于乡村居民居住分散，道路条件差，导致物流成本很高，制约了乡村物流和电子商务的发展。无人机技术的快速发展和成熟，为物流配送提供了一条高效的解决途径。国内外众多电子商务集团积极开展无人机配送物流实验。实验表明，无人机已经具备了在物流领域应用的基本技术条件。

虽然乡村物流无人机行业应用前景广阔，但当前还有一些基础性的工作需要研究和解决，乡村无人机物流系统架构设计是做好乡村物流基础工作和顶层规划，它影响着系统的完善性和实用性。设计学研究了小型无人机在快件收派服务系统的构建问题，讨论了区域间和城市环境的物流配送问题，在乡村环境下应用不是很合适。邓扬、何军、李奇等人设计了一种自动化的无人机快递系统，设计的快递柜功能齐全，可实现快递的自助收发。虽然这种快递系统自动化程度强，但造价较高，不便于在乡村的大面积推广。王琰等人对无人机快递服务系统进行了构建，讨论了快递保障系统、飞行控制系统和第三方民航监管部门管理平台的构建问题，并提出了技术优化措施，但功能设计不详细。顺丰控股（集团）股份有限公司、北京京东世纪贸易有限公司都建立了自己的无人机运营调度试验中心，可实现物流无人机的监控和调度，但对收件端的功能没有进行具体设计。总体来看，目前还没有完全适合乡村环境的无人机物流系统。鉴于此，本文根据乡村环境特点，设计了一个较为完善和实用的无人机物流系统。

乡村无人机物流系统架构

乡村无人机物流系统架构如图1所示，由无人机物流中心、乡村投递点、无人机以及与系统密切相关的上级物流中心、飞行监管部门、通信基站及导航卫星等几部分组成。

上级物流中心

是无人机物流中心的上级机构，一般是县、市一级的物流公司，上级物流中心将货物通过公路、铁路、水路、航空等物流方式运输到无人机物流中心，并通过网络将货物信息传递给无人机物流中心。

无人机物流中心

无人机物流中心的选址要求：一般是在上级物流（公路、铁路、水路、航空等）比较成熟且这些物流方式对下一级物流不便于展开，适合无人机物流的乡镇。根据村落的集散程度和目前无人机的续航能力，应在10～15km的半径范围内设置一处。对于比较大的乡镇可以设置多处，相互之间的可以互补。无人机物流中心接收上级物流中心的货物和信息，并对本级的货物收发和配送进行管理，对无人机进行调度、航路规划、干预控制和监视。

无人机

无人机根据无人机物流中心的调度进行货物的投递，无人机的飞行高度为100～120m，载重在5kg以内，续航时间约30min。无人机上配有自动驾驶仪、卫星导航模块、避障模块及无线数传模块等。自动驾驶仪控制无人机的稳定飞行，卫星导航模块利用卫星信号进行精确定位和导航，避障模块用以探测并避开前方障碍，无线数传模块使无人机接入移动互联网，利用网络进行信息的交互。

乡村投递点

无人机的投递目的地，散布在无人机物流中心10～15km的半径范围内，根据乡村居住情况一般一个自然村设置一处。乡村投递点上空一般比较空旷，无高压线、高塔、高楼大树等障碍物，投递点配备有无人机起降台、物流监控终端及常用的无人机备件等，并指定专人负责。

飞行监管部门

飞行监管部门为政府行政部门，一般为市级或区级单位，负责空中交通管制，气象和航情通报等。

导航卫星及通信基站

導航卫星及通信基站是系统的基础设施，导航卫星可以是GPS、北斗或两者的结合;通信基站主要基于3G/4G基站，目前可以满足150m以下低空无人机通信和组网需求，待5G普及后可以升级到5G基站，以支持更高的飞行高度，提供更宽的带宽。

乡村无人机物流系统功能

乡村无人机物流系统的任务是在导航和通信等基础设施的支持下，在飞行监管部门的监督下，利用无人机将货物从无人机物流中心安全快捷地投递到乡村投递点。根据这一任务，无人机物流系统各部分的功能设计如下文描述。

无人机物流中心

无人机物流中心是整个物流系统的核心，它负责接收上级物流中心的货物和信息，并对本级的货物收发和配送进行管理，对无人机进行任务调度、航路规划、干预控制和飞行监视，功能如图2所示。

货物管理

无人机物流中心接收上级物流中心的货物，对货物进行入库检验，确保货物不属于违禁或受限物品，且货物状态完好，中途没受到损坏。然后对货物进行入库登记，登记信息包含接收时间、货物名称、货物状态、货物重量、货物体积、收货地址及加急程度等信息。货物登记后按货物的种类和加急程度入库进行保存。然后按照紧急程度，依次对货物进行投送登记，登记信息包括出发地、目的地、计划出发时间、计划送达时间及无人机编号等，填好信息后，将任务分配给无人机，并将信息传送给乡村投递点。

航路规划

无人机投送货物前，首先进行航路规划。为保证无人机飞行的顺利安全，中心对到每个投递点的路程进行实地勘察，在电子地图上标注好道路、村庄、集市等人员密集的区域和山头、高塔、高压线及河流湖泊等有飞行危险的地方。然后利用航路规划软件自动对飞行航线进行规划，并上传到无人机。物流中心实时飞行监管等部门保持联络，特殊情况下，可对飞行航线重新进行规划，无人机即可按新的航路飞行。当航程和载重都允许时，利用一架无人机可以对两个以上的乡村投递点进行投递，航路规划软件将给出优化的飞行路线。

任务调度

中心配备有多种型号的无人机，每种无人机的载重、续航时间、飞行速度不同。物流中心把需要配送的货物按重量和距离分配给合适的无人机。无人机按分配的任务沿预定航线飞行，直到将货物送达。当中心收到无人机返航的申请时，与投递点确认货物送达后，发出返航指令。在无人机返回前为无人机指派好停放位置。无人机返回后，进行充电或电池更换，等待下一次配送任务。中心按照实际调度结果对每次任务按日、周、月、年生成统计报表，可供查询调阅。

飞行监视

无人机在飞行过程中，实时将无人机编号、定位位置、飞行速度、飞行状态等信息发送到物流中心。中心利用电子地图将每架无人机的实时位置、实时定位时间和飞行轨迹显示到屏幕上，并定时进行位置信息的更新。中心利用图、表等形象直观的方式将无人机的飞行参数和飞行状态显示到屏幕上，供管理人员监视，查看。当无人机的飞行位置偏离预定航线一定距离时，或某个飞行参数超出预定范围时，系统将发出声音和画面提示。当无人机靠近某禁飞区时，监视系统将发出语音告警。物流中心同时将飞行信息发送到飞行监管部门，接受监管部门的飞行监视和管控。

干预控制

当无人机在飞行过程中遇到一些意外情况，比如电池电量低、某传感器故障或者GPS失效，物流中心将对无人机进行人工干预控制。如果无人机的故障状态不影响本次投递，则在管理人员的密切监视下继续执行本次任务;如果无人机无法完成本次任务，但仍有一定的续航能力，管理人员将控制无人机飞往最近的乡村投递点，降落后对无人机进行维修;如果无人机故障状态比较严重，则在摄像头视频监控下控制无人机就近降落到相对安全的地域，或打开降落伞，使无人机缓慢落地，此时将播报语音告警，提示周围人员注意安全。

乡村投递点

在乡村投递点，建有无人机起降台，乡村管理员可对货物进行收发、查询，并对无人机进行辅助管理。

无人机起降台

为便于无人机起飞和降落，每个乡村投递点都建有起降台。起降台一般建在管理员庭院内，起降台比地面略高以防止积水，台面平整，面积约4m×4m。起降台中心设有红外定位装置，以便无人机精确定位和降落。

货物收发

无人机到达乡村投递点后，在设定的起降点降落，并提示收件员收取货物。收件员对货物进行检查，若货物信息正确且货物完好，则进行收货确认和登记，并将信息上传到物流中心，否则通知物流中心将货物返回。收取货物后，收件员通知周围的村民自行来取快递。当村民需要寄送快递时，将快递送到乡村投递点，收件员对需要寄送的货物进行检查、收货和登记，并利用返回的无人机将货物运送到物流中心。

货物查询

乡村投递点安装有客户端软件，软件会实时更新货物在途状态，并利用电子地图实时显示无人机的飞行位置。收件员可以对运单进行查询，并对目的地是此投递点的无人机上挂载的货物信息进行查看。客户端软件还可以对以往该投递点的所有货物信息和无人机投递过程进行查询。

无人机辅助管理

乡村投递点备有螺旋桨、电池等常用的无人机配件。无人机降落后，收件员可根据电池情况对电池进行更换或充电;当无人机因意外情况迫降到该投递点时，收件员可对故障部件进行更换或簡单维修，使无人机恢复正常工作。当无人机因故障在途中紧急降落或坠毁时，距离最近的收件员可以以最快的速度到达，以便对情况及时进行处理。

无人机

乡村物流无人机采用多旋翼形式的无人机，这类无人机可悬停、上下左右前后移动，相对固定翼无人机更加灵活方便，可以有效保证飞行的安全性和精确性。无人机自动化程度比较高，挂载货物后可以自动起飞、自动降落、自主飞行、具备网络通信功能，并可进行自身应急保护。

货物挂载

无人机下方设置有安全可靠的挂载架，可供不同体积的制式快递盒进行挂载，起飞前管理人员将货物挂上并锁定，在达投递点降落后，收件员利用专用工具将货物取下。

自动起降

当无人机收到起飞指令时，无人机自动按设定程序起飞，一直到预定的飞行高度，进入巡航状态。无人机到达起降点上空后，首先进行降高，到离起降台几米的高度时，在红外定位装置的导引下，对无人机的高度、位置和姿态进行精确控制，使无人机安全平稳落地。

自主巡航

无人机进入巡航状态后，按照预定的航线自主进行飞行，并保持在距离飞行航线一定的侧偏距内。无人机具备障碍物探测和自动避障功能，当意外遇到乌群、高塔、山体等物体时，能自动探测到并绕开飞行，然后沿规划航线继续飞行。当飞行过程中通信不畅或阻塞时，无人机会在GPS辅助下继续沿预定航线飞行。当接收物流中心的干预控制指令时，无人机切换到人工控制模式飞行，物流中心也可随时将无人机再次切换到自主巡航状态。

网络通信

无人机上配备有3G/4G/5G无线数传模块，无人机通过数传模块接入移动互联网，与物流中心和乡村投递点进行信息沟通。无人机将定位位置和飞行参数实时下传给物流中心，将定位位置实时下传给乡村投递点。物流中心将航路规划信息、差分定位信息、干预控制指令上传给无人机。

应急保护

为保障无人机自身和周围人员、环境的安全，无人机具备应急保护功能。当无人机偏离预定航线一定距离，或距禁飞区比较近且由于通信故障原因没收到物流中心的控制指令时，将自行进行降落;当GPS无法定位时，将在原地悬停等待定位信息，若超过一定时间仍无定位信息时，将自行进行降落;无人机携带降落伞，当机载传感器故障，无人机姿态或高度不稳定，无法正常飞行时，将关闭螺旋桨、打开降落伞，然后缓慢降落到地面。

飞行监管部门

飞行监管部门对物流无人机飞行实施监督和管控，同时为乡村无人机物流中心提供信息服务。

飞行监管

无人机物流中心将无人机的飞行数据通过网络发送给飞行监管部门，飞行监管部门对无人机的飞行情况进行监督。对于违规飞行的无人机，监管部门具有优先控制权，可通过无人机物流中心对无人机实施控制管理。

信息服务

飞行监管部门也是一个信息中心，它与其他政府行政部门进行信息沟通，为无人机物流中心提供气象、天气、空中管制、农村大型作业、集市变化及一些突发情况信息，同时也提供其他低空飞行器的飞行情况信息。

结束语

乡村无人机物流系统的总体架构和功能设计好之后，还需要对乡村无人机物流通信组网题、乡村物流无人机航路规划及任务调度等问题展开深入研究，对乡村物流无人机进行设计和性能优化，对物流监控系统进行设计和研发，才能有效推进乡村无人机物流系统的实现和真正应用。