一种无人机“智慧物流”配送系统设计

蔡成田 赵展 魏雯 何津津 许春敏

摘要：本文研究了无人机物流配送系统的原理，基于STM32F405ZG平台实现并优化了无人机的自巡航功能功能，增加无人机飞行过程中的自动避障设计。通过4G网络通信及2.4G点对点无线通信模式，可以解决通信量过大造成的信息拥堵，并且在客户端使用射频识别技术实现无人机接送货的安全性，具有低功耗、高效率、成本低、灵活性高等特点，可以代替人类实现快递最后一公里的配送，在民用领域具有很高的使用价值，在工业化生产具有一定的研究价值。

关键词：STM32F405ZG单片机；NRF24L01无线通信模组；RFID通信模组；USR-NB75 4G通信模组

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0210-02

本论文设计了以STM32F405ZG为主要控制器的无人机“智慧物流”配送系统，其由NRF24L01无线通信模组、RFID通信模组、USR-NB75 4G通信模组等组成。利用2.4G无线通信的形式去分担部分通信信息，以减小4G通信信息量过大带来的网络拥堵，规避部分空间信号不稳定的问题[1-2]。

拟解决快递包裹最后一公里的急速送达问题，减小了快递工作者的工作量，可以适应市场需求应用于各种场合，并加快中国物流无人化配送的布局。

1 控制系统框图设计

图1为系统的总体设计框图。以STM32F405ZG作为主控制芯片，实现对智能分配台、自提柜及客户收发箱进行检测与控制实现包裹的实时配送。利用USR-NB75 4G通信模组实时检测无人机路径走向，通过NRF24L01无线通信模组对无人机最后的降落通信进行对接实现高精度低数据流量降落。RFID通信模组实现降落后的身份却认，以防止非本系统无人机的违规操作。

2 硬件电路设计

硬件电路满足是高质量、安全性、简略性等。硬件电路主要包括：STM32F405ZG增强MCU最小系统，电源模块，2.4G通信模块设计，超声波空间探测模块设计，电机驱动电路，NSR-NB75 4G通信模组和RFID通信模组等。这里选取USR-NB75 4G通信模组和客户端卸货装置步进电机电流进行说明。

2.1 USR-NB75 4G通信模组电路设计

USR-NB75采用850MHZ的通信频段运营商为中国电信，现中国电信已经实现对此频段的通信实现全国覆盖，此模块可实现串口指令对设备进行设置或查询，可以较简单的应用于各种设备间的通信，而且支持与服务器之间的二次开发，有更高的自主性与服务器采用UDC通信协议或透明传输可以更好地适应各种服务器环境，使开发出的产品具有更高的移植性。内部结构如图2所示。

USR-NB75通信模组内部含有电源管理电路，可以支持到5至16的电源供电也可采用3.5V至4.2V的电源供电，可以更好地兼容更多使用环境，带有两个工作状态指示灯可对当前工作状态进行指示，USR-NB75外围电路如图3所示。

2.2 步进电机驱动电路设计

根据设计要求，可以利用SLA4061音频功率放大芯片作为只要控制芯片来对电机进行驱动，可以提供足够的功率驱动步进电机。信号输入端采用光耦将控制信号与电机驱动端进行隔离，防止电机电路出现故障后会牵连主控电路受损。电机驱动电路采用12V供电而控制电路采用3.3V供电采用光耦的设计可以有效保护主控电路。电路如图4所示。

3 软件驱动程序设计

按照无人机物流系统的设计要求，要对物流系统软件程序设计主要有以下几点，分别为：控制台对货物的调度，无人机路径的规划，无人机路径的探测避障，降落后的身份确认。我们选取降落后的身份确认程序和无人机路径的探测避障程序进行详细的说明。

3.1 身份确认程序设计

本系统采用双重加密，身份识别数据加密框图如图5所示，由中亚控制端产密匙流，并将明文密匙搭载与其中储存于无人机所随机携带的RFID卡中，密匙流则通过4G通信传输至客户端无人机降落后读取无人机RFID数据并通过4G网络传输至客户端的密匙流進行处理后解密，最终确认无人机身份保证每一次运输的安全性。每一次的密匙流及明文都经随机产生，以防数据被破解或截取。

3.2 无人机路径的探测避障程序设计

规避功能采用超声波对环境相对距离进行采集，并通过程序分析是否对默认巡航路径做出修正，避免在飞行过程中产生撞机事故。空间信息采集主要对无人机所飞行平面进行360度距离采集与无人机机身上方与下方的空间距离信息采集，通过两组超声波模块绕固定中心旋转来实现360度无死角距离信息采集。通过采集的数据进行处理后从而判断是否需要做出规避动作。具体流程如图6所示。

4 系统实现

目前无人机已实现对固定地点的送货，及货物的分拣及智能路径规划，但也只是完成配送系统基础功能。除此之外，还需要实现对各种突发状况的应对及应急功能，为更好地完善此系统后续会优化路径自动规划功能，及在飞行过程中把位置数据实时发送至主控端实现对所有已飞出无人机位置的监控进一步提高无人机的安全性能。

5 结论

本设计主要针对无人机物流系统的设计进行研究，对于无人机的制作及优化还存在很多问题，相对于无人机平台研究得不够透彻，对于日后的性能的提升还有很大空间。目前系统总体应用相对比较成熟的模块化设计，只有部分关键性电路部分及机械机构部分为自主设计。

软件安全方面采用明文与流密匙的加密算法，让安全性得到质的提高，通过每次无人机所载明文与4G网络锁传输的流密匙以及解码方式的不同，使得安全锁的破解变的难上加难。可以更放心的进行商业投放。

参考文献：

[1] 陈俊羽.无人机物流快递配送系统设计[J].电子制作，2018（24）：28-29.

[2] 龙吉. 基于STM32的无人机精准空投控制装置的设计[J]，电子技术与软件工程，2019（02）：83.

【通联编辑：梁书】