高层配送无人机停放平台的设计

张坤 石爱平 水清梅

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.013

摘  要：目前由于国内物流和外卖行业处于兴盛阶段，在现有的运行模式下，“最后一公里”配送作为唯一与消费者面对面接触的环节，成为制约电商物流发展的最大阻碍。该项目针对物流配送“最后一公里”的痛点，设计一种基于无人机快递的新式室外快递接收终端平台。通过一个与室内连通的装置，使业主足不出户便可接收与发送快递，其中无人机运输解决了一般人员运输受地形和交通规则制约而导致货物运送较慢的问题，大大降低了货物配送的晚点率和损坏率。

关键词：STM89C52;无人机配送;压力传感器;最后一公里

中图分类号：TP215    文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）09-0045-04

Design of the Parking Platform for High-rise Distribution UAV

ZHANG Kun，SHI Aiping，SHUI Qingmei

（Binzhou University，Binzhou  256600，China）

Abstract：At present，as the domestic logistics and takeout industry are in a prosperous stage. As the only link for face-to-face contacting with consumers in the existing operation mode，the “last kilometer” distribution has become the biggest obstacle restricting the development of e-commerce logistics. Aiming at the pain points of the “last kilometer” of logistics distribution，this project designs a new outdoor express receiving terminal platform based on UVA express. Through a device connected to the indoor，the owner can receive and send express without leaving the house. Among them，UAV transportation solves the problem of slow goods transportation because that the general personnel transportation is restricted by terrain and traffic rules，which reduce greatly the delay rate and damage rate of goods distribution.

Keywords：STM89C52;UAV distribution;pressure sensor;last kilometer

0  引  言

由于目前國内物流快递行业兴盛，快递的配送逐渐成为物流发展的一个热点问题，美中不足的是物流链的末端存在着“最后一公里的痛”。物流末端当今现状的处理方式是把快递放在相应的暂存点等顾客自己去取件，但是暂存点有相应的工作时间，做不到提供二十四小时取件服务。其次是将快递暂存在智能自提柜，顾客可凭相应的取件码享受二十四小时的取件服务，但是如今的自提柜规定了免费暂存时间，超过这个时间顾客必须支付相应的暂存费用才可将快递取走。

近年来智能快递柜如雨后春笋般“成长出来，但是在市场的巨大竞争下并没有发展得顺风顺水。即使在智能自提柜的加持下物流配送末端的问题依然难以完美解决。并且存在着种种难以迅速解决的痛点。目前，这些痛点主要为：

（1）由于道路堵塞，导致的运输不便，进而影响了运输效率;由于目前交通流量的不断增长，交通压力骤升，在很大程度上影响到了快递的陆路运输，而相较于发展空间广阔的空中运输，对空中运输产生的影响微乎其微。

（2）送货端与顾客端存在严重的时间冲突，大部分的上班族需要在规定的时间待在固定的场所进行相应的工作，因此难以与配送员进行快递的对接，而配送员也是按照公司安排的配送时间进行配送，因此在实践上造成了冲突。

（3）随着经济时代的生活节奏愈加迅速，大多数人更为倾向于网上购物，这就直接导致货物量的骤增，对于条件艰苦的一线快递服务大多数应届生和往届生是表示拒绝的。因此造成配送人员供不应求。

（4）随着“丰巢风波”的兴起，智能快递柜告别无限期免费暂存，进而采取有限的暂存时间之后进行相应时长的收费。而本项目就是针对快递“最后一公里”配送的种种问题来设计的一款与无人机对接的智能快递接收终端平台。

（5）由于在快递柜的发展前期需要投入的成本过于巨大，快递柜的盈利模式却过于单一，再加上顾客对于快递柜收费模式不买单。导致大多数快递柜企业入不敷出，根据有关机构计算，一台快递柜一年的成本在十万元左右。入不敷出之下，智能快递柜亏损情况仍待解决。

1  无人机停放平台介绍

经过设计，智能快递接收终端平台三视图如图1、图2、图3所示，产品实物图如图4所示。

该装置平台部分的长为35 cm，宽为30 cm，高为30 cm;右侧控制盒长为10 cm，最外边框厚度为0.5 cm，内装置厚度为1 cm;二折滚珠滑轨长为35 cm，宽为4 cm，高为2 cm，自动伸缩装置长为10 cm，宽为10 cm，高为2 cm;装置后部180°可翻动挡板长35 cm，宽为1 cm，高为29 cm;该装置应用到的零件：自动伸缩装置，二折滚珠滑轨，光流传感器，定位模块。

本产品图为初代实物展示图，图中产品处于待机状态，如图中所示STM32C52单片机控制中心连接着产品所使用的大多数的设备-压力传感器、定位模块、Wi-Fi模组等;并使用可调电源对电机进行供电，使用调速器对电机频率进行调节。

2  设计原理

2.1  设计思路

本项目针对物流配送“最后一公里”的痛点问题，为解决无人机运输配送过程中人员受地形、交通规则制约导致货物运送较慢的现象以及快递员在某些情况下不被准入高端写字楼的问题。本项目拟设计一种与无人机对接的智能快递接收平台，将物流配送的最后一公里问题交给无人机去解决，而接收快递的问题则由终端接收平台来解决，通过一个与室内连通的终端接收平台装置与无人机相结合，使业主足不出户便可接收快递。

总体思路主要以智能快递接收平台为核心，首先无人机在利用GPS与实时视频监控辅助的前提下，寻找顾客所在具体位置，后期在相应的路径学习算法与北斗卫星导航的加持下，使无人机自主巡航定位顾客终端接收平台，当无人机靠近装置时，终端平台接收无人机发送的Wi-Fi信号从墙体中缓缓滑出，然后通过光流定位实现无人机与接收平台的感应，从而精准投放快递，无人机投放完毕5秒后向接收平台发送信号使其自动收回室内，并给收货人发送信息，使快递得以及时收取。

2.2  定位模块

定位系统模块是该设计中的关键模块，由北斗和GPS双模定位模块，气压值传感器，温度传感器等组成，具有两大功能：其一，双模较单模多了一种系统，从而大大提高了定位准确率;其二，有效地解决了无人机配送时遇到的城市峡谷效应等问题。

北斗和GPS双模芯片采用UM220-INS-N芯片，是一款集成基带芯片和射频芯片，采集无人机配送时水平位置信息，无人机同时配有气压值传感器，温度传感器，接收来自随高度变化的气压值来确定高层用户的垂直位置，经过水平与垂直的定位来确定用户的位置。

其中，高层用户位置定位原理为：

首先，根据气压值随楼层变化的特点，首先将气压值转换成相对高度，根据气象学，两个不同海拔高度处的大气压强之间的关系可近似描述如式（1）所示。

式中h，h0为气压P，P0对应的海拔高度;Rd为气体常数Rd=287.052 87 ㎡/（s?K）;T为空气的热力学温度;g为重力加速度g=9.806 65 m/s?。记h-h₀=?h，?h则表示气压为P的水平面到气压为P₀的水平面的相對高度，将温度T转换成摄氏温度t，代入相关参数值，并以10为底的对数表示上式，有式（2）：

式中?=1/237.15^-0C^-1，接下来就是楼层的估算，用无人机采集环境气压值作为起始气压值，记为P_S;当检测到升高或降低结束时，采集环境气压值作为结束气压值，记为P_E。结合式（1）计算无人机上升下降期间，在垂直方向上移动的距离。根据建筑物的层高信息，估算楼层的改变量，进一步结合初始楼层信息，则无人机当前所在的楼层可以被确定，如式（3）：

式中H为无人机当前所在的楼层，H₁为无人机的初始楼层，h₀为建筑物每层的高度。

定位时常常遇到的城市峡谷效应会影响定位的准确率，因此可以根据高楼与卫星的高度角和方向角的关系将非视距卫星剔除，再利用算法将位置定位。

本产品采用GPS定位系统，终端快递接收装置实时将位置信息通过信息处理器发送给位于快递站点的主控芯片，从而帮助快递员进行控制。

2.3  软件设计

产品通过编写相关的软件程序，将电机的运作频率通过多次实验进行合适的设计，以达到对滑轨的精确控制。并且利用传感器的参数设计上限和下限对传感器感应数据进行合理的安全距离限制。通过设置传感器的优先级以及选择函数达到对对接时间的精确控制，保证在最短时间内安全无误的完成快递投递工作。对于无人机的循迹路径则需要在后期的项目升级阶段实现，通过设定装置的自检程序对于在运行过程中出现的特殊状况进行记录与改进，并通过报警程序向控制后台进行报备。

以下为红外传感器对无人机检测的部分程序：

45.  Crc_return_data=cal_crc（mbus_Sendbuf， 5）;  //取得将要发送数据的CRC值46.Crc_buf[0]=（（Crc_return_data >> 8） &0xff）;  //取得CRC值的高8位

47. Crc_buf[1]=（Crc_return_data & 0xff）;   //取得CRC值的低8位

48. mbus_Sendbuf[5]=Crc_buf[1];  //CRC值低8位赋值给将要发送的数据的倒数第二个字节

49. mbus_Sendbuf[6]=Crc_buf[0];  //CRC值高8位赋值给将要发送的数据的最后一个

2.4  硬件电路设计

终端平台设备以STM89C52为控制核心，由895电机、HX711重力传感器、红外传感器、GL9306光流传感器、Wi-Fi模组、GSM模块等装置组成。实现了传动、位置感知与对接精准以及信号对接等功能。同时项目采用了GPS（NEO-7M）与北斗双定位（ATK1218-BD）系统，将更精确的实现无人机对接收平台的定位，并且以多个红外传感器与光流传感器进行辅助，不仅充分实现了技术应用上的创新，而且实现了无人机系统精确准时的配送，提高了物流服务水平。部分模块电路图如图5所示。

3  应用前景

本设计项目在未来将嵌入快递和外卖配送最后一公里等应用场景，融合快递外卖等刚需行业。在未来国内空域改革、低空逐渐有序开放及监管水平提升的趋势下，无人机最后一公里配送功能将广泛应用于高层住宅及写字楼。高空专业接收平台的收发快递和接收外卖的实现将有效的解决当下高层住宅楼、写字楼禁止外卖人员进入与不方便下楼取快递这类问题。在将来高频率的生活工作节奏下，此设计必将大大提高效率，无论是在生活还是工作方面都将会是一个有力的“聚变反应”。

4  结  论

在“5G+物联网+人工智能”的时代，智慧物流不断发展，并且用户对智能产品的体验感在进一步提高，如何将新兴智能产品应用于生活是产品不断改进的目标之一。本文设计的校园智慧物流平台，有效提升了校园实物传递系统的信息化水平，降低了经济和时间成本，提高了工作效率，提高了师生的满意度和体验感。

综合来看，此设计在现今的物流配送模式上做出了变革，当第三方购物平台联合商家进行大型的商品促销活动时，超大量的物流量是使各大物流系统瘫痪的重要原因，无论是在快递的转运车辆上、物流中转节点物流仓的中转效率、末端快递的投递效率上都是难以应对这种物流高峰。这种状况产生的最终结果就是使物流末端的快递站点快递堆积成山，在每一年的新闻报道中这种现象已将屡见不鲜，这种现象还会引发快递损坏率提高、快递丢失率提高等恶性事件的发生。为此，此平台以当前的快递痛点问题为切入点，力求在为末端的快递配送提供一种新型的快递配送模式。早在2018年我国民航局发布了《民用无人驾驶航空器经营性飞行活动管理办法（暂行）》为后期的无人机配送“保驾护航”。因此，我们在无人机配送的支持下利用此平臺的高空作业优势将有效的缓解末端快递站点的库存压力以及配送人员和设备不足的问题。目前，此平台已经达到我们的预期效果，可以完成基本的快递接收任务。程序的运行基本没有问题但对于多个传感器的应用优先级问题后期还有改进的空间，对于平台的结构设计方面，由于对于材料的局限性认识，因此对材料的使用还有改进空间。

综上所述，此设计将有效地提升社会资源的利用效率，推动配送行业最后一公里运营水平，改善快递及外卖末端收货服务体验，在未来配合无人机末端配送具有良好的应用前景。

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作者简介：张坤（1999—），男，汉族，山东济南人，本科在读，研究方向：航空物流。

收稿日期：2021-04-05

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划（S202010449012）