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摘要：在無人機(jī)技術(shù)和市場飛速發(fā)展的今天，無人機(jī)將徹底改變物流業(yè)已經(jīng)是不爭的事實(shí)。文章通過對無人機(jī)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(jī)物流模式和對應(yīng)的無人機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，力求在問題出現(xiàn)之前解決問題。

關(guān)鍵詞：物流 無人機(jī) 模式 概念設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）02-0020-02

Abstract：With the rapid development of unmanned aircraft technology and market，it is an indisputable fact that the unmanned aircraft vehicle （UAV） will completely change the logistics industry in the future. Based on the analysis of current situation and trend of UAV logistics development，this paper points out its bottleneck and puts forward the innovative design of both the UAV logistics mode and the corresponding UAV products，aims to solve the problems before they arise.

Keywords：Logistics  UAV  Mode  Conceptual design

（一）民用無人機(jī)市場趨勢。目前無人機(jī)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(jī)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(yù)測2020年美國無人機(jī)數(shù)量將會達(dá)到15000架，但現(xiàn)在其每月售出的無人機(jī)數(shù)量都已超過這一數(shù)字；Teal集團(tuán)預(yù)測截至2023年民用無人機(jī)市場將達(dá)到15億美元，復(fù)合增速將達(dá)到9%，該集團(tuán)還特別提到，Google、Amazon等科技巨頭將給無人機(jī)市場帶來潛在的、難以預(yù)計(jì)的顛覆性變化。

在這樣爆發(fā)式增長的情況下，如果無人機(jī)物流仍然沿用目前單點(diǎn)對單點(diǎn)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(yù)期的是，如果任由無人機(jī)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(jī)污染。因此有必要提前考慮在增加無人機(jī)運(yùn)輸效率的前提下降低其對空域資源占用的方法。

（二）無人機(jī)物流研究現(xiàn)狀。目前民用市場普遍應(yīng)用的無人機(jī)類型有多旋翼式無人機(jī)和固定翼無人機(jī)兩種。

多旋翼無人機(jī)性能靈活，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜且精確的飛行運(yùn)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)垂直起降和空中懸停，這一點(diǎn)使得其起飛和降落的空間要求和限制相當(dāng)小。但由于旋翼的能量轉(zhuǎn)換率低，其續(xù)航時(shí)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(jī)低。

固定翼無人機(jī)具有續(xù)航能力較強(qiáng)，能量利用率高的特點(diǎn)，且由于其產(chǎn)生升力的原理，可以達(dá)到很高的飛行速度。另外，固定翼無人機(jī)承載能力強(qiáng)，在飛行中可通過對襟翼和尾翼的微調(diào)來適應(yīng)變化的載重，維持平衡和穩(wěn)定。但固定翼無人機(jī)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(fù)雜，生產(chǎn)成本昂貴。

可以看出兩種主流無人機(jī)類型的優(yōu)劣勢基本上互補(bǔ)，但多旋翼無人機(jī)由于其出色的靈活性，在民用領(lǐng)域應(yīng)用范圍更廣，因此占有了民用無人機(jī)市場的絕大部分份額。

無人機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)讓企業(yè)開始思考是否可以將無人機(jī)運(yùn)用到物流領(lǐng)域，如此一來不僅可以減少成本，同時(shí)還可以克服環(huán)境帶來的不確定影響，增加效率。因此國內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)著手于物流無人機(jī)的研究（如表1）。

表1 國內(nèi)外主要物流企業(yè)無人機(jī)配送研究現(xiàn)狀

正在研發(fā)中的物流無人機(jī)多集中在多旋翼無人機(jī)和垂直起降固定翼無人機(jī)兩類上。垂直起降固定翼無人機(jī)結(jié)合了多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以在旋翼模式和固定翼模式之間切換，相比傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)，其續(xù)航能力和飛行速度都得到了較大提升。

然而無論何種類型的物流無人機(jī)都沒有擺脫單點(diǎn)對單點(diǎn)配送模式的限制，因此對空域資源的占用問題仍然得不到有效解決。

本文設(shè)想了一個(gè)全新的模式，采用多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)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(jī)對空域資源的占用。

模式將多旋翼式無人機(jī)作為子機(jī)，直接運(yùn)載貨物，而將固定翼無人機(jī)作為母機(jī)，能夠裝載和釋放多架子機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)無人機(jī)物流中多點(diǎn)對單點(diǎn)和單點(diǎn)對多點(diǎn)的結(jié)合，并能夠有效地將多旋翼無人機(jī)的靈活性和垂直起降能力與固定翼無人機(jī)的快速高效性能相結(jié)合，大大提高效率，顯著減少無人機(jī)對空域資源的占用。

下面以單個(gè)子機(jī)為第一人稱對該模式設(shè)計(jì)進(jìn)行分階段解讀。從單個(gè)子機(jī)的視角，在其配送作業(yè)過程中會依次經(jīng)過發(fā)貨點(diǎn)、接收站點(diǎn)、經(jīng)停站點(diǎn)（配送距離短時(shí)可能不會經(jīng)過）、分離站點(diǎn)和到貨點(diǎn)。

（一）運(yùn)輸階段一：發(fā)貨點(diǎn)至接收站點(diǎn)。經(jīng)客戶確認(rèn)線路后，多旋翼無人機(jī)從發(fā)貨點(diǎn)起飛，按照階段一的線路盡可能按直線飛向中轉(zhuǎn)站點(diǎn)，子機(jī)將在中轉(zhuǎn)站點(diǎn)被母機(jī)接收并裝載。可能使四旋翼無人機(jī)不能按直線飛行的原因有且不限于：民航設(shè)施周圍禁飛、政治因素（如政府機(jī)關(guān)上空禁飛）等。在即將到達(dá)接收站點(diǎn)時(shí)，固定翼機(jī)已在站點(diǎn)處懸停并開啟接收艙蓋，旋翼機(jī)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(jìn)入固定翼機(jī)內(nèi)部的旋翼機(jī)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(jī)出發(fā)地，B地為接收站點(diǎn)。

（二）運(yùn)輸階段二：接收站點(diǎn)至釋放站點(diǎn)。固定翼母機(jī)的運(yùn)作方式類似于公交車，在規(guī)劃好的機(jī)場（可建設(shè)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(diǎn)進(jìn)入懸停模式接收子機(jī)。

母機(jī)完成對子機(jī)的接收后，由懸停狀態(tài)轉(zhuǎn)換為飛行狀態(tài)，進(jìn)入運(yùn)輸?shù)牡诙A段。此階段母機(jī)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(gè)接收/釋放站點(diǎn)，在此處不論有無旋翼機(jī)待接收或釋放，固定翼機(jī)都將按照時(shí)間表在站點(diǎn)懸停一段時(shí)間。階段二的示意簡圖（如圖2）所示，C、D兩地為母機(jī)在航線中可能經(jīng)停的站點(diǎn)，E地為子機(jī)分離站點(diǎn)。

（三）運(yùn)輸階段三：分離站點(diǎn)至收貨點(diǎn)。固定翼母機(jī)在進(jìn)入站點(diǎn)前會進(jìn)行一段距離的減速，到達(dá)站點(diǎn)時(shí)速度剛好減為0，進(jìn)入懸停狀態(tài)。母機(jī)與子機(jī)的分離步驟早于其在同一站點(diǎn)對子機(jī)的接收步驟。理論上在固定翼機(jī)完全懸停前，其飛行速度減速至旋翼機(jī)最大速度時(shí)即可開始釋放，如釋放過早會導(dǎo)致子機(jī)需要超過最大速度飛行一段時(shí)間，容易造成旋翼受損。子機(jī)在下落時(shí)自動(dòng)展開旋翼，并通過四個(gè)旋翼之間的轉(zhuǎn)速差找回平衡，隨后便可飛向預(yù)定的收貨點(diǎn)。

階段三的示意簡圖（如圖3）所示，F(xiàn)地為到貨點(diǎn)。

（四）回收管理階段。完成送貨任務(wù)的子機(jī)，將自主前往就近的發(fā)貨配送點(diǎn)。所有配送點(diǎn)均能夠完成旋翼機(jī)的回收工作，并可以在其內(nèi)對回收的旋翼機(jī)進(jìn)行檢查并補(bǔ)給損耗，狀態(tài)合格的旋翼機(jī)便可以直接從當(dāng)前配送點(diǎn)執(zhí)行新的配送任務(wù)。

在配送點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行能源補(bǔ)給，將采用機(jī)械手自動(dòng)更換電池的方式。更換掉的電池將統(tǒng)一送至配送點(diǎn)內(nèi)的充電區(qū)進(jìn)行充電，完成后這些電池便可以用來補(bǔ)給其他旋翼機(jī)。其他損耗需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行維修。這樣的體系可以有效加快配送點(diǎn)內(nèi)旋翼機(jī)的周轉(zhuǎn)速度，從而加快了整體物流效率。配送點(diǎn)內(nèi)部示意圖（如圖4）所示。

系統(tǒng)中的無人機(jī)設(shè)計(jì)效果圖（如圖5、6）所示。

（一）子機(jī)（四旋翼無人機(jī)）設(shè)計(jì)。該模式設(shè)計(jì)的核心即是以固定翼機(jī)裝載旋翼機(jī)的概念，而旋翼機(jī)尺寸越小，在固定翼機(jī)尺寸不變的前提下就可以裝載越多的旋翼機(jī)，提高運(yùn)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(jī)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(jī)的形式。設(shè)計(jì)的四旋翼折疊結(jié)構(gòu)，能夠使其進(jìn)入固定翼機(jī)時(shí)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(jī)通過連接每個(gè)旋翼的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸的異向旋轉(zhuǎn)，實(shí)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(shè)計(jì)上參考了昆蟲足部的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了局部仿生設(shè)計(jì)。在其轉(zhuǎn)換過程中，每個(gè)起落架內(nèi)部的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸會帶動(dòng)其外層運(yùn)動(dòng)，使起落架展開成一個(gè)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(jìn)行緩沖，避免貨物造成損傷。

（二）母機(jī)（固定翼無人機(jī)）設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的固定翼無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是由兩小一大總共三臺渦輪風(fēng)扇式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)組成的，其中主發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)身中間，而兩個(gè)副發(fā)動(dòng)機(jī)掛在兩機(jī)翼下面。同時(shí)，從主發(fā)動(dòng)機(jī)分出兩個(gè)排氣口放置在機(jī)身前側(cè)。

飛行狀態(tài)時(shí)，副發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，僅由主發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力前進(jìn)。當(dāng)進(jìn)行懸停狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)，排氣口首先向前排氣，進(jìn)行減速，隨速度降低升力降低，此時(shí)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(bǔ)足，與此同時(shí)副發(fā)動(dòng)機(jī)傾轉(zhuǎn)到垂直向下的方向后開始運(yùn)轉(zhuǎn)，最終當(dāng)由氣流在機(jī)翼上提供的升力降為0，升力全部由排氣口和副發(fā)動(dòng)機(jī)提供時(shí)完成向懸停狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。此時(shí)，艙蓋通過滑移的方式打開準(zhǔn)備接收子機(jī)。轉(zhuǎn)換前后（如圖9）所示。

子機(jī)的艙位在母機(jī)下方，兩列共18個(gè)艙位。旋翼機(jī)在通過傳送帶進(jìn)入固定翼機(jī)內(nèi)部時(shí)，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(jī)內(nèi)部進(jìn)行分配。

（三）子機(jī)與母機(jī)的配合過程。當(dāng)進(jìn)行與旋翼機(jī)的分離操作時(shí)，需要分離的旋翼機(jī)所在的艙位蓋打開，旋翼機(jī)以垂直姿態(tài)自由落體，落體過程中展開旋翼，通過展開時(shí)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(gè)將旋翼機(jī)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(jī)便可以降落在懸停的固定翼機(jī)上。在艙蓋下有一條鏈輪傳送帶，旋翼機(jī)需降落在傳送帶的前端降落區(qū)域，隨后在傳送帶的帶動(dòng)下進(jìn)入其內(nèi)部，直至旋翼機(jī)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(zhǔn)備降落的旋翼機(jī)進(jìn)行信息交流（如圖11）。

無人機(jī)作為初步踏入民用領(lǐng)域的科技產(chǎn)品，其形式和應(yīng)用領(lǐng)域還相當(dāng)有限。本文探討的物流無人機(jī)和無人機(jī)物流模式設(shè)計(jì)，在無人機(jī)已有但遠(yuǎn)不成熟的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析探討，預(yù)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(jī)發(fā)展提出一種創(chuàng)新的思路。

目前無人機(jī)發(fā)展的兩個(gè)主要瓶頸是空域資源問題和安全問題，本文的探討和設(shè)計(jì)僅針對前者。但即便如此，新的無人機(jī)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(jī)應(yīng)用的想象空間，政府協(xié)調(diào)和制度優(yōu)化將必不可少。

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