无人机快递系统基本原理及操作难点

　　无人机快递（UAV Express），即通过利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶的低空飞行器运载包裹，自动送达目的地，其优点主要在于解决偏远地区的配送问题，提高配送效率，同时减少人力成本。缺点主要在于恶劣天气下无人机会送货无力，在飞行过程中，无法避免人为破坏等。顺丰快递已有，但未大范围使用。

　　2020年4月29日消息， 美国亚马逊快递配送人员称因为在配送过程中无法保持安全距离，担心感染新冠病毒，纷纷罢工。而与之相对的是，谷歌无人机派上了大用场，业务量翻倍。

　　基本原理

　　无人机快递无人机快递系统的组成有许多种，介绍一种较为常见的系统。

　　模块介绍

　　核心模块主要功能如下：

　　一、 快递无人机无人机采用八旋翼飞行器，配有GPS自控导航系统、iGPS接收器、各种传感器以及无线信号发收装置。无人机具有GPS自控导航、定点悬浮、人工控制等多种飞行模式，集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计、气压高度计等多种高精度传感器和先进的控制算法。无人机配有黑匣子，以记录状态信息。同时无人机还具有失控保护功能，当无人机进入失控状态时将自动保持精确悬停，失控超时将就近飞往快递集散分点。

　　无人机通过4G网络和无线电通信遥感技术与调度中心和自助快递柜等进行数据传输，实时的向调度中心发送自己的地理坐标和状态信息，接收调度中心发来的指令，在接收到目的坐标以后采用GPS自控导航模式飞行，在进入目标区域后向目的快递柜发出着陆请求、本机任务报告和本机运行状态报告，在收到着陆请求应答之后，由快递柜指引无人机在快递柜顶端停机平台着陆、装卸快递、以及进行快速充电。

　　无人机在发出请求无应答超时之后再次向目的收发柜发送请求，三次超时以后向调度中心发送着陆请求异常报告、本机任务状态报告和本机运行状态报告，请求指令。无人机在与调度中心失去联系或者出现异常故障之后将自行飞往快递集散分点。

　　二、自助快递柜快递柜配备有一台计算机、无人机排队决策系统、快递管理系统、iGPS定位系统、无人机着陆引导系统、一个装卸快递停机台、八个临时停机台、一套机械传送系统、四部自助快递终端和多个快递箱等。快递柜顶部的所有停机台都具有快速充电功能。

　　无人机向快递柜发送着陆请求、本机任务报告和本机运行状态报告后，快递柜将无人机编号、该机任务以及任务优先权等信息输入系统，由排队决策系统分配停机平台，再由无人机着陆引导系统引导无人机降落，或者向无人机发出悬停等待指令。无人机收到快递柜接受着陆指令后，持续地将本机上iGPS接收器收到红外激光定位信号和本机编号回传给快递柜，快递柜将精确掌握无人机坐标信息，并引导无人机精准着陆。当快递柜出现无人机队列拥挤状态时，将向调度中心发送队列拥挤报告，调度中心将停止向无人机发送此快递柜的装卸指令。

　　快递柜将实时地向调度中心发送该柜的快递列表信息，包括快递基本信息、快递优先权、快递接收时间，本柜快递拥塞状态报告。快递柜可根据业务开展的程度以及成本的考量以住宅小区为单位架设，或者架设在部分大楼的楼顶快递柜还配备有摄像头，实时地监控记录快递柜周围的环境状况，以保障用户快递以及系统设施的安全。

　　用户通过快递柜投送快递：当用户按下投件按钮后，如果快递柜未满将弹开一个空的投件箱箱门，用户从快递盒架上取出一个快递盒，并将快递放入快递盒内，然后将快递盒放入投件箱中并关上箱门，投件箱将检测快递是否达标，包括重量、危险度等方面的检测，如果检测达标，将提示用户输入投递信息和投递等级，在确认目的地可达以后，将根据快递重量、送件距离和投递优先级给出价格，用户可现场支付，也可以根据需求由快递收取方网上支付或者货到付款。快递柜完全接受快递以后将通过蓝牙向快递盒发送快件信息，快递盒将记录下快件信息，用于快件的身份识别。

　　无人机与快递柜对接后卸载快递盒，快递盒由机械传送装置带入快递箱中，快递柜将根据无人机任务报告和快递盒记忆模块中的信息核实快递，并向用户发送手机短信，提醒快递已经抵达，并给出取件密码和温馨提示。如果用户超过了收取快递的时限将根据超时长交付快递箱占用费，如果超过系统预设时限，快递将被退回或者转移至快递集散分点。

　　三、快递盒快递盒内置蓝牙和记忆模块，主要用于封装快递，便于无人机携带，以及对快件的身份识别。快递盒空闲时放置在快递柜的快递盒架上，可供用户自行取用

　　四、快递集散分点分点负责不同区域间快递的集散功能。无人机接收调度中心指令，将异地快递运往分点。根据需求，可以按区域设立卸货通道，分点发出指令引导无人机降落卸货，卸下的快递将传送、聚集、封装，然后运往机场。同时调度中心将快递信息发往各目的区域的调度中心。此外，分点还负责对无人机的安检、维修工作，同时也具备无人机临时停放，快速充电，异常快递仓库等功能。

　　五、快递集散基地异地快递在抵达本区域后先运往集散基地，基地根据快递盒的记忆模块中的快件信息将快递按片区分类，并运往该片区的分点，同时基地将所有到达的快递信息入库，并同时将信息发送到调度中心。

　　六、区域调度中心调度中心统一管理本区域所有快递的接收与投放，同时对无人机进行调度。调度中心同时监测无人机运行状态和自助快递柜运行状态，对其出现的异常或拥塞根据策略及时地发送相应指令。

　　快递收发流程

　　根据无人机的续航能力、快递业务量的地理分布、通讯的实时可靠性、系统的容积能力以及建设成本等诸多因素的综合考虑，将整个系统划分为若干区域，区域内部独立运作，区域之间协同运作。

　　一、区域内快递收发自助快递柜在接收用户放入的快递后向调度中心发送收件信息，调度系统通过决策挑选出合适的无人机，并向无人机发送任务指令以及目的坐标，无人机收到指令后飞往目标，快递柜将引导无人机着陆并自动装卸快递，快递在送达目的快递柜之后，快递柜向用户发送领件短信。流程如图1所示：图1 流程图

　　二、区域间快递收发调度中心在收到发往其他区域的快递信息后，将指引无人机收件后就近送往本区域的快递集散分点，分点自动将快递按区域分类，并装箱后送往机场，由大型飞机送往目的区域的快递集散基地，基地在收到快递箱以后拆分，集中将同一片区的快递送往该片区的快递集散分点，再由调度中心调度无人机送往目的自助快递柜。流程如图2所示：

　　

　　图2 流程图

　　系统调动策略

　　调动策略的核心是建立无人机状态列表，包括无人机编号、当前坐标、当前任务状态、运行状态、续航能力等。建立自助快递柜状态列表，包括快递柜编号、地理坐标、运转状态、拥塞程度等。

　　其具体方法为关联无人机状态列表和快递柜状态列表为每一部快递柜生成一张预设半径范围内无人机到达时刻表，此表包括：无人机编号、预计到达时间（通过对停泊装卸时间、平均飞行速度的统计，以及无人机当前坐标、当前任务和快递柜坐标估算求得）、预计无人机续航能力、停机位状态等；停机位包括三种状态：停在装卸平台、停在临时平台以及悬浮态。该表按到达时间、续航能力和停机位排序。半径的设定视无人机群规模统计优化而定，目的在于优化系统、缩减响应时间，无人机群规模较小的情况下可设为全区域。建立快递投送队列表，包括：快递编码、所在快递柜编号、目的快递柜编号、所需续航能力、快递优先级等，按优先级排序，优先级由快递等级和收件时间确定。过程如图3所示：图3 调度流程调度流程的步骤如下：（1）无人机实时地向调度中心发送状态信息，调度中心实时更新无人机状态列表；（2）快递柜收到快递后向调度中心发送收件信息，调度中心更新快递投送表；（3）从投送表中取出优先级最高的快递编码，及其所在的快递柜编号和目的快递柜编号；（4）从此部快递柜的无人机到达时刻表中取出具备续航能力且最快到达的无人机编号；（5）调度中心向此无人机发送指令，给出收件坐标位置和投件坐标位置；（6）无人机到达目标位后，向快递柜发送着陆请求；（7）利用iGPS定位系统，快递柜精确引导无人机对接着陆装卸快件；（8）无人机装卸后将向调度中心发送快递到位报告（或无人机收件成功、或快件送达目的地）；（9）无人机如任务未完，或有其他任务将继续进行，如：飞往目的快递柜投送快递、在此快递柜收件、或飞离此快递柜；（10）无人机如无其他任务，将接收快递柜引导停靠临时停机台的让位指令，快递柜会在收到其他无人机发出着陆请求时发出让位指令；（11）快递柜在快递入柜后将向调度中心发送快递到位确认报告，并同时向用户发送手机短信，提醒用户及时收取，内容包括提取密码以及超时收费和退还原地的温馨提示（12）超过系统设定时限未被取走的快递将按照无人查收的方式退回原地，并短信通知用户。退回后超时无人取走的快递将送往就近的集散分点储存。

　　系统分析

　　分析表明，为了避免系统出现拥塞状态以至系统崩溃，在一个区域内吞吐快递的极限速率与区域无人机总量成正比，与区域的自助快递柜总量也成正比。

　　如式（1）所示：V1=k1×N+k2×M；（1）式中：V1为吞吐快递的极限速率；k1、k2为系数；N为无人机总量；M为快递柜总量。进一步分析表明，无人机最大总量可以由快递柜的总量、快递柜应对无人机最大量、无人机极限飞行速度以及区域面积来确定，

　　如式（2）所示：Nmax=K×M+k3×（S/V2）；（2）式中：Nmax为无人机最大总量；K为快递柜应对无人机最大量；M为快递柜总量；k3为系数；V2为无人机极限飞行速度；S为区域面积。由此我们可以得出结论，自动化无人机快递系统的重点在于自助快递柜的布局与建设上，系统的吞吐量最终由快递的数量确定，合理地规划快递柜、提高快递柜应对无人机的能力、以及提升无人机飞行速度可以有效应对快递的增长速度，以及优化各种成本资源。

　　发展历程

　　2013年6月，美国Matternet公司在海地和多米加共和国测试了无人机网络，无人机能够携载2公斤物体飞行9.7公里。该公司希望建立一个庞大的国际无人机运输网络和无人机配件全球供应系统，同时，还计划建立充电基站，使无人机可以沿途降落进行充电。

　　2013年9月，顺丰自主研发的用于派送快件的无人机完成了内部测试，在局部地区试运行。这种无人机采用八旋翼，下设载物区，飞行高度约100米，内置导航系统，工作人员预先设置目的地和路线，无人机将自动到达目的地，误差在2米以内。

　　2013年12月，亚马逊表示在测试一个叫作”Prime Air“的无人机快递项目，通过使用8桨遥控无人机实现鞋盒包装以下大小货物的配送，所有订单从发货开始预计会在30分钟内送达1.6公里范围内的客户手中。与此同时，UPS也在试验类似的无人机设备。

　　2014年8月，谷歌公布了悄然实施了两年的“翼计划”送货无人机研发项目，表示希望在几年内推出小型无人机快递服务。谷歌送货无人机的原型机宽约1.5米，高约0.8米，有4个推进器，能从距地约46米的高度向地面递送包裹。

　　2014年10月，DHL宣布将在德国实现无人机送货。该公司的四旋翼无人机可运载1.2公斤的货物，飞行时间可达45分钟，时速最高可达65千米，但该无人机并非完全脱离人力，依然受到地面工作人员的控制。

　　2015年2月，淘宝联合圆通速递，在北京、上海、广州部分区域开展的无人机快递实验。该螺旋桨驱动无人机的型号为黑白机身，占地约0.25平方米。

　　2015年6月30日，以色列公司推出送快递无人机，价格不足4000元。

　　谷歌无人机已申请快递包裹专利 自从亚马逊和沃尔玛相继进军了物流业并推出无人机配送包裹服务之后，从不甘落人后的谷歌，也在近期申请了关于无人机送快递包裹的专利。据悉，根据 美国专利商标局公布的一项专利申请显示可以看出，谷歌研发的这个项目，是一个安装在“航空配送设备”上的“快递接收容器”，方便用来把包裹安全地送到目的 地。

　　2016年9月19日，国内初创公司迅蚁无人机与中国邮政浙江安吉分公司联合开通了中国第一条无人机快递邮路，也就是“杭垓镇—七管村”无人机邮路，开通之后，由于不需要行走在蜿蜒曲折的公路上，无人机邮路缩短到了10公里，飞行时间约15分钟。

　　2019年4月23日，美国联邦航空局宣布，向谷歌母公司“字母表”旗下的无人机配送公司“翼航空”发放美国首个无人机配送许可。

　　推行意义

　　无人机快递自动化无人机快递系统利用无人机替代人工投送快递，旨在实现快递投送的自动化、无人化、信息化，提升快递的投递效率和服务质量，以便缓解快递需求与快递服务能力之间的矛盾。本系统的实现能有效应对订单量的巨额增长，消除快递“爆仓”的危险，提升快递行业的服务质量，降低快件的延误率、损毁率、丢失率，以及快递投诉率，同时还能降低运营成本、仓库成本、人力成本等，提升行业竞争力，使快递的投送更加的安全、可靠、快捷。

　　操作难点

　　一、技术问题

　　在技术上，无人机快递还处于试验阶段，其可靠性与飞行安全性还要面临考验。无人机的载重量一般不超过3公斤，续航时间仅20分钟上下，其最远也不超过10公里。此外，一旦遇到狂风暴雨，无人机会被刮得找不着北。如果无人机受到电磁干扰失去控制，只能机毁货亡。

　　其次，如果不能实现比较彻底的高度自主，还需要人员地面遥控，那么这产生的人力成本也会让企业望而却步。因此，成熟可靠的人工智能是技术上的关键所在，而不论国内外，这些技术距离实用化都还有一定距离。

　　二、使用监管

　　无人机快递的实质是对低空空域的广泛使用，个别试验性运行尚无大碍，当无人机快递广泛普及形成比较密集的低空交通流的时候，空域管理与管制就必不可少。

　　然而，微型飞行器的雷达探测与通讯联络在技术上都属于空白，低空和超低空空域的管制与管理也很不成熟，相关管理部门在这方面少有成熟管理体系与操作经验。因此，无人机快递恐怕还没有普及就会状况频发乃至被叫停。

　　三、民众反感

　　美国亚马逊宣布无人机快递服务计划后，有民众对无人机表示反感。美国科罗拉多州迪尔特雷尔地区探讨是否通过允许射击无人机的法案，一位当地居民甚至已经开始开设“如何射击无人机”的课程。有网友说：“我可不想每天听到无人机的噪音。”

　　四、社会评价对于无人机快递测试，业内普遍并不看好，因为其立即实施还有一定的难度。从覆盖区域上看，采用无人机派收件的形式，确实会弥补一些不足。但是，在部分偏远地区，快件带来的收益可能远远不够进行无人机网点建设、支付维修费用。虽然采用“无人机”能有效提高配送效率，减少人力、运力成本，但是，前期要支出相当高的成本。

　　尽管从技术上讲无人机快递可以实现，但在政策层面存在一定推广风险。此类飞行器上天，至少还要解决低空运输管制问题，这还需要相应的政策出台。

　　不过，无论无人机的驾驶控制还是低空空域的管理与控制问题，其实都可以用人工智能的程序管理来解决。假以时日，相信高度发展成熟的智能系统可以解决从物流管理到无人机驾驶，再到空域管制的一系列全系统的难题，当然这有赖于科技人员的努力。

　　无人机送快递成本几何？低的吓人。在持续测试下，亚马逊在无人机方面优势不断提升。日前，有研究公司发布研究报告称，亚马逊通过无人机配送快件成本能降低到约1美元/件，仅相当于当日达业务的零头。在业内人士看来，无人机未来在快件配送方面将大有可为，但由于受政策、安全等因素影响，中国难在五年内实现大范围商用。

　　押宝无人机

　　亚马逊作为最早一批测试无人机派送快件的商业企业，在此方面投入了极大的精力和热情。亚马逊不仅成为技术最成熟的企业之一，也在实际应用中积累了大量数据和经验。

　　金融研究公司ARK Invest日前在一项研究中表示，亚马逊无人机送快递每件成本能降低到仅约1美元（约6元人民币），配送时效也提升至最快30分钟送达。

　　亚马逊在无人机方面的测试颇为坚定，甚至推动着美国政府政策的制定。亚马逊CEO杰夫·贝索斯在2013年底首次对外透露了亚马逊的“Prime Air”物流计划，即希望通过遥控无人机运送小型包裹。此后亚马逊在无人机方面的测试信息不断，但受美国政策方面影响，亚马逊甚至将测试搬到了澳大利亚、加拿大等地区。

　　随着亚马逊测试的不断深入，日前，美国联邦航空局FAA表示，亚马逊可以在美国自由测试货运无人机，前提是飞行高度不得超过400英尺，时速不得超过100英里/小时。

　　优势明显

　　吸引亚马逊耗费重金测试无人机项目的是其无可比拟的天然优势。在业内看来，无人机配送不仅能大幅降低配送成本，还可提高效率，解决偏远地区的配送难题。包括亚马逊、DHL、顺丰、美团在内的企业均在大量测试无人机配送快件。据了解，企业测试用的无人机主要为四旋翼或八旋翼式，飞行高度在1000米以下，飞行半径在10公里上下，承重在10公斤以内。

　　在业内看来，无人机非常适用于偏远地区和紧急件的派送，同时能有效提高配送效率，减少人力、运力成本。据了解，亚马逊每单的配送成本平均为2-8美元，如果大幅度采用无人机送货，配送成本将降至每件约1美元的最低水平。9月，DHL曾在一个月时间内利用无人机向德国北海一个名为Juist的小岛运送药品，解决陆运不便等难题。

　　亚马逊曾表示，最终目标是利用200-500英尺高度的天空进行无人机快递业务，通过低于55镑的高度自动化无人机，以飞行距离10公里以上、飞行速度50英里/小时的效率为消费者提供5镑以下的快件配送。

　　巨头的决定总有着惊人的相似，在无人机方面同样如此。顺丰作为国内民营快递巨头，也是最专注无人机的快递企业。顺丰正在珠三角地区大量测试无人机，收集飞行数据，为将来整体运营、调试系统的搭建提供数据支撑。据了解，顺丰无人机测试点航线包括山区、大型湖泊水库、偏远乡村等。

　　政策障碍

　　虽然国内快递企业使用无人机配送快件消息不断，但多为营销之举，并无太大实际运用意义。此前甚至传出遥控员坐在电动三轮车上遥控头顶的无人机配送快件。有业内人士向北京商报记者坦言，虽然国内无人机技术与美国等地尚存在较大差距，但最关键的还是政策问题，国内无人机投入快件配送至少要到4-5年以后。

　　据了解，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。上述业内人士表示，国内无人机应用范围控制在500米以内，飞行高度一旦超过1000米即有可能危及飞机航线安全。无人机的大规模应用意味着需要申请大量航线，情况下并不现实。

　　安全问题是相关部门和企业必须重视的一个因素。在相关部门看来，无人机的商用将使恐怖袭击安全隐患加大。在上述业内人士看来，受天气等因素影响，无人机也存在随时坠落的可能。此外，无人机旋翼等部件也存在伤人的概率。

　　但无人机市场的繁荣已经促使国内相关部门加速制定相关飞行标准。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。同时我国的《无人机飞行管理规定》正在制定当中，可能将对此类飞行器的商业应用做出明确规定。

　　编辑：黄飞