無人機物流模式與機型概念設計范文
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摘要：在無人機技術(shù)和市場飛速發(fā)展的今天，無人機將徹底改變物流業(yè)已經(jīng)是不爭的事實。文章通過對無人機物流發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的分析，指出其在發(fā)展道路上存在的瓶頸，并提出創(chuàng)新無人機物流模式和對應的無人機產(chǎn)品設計，力求在問題出現(xiàn)之前解決問題。
一、背景分析
（一）民用無人機市場趨勢。目前無人機市場發(fā)展速度極其迅速。從國內(nèi)來看，大疆創(chuàng)新在五年內(nèi)總營收翻了一百倍，其他無人機廠商也出現(xiàn)了這種翻倍增收的趨勢。從國外看，五年前美國聯(lián)邦航空管理局曾經(jīng)預測2020年美國無人機數(shù)量將會達到15000架，但現(xiàn)在其每月售出的無人機數(shù)量都已超過這一數(shù)字；Teal集團預測截至2023年民用無人機市場將達到15億美元，復合增速將達到9%，該集團還特別提到，Google、Amazon等科技巨頭將給無人機市場帶來潛在的、難以預計的顛覆性變化。在這樣爆發(fā)式增長的情況下，如果無人機物流仍然沿用目前單點對單點的配送模式，不僅效率低下，而且將對民用空域資源造成過度占用。可以預期的是，如果任由無人機發(fā)展，并占用空域資源而不受到任何政策或管理制度上的限制，十余年后的天空將會受到除溫室氣體、霧霾以外的又一種形式的污染——無人機污染。因此有必要提前考慮在增加無人機運輸效率的前提下降低其對空域資源占用的方法。
（二）無人機物流研究現(xiàn)狀。目前民用市場普遍應用的無人機類型有多旋翼式無人機和固定翼無人機兩種。多旋翼無人機性能靈活，可以實現(xiàn)相當復雜且精確的飛行運動，并可實現(xiàn)垂直起降和空中懸停，這一點使得其起飛和降落的空間要求和限制相當小。但由于旋翼的能量轉(zhuǎn)換率低，其續(xù)航時間和飛行距離十分受限，并且飛行速度較其他形式的無人機低。固定翼無人機具有續(xù)航能力較強，能量利用率高的特點，且由于其產(chǎn)生升力的原理，可以達到很高的飛行速度。另外，固定翼無人機承載能力強，在飛行中可通過對襟翼和尾翼的微調(diào)來適應變化的載重，維持平衡和穩(wěn)定。但固定翼無人機靈活性較差，轉(zhuǎn)向較慢且轉(zhuǎn)向弧度較大，對起降場所要求比較苛刻，另外由于結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)成本昂貴。可以看出兩種主流無人機類型的優(yōu)劣勢基本上互補，但多旋翼無人機由于其出色的靈活性，在民用領(lǐng)域應用范圍更廣，因此占有了民用無人機市場的絕大部分份額。
二、無人機物流模式設計
本文設想了一個全新的模式，采用多旋翼無人機和固定翼無人機相互配合作業(yè)的方式，不僅能提升物流效率，還能有效減少物流無人機對空域資源的占用。模式將多旋翼式無人機作為子機，直接運載貨物，而將固定翼無人機作為母機，能夠裝載和釋放多架子機，以此實現(xiàn)無人機物流中多點對單點和單點對多點的結(jié)合，并能夠有效地將多旋翼無人機的靈活性和垂直起降能力與固定翼無人機的快速高效性能相結(jié)合，大大提高效率，顯著減少無人機對空域資源的占用。下面以單個子機為第一人稱對該模式設計進行分階段解讀。從單個子機的視角，在其配送作業(yè)過程中會依次經(jīng)過發(fā)貨點、接收站點、經(jīng)停站點（配送距離短時可能不會經(jīng)過）、分離站點和到貨點。
（一）運輸階段一：發(fā)貨點至接收站點。經(jīng)客戶確認線路后，多旋翼無人機從發(fā)貨點起飛，按照階段一的線路盡可能按直線飛向中轉(zhuǎn)站點，子機將在中轉(zhuǎn)站點被母機接收并裝載。可能使四旋翼無人機不能按直線飛行的原因有且不限于：民航設施周圍禁飛、政治因素（如政府機關(guān)上空禁飛）等。在即將到達接收站點時，固定翼機已在站點處懸停并開啟接收艙蓋，旋翼機降落在接收入口的降落區(qū)域后收疊以減小占用空間，并由接收入口進入固定翼機內(nèi)部的旋翼機艙位，等待分離。階段一的示意簡圖（如圖1）所示，A地為旋翼機出發(fā)地，B地為接收站點。
（二）運輸階段二：接收站點至釋放站點。固定翼母機的運作方式類似于公交車，在規(guī)劃好的機場（可建設在市郊的空曠區(qū)域）起飛和降落、按照規(guī)劃好的路線飛行，并在規(guī)劃好的站點進入懸停模式接收子機。母機完成對子機的接收后，由懸停狀態(tài)轉(zhuǎn)換為飛行狀態(tài)，進入運輸?shù)牡诙A段。此階段母機按照其班次規(guī)劃好的航線飛行，途中可能會經(jīng)過數(shù)個接收/釋放站點，在此處不論有無旋翼機待接收或釋放，固定翼機都將按照時間表在站點懸停一段時間。
（三）運輸階段三：分離站點至收貨點。固定翼母機在進入站點前會進行一段距離的減速，到達站點時速度剛好減為0，進入懸停狀態(tài)。母機與子機的分離步驟早于其在同一站點對子機的接收步驟。理論上在固定翼機完全懸停前，其飛行速度減速至旋翼機最大速度時即可開始釋放，如釋放過早會導致子機需要超過最大速度飛行一段時間，容易造成旋翼受損。子機在下落時自動展開旋翼，并通過四個旋翼之間的轉(zhuǎn)速差找回平衡，隨后便可飛向預定的收貨點。
（四）回收管理階段。完成送貨任務的子機，將自主前往就近的發(fā)貨配送點。所有配送點均能夠完成旋翼機的回收工作，并可以在其內(nèi)對回收的旋翼機進行檢查并補給損耗，狀態(tài)合格的旋翼機便可以直接從當前配送點執(zhí)行新的配送任務。在配送點內(nèi)進行能源補給，將采用機械手自動更換電池的方式。更換掉的電池將統(tǒng)一送至配送點內(nèi)的充電區(qū)進行充電，完成后這些電池便可以用來補給其他旋翼機。其他損耗需要根據(jù)實際情況進行維修。這樣的體系可以有效加快配送點內(nèi)旋翼機的周轉(zhuǎn)速度，從而加快了整體物流效率。
三、物流無人機設計系統(tǒng)中的無人機設計效果圖
（一）子機（四旋翼無人機）設計。該模式設計的核心即是以固定翼機裝載旋翼機的概念，而旋翼機尺寸越小，在固定翼機尺寸不變的前提下就可以裝載越多的旋翼機，提高運輸效率。因此在盡可能使用較大貨箱尺寸的前提下，通過變形手段減小裝載過程中旋翼機的尺寸。出于方便折疊的考慮，旋翼數(shù)量選定為四，即采用四旋翼無人機的形式。設計的四旋翼折疊結(jié)構(gòu)，能夠使其進入固定翼機時體積可以減小到飛行狀態(tài)的20%以下。折疊前后對比圖和折疊過程示意圖（如圖7、8）所示。四旋翼無人機通過連接每個旋翼的兩個轉(zhuǎn)軸的異向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)雙層折疊，且折疊全過程中保持槳葉在水平狀態(tài)，因此自由下落過程中可以在完全展開前就開始提供升力。在起落架的設計上參考了昆蟲足部的結(jié)構(gòu)，進行了局部仿生設計。在其轉(zhuǎn)換過程中，每個起落架內(nèi)部的兩個轉(zhuǎn)軸會帶動其外層運動，使起落架展開成一個四桿結(jié)構(gòu)，一來增加了起落架長度，二來在降落過程中進行緩沖，避免貨物造成損傷。
（二）母機（固定翼無人機）設計。設計的固定翼無人機的動力系統(tǒng)是由兩小一大總共三臺渦輪風扇式噴氣發(fā)動機組成的，其中主發(fā)動機在機身中間，而兩個副發(fā)動機掛在兩機翼下面。同時，從主發(fā)動機分出兩個排氣口放置在機身前側(cè)。飛行狀態(tài)時，副發(fā)動機不工作，僅由主發(fā)動機提供動力前進。當進行懸停狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時，排氣口首先向前排氣，進行減速，隨速度降低升力降低，此時排氣口由向前排氣逐漸轉(zhuǎn)換到垂直向下排氣，提供升力補足，與此同時副發(fā)動機傾轉(zhuǎn)到垂直向下的方向后開始運轉(zhuǎn)，最終當由氣流在機翼上提供的升力降為0，升力全部由排氣口和副發(fā)動機提供時完成向懸停狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。此時，艙蓋通過滑移的方式打開準備接收子機。轉(zhuǎn)換前后（如圖9）所示。子機的艙位在母機下方，兩列共18個艙位。旋翼機在通過傳送帶進入固定翼機內(nèi)部時，為了節(jié)省空間，會由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，再根據(jù)艙位空余在母機內(nèi)部進行分配。
（三）子機與母機的配合過程。當進行與旋翼機的分離操作時，需要分離的旋翼機所在的艙位蓋打開，旋翼機以垂直姿態(tài)自由落體，落體過程中展開旋翼，通過展開時旋翼之間的轉(zhuǎn)速差找回平衡（如圖10）。平衡過程中，處于下方的旋翼先開始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個將旋翼機拉回平衡狀態(tài)的力矩之后，其他旋翼再開始旋轉(zhuǎn)，相互配合回到平衡狀態(tài)。在艙蓋滑移后，旋翼機便可以降落在懸停的固定翼機上。在艙蓋下有一條鏈輪傳送帶，旋翼機需降落在傳送帶的前端降落區(qū)域，隨后在傳送帶的帶動下進入其內(nèi)部，直至旋翼機儲存箱。另外，在傳送帶前方與其相鄰的還有信號發(fā)送與接收裝置，用于與準備降落的旋翼機進行信息交流。
結(jié)語
無人機作為初步踏入民用領(lǐng)域的科技產(chǎn)品，其形式和應用領(lǐng)域還相當有限。本文探討的物流無人機和無人機物流模式設計，在無人機已有但遠不成熟的應用領(lǐng)域進行分析探討，預測出在產(chǎn)業(yè)成熟的道路上會遇到的問題，站在未來的視角使用新的思維解決問題，為無人機發(fā)展提出一種創(chuàng)新的思路。目前無人機發(fā)展的兩個主要瓶頸是空域資源問題和安全問題，本文的探討和設計僅針對前者。但即便如此，新的無人機物流系統(tǒng)仍然需要有關(guān)部門的協(xié)調(diào)和配合，需要相關(guān)法律法規(guī)的完善。因此，要想徹底打開人們對無人機應用的想象空間，政府協(xié)調(diào)和制度優(yōu)化將必不可少。
作者：朱啟豪；干靜；呂冰心 單位：四川大學
