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无人机物流模式与机型概念设计

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摘要:在无人机技术和市场飞速发展的今天,无人机将彻底改变物流业已经是不争的事实。文章通过对无人机物流发展现状和趋势的分析,指出其在发展道路上存在的瓶颈,并提出创新无人机物流模式和对应的无人机产品设计,力求在问题出现之前解决问题。

关键词:物流;无人机;模式;概念设计

一、背景分析

(一)民用无人机市场趋势。目前无人机市场发展速度极其迅速。从国内来看,大疆创新在五年内总营收翻了一百倍,其他无人机厂商也出现了这种翻倍增收的趋势。从国外看,五年前美国联邦航空管理局曾经预测2020年美国无人机数量将会达到15000架,但现在其每月售出的无人机数量都已超过这一数字;Teal集团预测截至2023年民用无人机市场将达到15亿美元,复合增速将达到9%,该集团还特别提到,Google、Amazon等科技巨头将给无人机市场带来潜在的、难以预计的颠覆性变化。在这样爆发式增长的情况下,如果无人机物流仍然沿用目前单点对单点的配送模式,不仅效率低下,而且将对民用空域资源造成过度占用。可以预期的是,如果任由无人机发展,并占用空域资源而不受到任何政策或管理制度上的限制,十余年后的天空将会受到除温室气体、雾霾以外的又一种形式的污染——无人机污染。因此有必要提前考虑在增加无人机运输效率的前提下降低其对空域资源占用的方法。

(二)无人机物流研究现状。目前民用市场普遍应用的无人机类型有多旋翼式无人机和固定翼无人机两种。多旋翼无人机性能灵活,可以实现相当复杂且精确的飞行运动,并可实现垂直起降和空中悬停,这一点使得其起飞和降落的空间要求和限制相当小。但由于旋翼的能量转换率低,其续航时间和飞行距离十分受限,并且飞行速度较其他形式的无人机低。固定翼无人机具有续航能力较强,能量利用率高的特点,且由于其产生升力的原理,可以达到很高的飞行速度。另外,固定翼无人机承载能力强,在飞行中可通过对襟翼和尾翼的微调来适应变化的载重,维持平衡和稳定。但固定翼无人机灵活性较差,转向较慢且转向弧度较大,对起降场所要求比较苛刻,另外由于结构复杂,生产成本昂贵。可以看出两种主流无人机类型的优劣势基本上互补,但多旋翼无人机由于其出色的灵活性,在民用领域应用范围更广,因此占有了民用无人机市场的绝大部分份额。

二、无人机物流模式设计

本文设想了一个全新的模式,采用多旋翼无人机和固定翼无人机相互配合作业的方式,不仅能提升物流效率,还能有效减少物流无人机对空域资源的占用。模式将多旋翼式无人机作为子机,直接运载货物,而将固定翼无人机作为母机,能够装载和释放多架子机,以此实现无人机物流中多点对单点和单点对多点的结合,并能够有效地将多旋翼无人机的灵活性和垂直起降能力与固定翼无人机的快速高效性能相结合,大大提高效率,显著减少无人机对空域资源的占用。下面以单个子机为第一人称对该模式设计进行分阶段解读。从单个子机的视角,在其配送作业过程中会依次经过发货点、接收站点、经停站点(配送距离短时可能不会经过)、分离站点和到货点。

(一)运输阶段一:发货点至接收站点。经客户确认线路后,多旋翼无人机从发货点起飞,按照阶段一的线路尽可能按直线飞向中转站点,子机将在中转站点被母机接收并装载。可能使四旋翼无人机不能按直线飞行的原因有且不限于:民航设施周围禁飞、政治因素(如政府机关上空禁飞)等。在即将到达接收站点时,固定翼机已在站点处悬停并开启接收舱盖,旋翼机降落在接收入口的降落区域后收叠以减小占用空间,并由接收入口进入固定翼机内部的旋翼机舱位,等待分离。阶段一的示意简图(如图1)所示,A地为旋翼机出发地,B地为接收站点。

(二)运输阶段二:接收站点至释放站点。固定翼母机的运作方式类似于公交车,在规划好的机场(可建设在市郊的空旷区域)起飞和降落、按照规划好的路线飞行,并在规划好的站点进入悬停模式接收子机。母机完成对子机的接收后,由悬停状态转换为飞行状态,进入运输的第二阶段。此阶段母机按照其班次规划好的航线飞行,途中可能会经过数个接收/释放站点,在此处不论有无旋翼机待接收或释放,固定翼机都将按照时间表在站点悬停一段时间。

(三)运输阶段三:分离站点至收货点。固定翼母机在进入站点前会进行一段距离的减速,到达站点时速度刚好减为0,进入悬停状态。母机与子机的分离步骤早于其在同一站点对子机的接收步骤。理论上在固定翼机完全悬停前,其飞行速度减速至旋翼机最大速度时即可开始释放,如释放过早会导致子机需要超过最大速度飞行一段时间,容易造成旋翼受损。子机在下落时自动展开旋翼,并通过四个旋翼之间的转速差找回平衡,随后便可飞向预定的收货点。

(四)回收管理阶段。完成送货任务的子机,将自主前往就近的发货配送点。所有配送点均能够完成旋翼机的回收工作,并可以在其内对回收的旋翼机进行检查并补给损耗,状态合格的旋翼机便可以直接从当前配送点执行新的配送任务。在配送点内进行能源补给,将采用机械手自动更换电池的方式。更换掉的电池将统一送至配送点内的充电区进行充电,完成后这些电池便可以用来补给其他旋翼机。其他损耗需要根据实际情况进行维修。这样的体系可以有效加快配送点内旋翼机的周转速度,从而加快了整体物流效率。

三、物流无人机设计系统中的无人机设计效果图

(一)子机(四旋翼无人机)设计。该模式设计的核心即是以固定翼机装载旋翼机的概念,而旋翼机尺寸越小,在固定翼机尺寸不变的前提下就可以装载越多的旋翼机,提高运输效率。因此在尽可能使用较大货箱尺寸的前提下,通过变形手段减小装载过程中旋翼机的尺寸。出于方便折叠的考虑,旋翼数量选定为四,即采用四旋翼无人机的形式。设计的四旋翼折叠结构,能够使其进入固定翼机时体积可以减小到飞行状态的20%以下。折叠前后对比图和折叠过程示意图(如图7、8)所示。四旋翼无人机通过连接每个旋翼的两个转轴的异向旋转,实现双层折叠,且折叠全过程中保持桨叶在水平状态,因此自由下落过程中可以在完全展开前就开始提供升力。在起落架的设计上参考了昆虫足部的结构,进行了局部仿生设计。在其转换过程中,每个起落架内部的两个转轴会带动其外层运动,使起落架展开成一个四杆结构,一来增加了起落架长度,二来在降落过程中进行缓冲,避免货物造成损伤。

(二)母机(固定翼无人机)设计。设计的固定翼无人机的动力系统是由两小一大总共三台涡轮风扇式喷气发动机组成的,其中主发动机在机身中间,而两个副发动机挂在两机翼下面。同时,从主发动机分出两个排气口放置在机身前侧。飞行状态时,副发动机不工作,仅由主发动机提供动力前进。当进行悬停状态的转换时,排气口首先向前排气,进行减速,随速度降低升力降低,此时排气口由向前排气逐渐转换到垂直向下排气,提供升力补足,与此同时副发动机倾转到垂直向下的方向后开始运转,最终当由气流在机翼上提供的升力降为0,升力全部由排气口和副发动机提供时完成向悬停状态的转换。此时,舱盖通过滑移的方式打开准备接收子机。转换前后(如图9)所示。子机的舱位在母机下方,两列共18个舱位。旋翼机在通过传送带进入固定翼机内部时,为了节省空间,会由水平状态转变为垂直状态,再根据舱位空余在母机内部进行分配。

(三)子机与母机的配合过程。当进行与旋翼机的分离操作时,需要分离的旋翼机所在的舱位盖打开,旋翼机以垂直姿态自由落体,落体过程中展开旋翼,通过展开时旋翼之间的转速差找回平衡(如图10)。平衡过程中,处于下方的旋翼先开始旋转,产生一个将旋翼机拉回平衡状态的力矩之后,其他旋翼再开始旋转,相互配合回到平衡状态。在舱盖滑移后,旋翼机便可以降落在悬停的固定翼机上。在舱盖下有一条链轮传送带,旋翼机需降落在传送带的前端降落区域,随后在传送带的带动下进入其内部,直至旋翼机储存箱。另外,在传送带前方与其相邻的还有信号发送与接收装置,用于与准备降落的旋翼机进行信息交流。

结语

无人机作为初步踏入民用领域的科技产品,其形式和应用领域还相当有限。本文探讨的物流无人机和无人机物流模式设计,在无人机已有但远不成熟的应用领域进行分析探讨,预测出在产业成熟的道路上会遇到的问题,站在未来的视角使用新的思维解决问题,为无人机发展提出一种创新的思路。目前无人机发展的两个主要瓶颈是空域资源问题和安全问题,本文的探讨和设计仅针对前者。但即便如此,新的无人机物流系统仍然需要有关部门的协调和配合,需要相关法律法规的完善。因此,要想彻底打开人们对无人机应用的想象空间,政府协调和制度优化将必不可少。

作者:朱启豪;干静;吕冰心 单位:四川大学

无人机物流模式与机型概念设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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