楊一帆 雷晶晶 潘曉云 董德武

摘 要：伴隨著近年來(lái)物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)逐漸的發(fā)展，智能科技技術(shù)的進(jìn)步，搬運(yùn)無(wú)人機(jī)在應(yīng)用科技上有了很大提升，也逐漸得到物流行業(yè)的認(rèn)可。搬運(yùn)無(wú)人機(jī)的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)在于可以利用在線(xiàn)編程以及識(shí)別二維碼來(lái)完成各種預(yù)期的運(yùn)輸任務(wù)。在自身結(jié)構(gòu)和性能上具有機(jī)器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其體現(xiàn)了機(jī)器的智能性和適應(yīng)性。搬運(yùn)作業(yè)是指用設(shè)備握持物品，從一個(gè)初始位置移動(dòng)到另一個(gè)指定位置，無(wú)人機(jī)可以安裝不同的末端執(zhí)行器和傳感器，以完成各種環(huán)境下的物品搬運(yùn)工作，大大減輕了繁重的體力勞動(dòng)。

關(guān)鍵詞：物流倉(cāng)儲(chǔ);二維碼;貨物搬運(yùn)

引言

當(dāng)前，城市化不斷推進(jìn)，居民對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)需求逐漸提高，網(wǎng)購(gòu)以及外賣(mài)需求量暴增，然而，貨物分類(lèi)以及運(yùn)輸作業(yè)有著極大需求量。本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)無(wú)人機(jī)具有以下幾大創(chuàng)新點(diǎn)：搬運(yùn)機(jī)器人可以有條不紊的運(yùn)輸物品;利用中央遠(yuǎn)程控制平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制以及航線(xiàn)規(guī)劃。運(yùn)輸總系統(tǒng)可以高效地進(jìn)行任意站點(diǎn)的運(yùn)輸航線(xiàn)設(shè)計(jì)，減少人力勞動(dòng)浪費(fèi);同時(shí)搬運(yùn)無(wú)人機(jī)可以在作業(yè)人員身體不適應(yīng)或者在有安全隱患的環(huán)境下工作;使用搬運(yùn)無(wú)人機(jī)可以合理的利用有限的空間面積，獲取更多投資商的目光，確保作業(yè)環(huán)境的整潔，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化流水線(xiàn)。

1 ?搬運(yùn)無(wú)人機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)主要部分有;低噪槳葉，無(wú)刷電機(jī)，云臺(tái)相機(jī)，航模電池，激光定高，人工智能核心，飛控核心，電調(diào)，光流，碳纖機(jī)架，減震泡沫。利用無(wú)人機(jī)的快捷將貨物綁定在無(wú)人機(jī)支架上，通過(guò)無(wú)人機(jī)的上升動(dòng)力將貨物帶入空中，然后再通過(guò)提前是設(shè)定好的地點(diǎn)，讓無(wú)人機(jī)到達(dá)指定位置。

2 搬運(yùn)無(wú)人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)無(wú)人機(jī)由碳纖機(jī)架、航模電池、激光定高以及云臺(tái)相機(jī)和減震泡棉等基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成其基本框架，碳纖機(jī)架、云臺(tái)相機(jī)與激光定高之間均采用高強(qiáng)度螺栓連接起來(lái)，無(wú)人機(jī)底盤(pán)與機(jī)翼也通過(guò)特殊材質(zhì)的螺栓與地基穩(wěn)固的連接。無(wú)人機(jī)在其首端可增加一個(gè)夾具裝置，既最大化利用了空間，又保證了無(wú)人機(jī)搬運(yùn)貨物高效性。在無(wú)人機(jī)重要承載部位采用鋼碳纖混合材料，形成承重骨架，包括碳纖機(jī)架、無(wú)刷電機(jī)固定端，以及夾具裝置的自身重量，其在搬運(yùn)無(wú)人機(jī)在安全方面具有重要研究意義。無(wú)人機(jī)采用的是無(wú)刷電機(jī)，其內(nèi)轉(zhuǎn)子一般極數(shù)少，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)矩小，外轉(zhuǎn)子一般極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)矩大，結(jié)構(gòu)緊湊通過(guò)給線(xiàn)圈繞組高速的換向供電讓磁鋼持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，換向采用電子器件，一般常用的MOS 管。一般的三相無(wú)刷電機(jī)[1]具有三相定子，為了防止轉(zhuǎn)子被定子鎖住，同一時(shí)刻必須以特定的方式按順序?yàn)槠渲械膬上嗤?，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。依照特定的通電順序一般按照轉(zhuǎn)子所處的空間位置不同，分為六步。

3 無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)介紹、數(shù)據(jù)交換以及避障原理

3.1編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)采用的是語(yǔ)法簡(jiǎn)單的Python，其中List[2]是 Python 中使用最頻繁的數(shù)據(jù)類(lèi)型。列表可以完成大多數(shù)集合類(lèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。它支持字符，數(shù)字，字符串甚至可以包含列表。

3.2無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)交換原理

在多旋翼飛行器飛行過(guò)程中，為了便于對(duì)飛控狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制，需要建立一個(gè)遠(yuǎn)程的多旋翼飛行器地面站，通信鏈路如圖3。在飛控和工作站的通信鏈路中，硬件層采用 2.4G 無(wú)線(xiàn)透?jìng)髂K。通過(guò)協(xié)議可以保證飛控和工作站的通信速率和高可靠性，將數(shù)據(jù)按幀傳輸，每一幀數(shù)據(jù)都表示特殊的含義。利用激光測(cè)距[3]的原理是利用光速的傳播遇到物體后返回的時(shí)間來(lái)測(cè)量，當(dāng)距離比較近，則從發(fā)射激光到接收到激光這段時(shí)間非常的短，測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)處理不及時(shí)，就出現(xiàn)了設(shè)備測(cè)量的最小距離極限，一般稱(chēng)之為測(cè)量盲區(qū)，高度數(shù)據(jù)在低于某一個(gè)高度之后，高度數(shù)據(jù)不再變化采用類(lèi)似原理的超聲傳感器也有同樣的問(wèn)題，只是超聲傳感器的盲區(qū)會(huì)相對(duì)較小。

3.3無(wú)人機(jī)自主避障功能原理

無(wú)人機(jī)飛控姿態(tài)的解算需要用到3個(gè)傳感器，陀螺儀[4]，加速度計(jì)，磁力計(jì)[5]。一般情況下，通過(guò)陀螺儀數(shù)據(jù)積分就可以得到多旋翼飛行器的姿態(tài)，也可以通 過(guò)加速度傳感器正交分解得到多旋翼飛行器的姿態(tài)，而兩者結(jié)合互補(bǔ)則數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定多旋翼本身傳感器具有一個(gè)坐標(biāo)系，而多旋翼是處于地理坐標(biāo)系中，所以需要將多旋翼的坐標(biāo)系同地理坐標(biāo)系聯(lián)系統(tǒng)一起來(lái)。雖然我們?nèi)庋勰芰⒓窗l(fā)現(xiàn)多旋翼的運(yùn)動(dòng)方位，但多旋翼自己并不知道自己相對(duì)于地理坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)關(guān)系陀螺儀和加速度計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且恰好優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，所以當(dāng)單一傳感器不滿(mǎn)足要求時(shí)，我們將多種傳感器的數(shù)據(jù)融合，從而保證數(shù)據(jù)盡可能的更加準(zhǔn)確。

4 無(wú)人機(jī)基本原理及流程

4.1無(wú)人機(jī)工作原理及流程圖

使用者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)定，在網(wǎng)上平臺(tái)進(jìn)行下單，在接受所需運(yùn)輸物品的大小及物品運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)后，通過(guò)后臺(tái)處理調(diào)配相應(yīng)大小的無(wú)人機(jī)進(jìn)行物品的運(yùn)輸。使用者只需要下訂單，在預(yù)定位置接受貨物即可。無(wú)人機(jī)通過(guò)對(duì)地形的掃描，與后臺(tái)記錄的地圖數(shù)據(jù)相比較，這樣，使得無(wú)人機(jī)能夠精準(zhǔn)的將貨物送至客戶(hù)手中。無(wú)人機(jī)后臺(tái)通過(guò)對(duì)用戶(hù)與商家的溝通以及對(duì)無(wú)人機(jī)的地圖存儲(chǔ)的擴(kuò)展來(lái)達(dá)到物品的運(yùn)輸。無(wú)人機(jī)的動(dòng)力大小影響著無(wú)人機(jī)可運(yùn)輸物品的大小，動(dòng)力充足的無(wú)人機(jī)有著更高的效率。對(duì)于天氣因素影響無(wú)人機(jī)的運(yùn)輸，在惡劣天氣的情況下無(wú)人機(jī)服務(wù)會(huì)暫停，從而保證客戶(hù)物品的安全。

4.2無(wú)人機(jī)一鍵起飛、降落原理

一鍵起飛分為全速上升，減速上升，高度保持三個(gè)階段。在起飛的第一階段，必須要快速上升的否則可能導(dǎo)致飛機(jī)起飛失敗嚴(yán)重可能會(huì)炸機(jī)，第二階段當(dāng)起飛后接近目標(biāo)高低需要減速上升，第三階段是在目標(biāo)高度附近維持懸停。一鍵起飛需要在定點(diǎn)模式下使用，如果沒(méi)有在定點(diǎn)模式則需要飛手有較高的實(shí)踐飛行經(jīng)驗(yàn)，否則可能會(huì)導(dǎo)致起飛后飛機(jī)四處飄飛，從而使飛機(jī)炸雞，嚴(yán)重可能導(dǎo)致事故。

5 降落原理

針對(duì)搬運(yùn)物件重復(fù)工作量大、繁瑣的問(wèn)題，本文研究了一款可掃描二維碼的無(wú)人機(jī)搬運(yùn)，其主要由氣壓、激光傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，配備有專(zhuān)門(mén)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)互動(dòng)的目的，確保貨物準(zhǔn)確達(dá)到目的地。無(wú)人機(jī)通過(guò)對(duì)地形的掃描，與后臺(tái)記錄的地圖數(shù)據(jù)相比較，這樣，使得無(wú)人機(jī)能夠精準(zhǔn)的將貨物送至客戶(hù)手中。無(wú)人機(jī)后臺(tái)通過(guò)對(duì)用戶(hù)與商家的溝通以及對(duì)無(wú)人機(jī)的地圖存儲(chǔ)的擴(kuò)展來(lái)達(dá)到物品的運(yùn)輸。高效有序，本設(shè)計(jì)可以進(jìn)行多無(wú)人機(jī)配合作業(yè)，減少了人工重復(fù)勞動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

楊一帆，男，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生，研究方向：智能機(jī)器人設(shè)計(jì)。

潘曉云，女，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生，研究方向：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成;

董德武，男，武漢商學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生，研究方向：機(jī)器人控制，智能機(jī)器人設(shè)計(jì)。

通訊作者： 雷晶晶（1990-），女，湖北武漢人，碩士，武漢商學(xué)院教師，工程師;主要研究方向：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。

基金項(xiàng)目： 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)202111654003， 名稱(chēng)：病菌滅霸—新型智能消毒機(jī)器人。