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雷鋒網(wǎng)按：作者胡隊長，為無人機行業(yè)多年老兵，現(xiàn)為一飛架構(gòu)師、項目總監(jiān)。
在國內(nèi)，“物流無人機”長期被認(rèn)為是一個飄在云上的概念。而現(xiàn)在，隨著技術(shù)瓶頸的突破，從較早入局的順豐、京東，到厚積薄發(fā)的中國郵政、蘇寧，各大電商物流企業(yè)紛紛強勢入場，一場自下而上的無人機“智能革命”正向我們走來。
業(yè)界探討無人機智能如火如荼之時，尚無一個有效的定義判斷。為此，筆者專門從美國交通部，搜列了無人駕駛汽車的等級判定作為參考。
百度李彥宏曾親自駕駛百度無人汽車，行駛在北京環(huán)線
根據(jù)美國交通部的評定標(biāo)準(zhǔn)，將無人駕駛汽車分為0到5個等級，分別為無自動化(L0)、駕駛支援(L1)、部分自動化(L2)、有條件自動化(L3)、高度自動化(L4)、完全自動化(L5)；基于此借鑒，筆者大膽將無人機智能化水平分為以下幾個階段：
Level 1：遙控階段，飛行器可按照人工遙控指令執(zhí)行特定動作；
Level 2：自動階段，飛行器可按照預(yù)編程指令完成特定飛行任務(wù)；
Level 3：自主階段，飛行器可按照預(yù)編程指令完成飛行任務(wù)，同時在執(zhí)行過程中具備一定的環(huán)境感知能力，基于感知信息實現(xiàn)對飛行任務(wù)做一定的局部調(diào)整；
Level 4：智能階段，飛行器基于預(yù)設(shè)目標(biāo)，自行規(guī)劃任務(wù)，并在任務(wù)執(zhí)行的過程中進行環(huán)境感知及處理，調(diào)整規(guī)劃任務(wù)，最終完成任務(wù)飛行。
總結(jié)：各大廠商都已經(jīng)完成Level2的進程，基本處于Level 3階段，少數(shù)處于Level 3向Level 4達成的道路上。
放眼全球，DHL、谷歌、UPS、亞馬遜等各大巨頭研制旗下物流無人機系統(tǒng)已不在是什么秘密。
相反，正是由于他們的加入，物流無人機行業(yè)的游戲規(guī)似乎正悄然發(fā)生改變：整個行業(yè)智能化的推進速度不僅大大超過大家的預(yù)想，黑科技也將物流無人機智能化水平再一次提高。
下面，筆者就以幾家有代表性的企業(yè)來簡單分析，管中窺豹，一探其發(fā)展脈絡(luò)和進程。
Matternet
Matternet是一家致力于實現(xiàn)將食物、醫(yī)療物資等急需品通過無人機送到偏遠(yuǎn)地方解決方案的無人機公司。
在推出其第一款無人機物流產(chǎn)品Matternet One后，去年的9月，Matternet宣布作為合作伙伴與奔馳曾共同推出了“Vision Van”物流概念車。
Vision Van的概念車，實現(xiàn)了無人機與貨運車輛的結(jié)合，車上集成其最新一代無人機系統(tǒng)“MatternetM2”，這款無人機具備搭載2公斤貨物實現(xiàn)20公里范圍的貨運飛行的能力，整套系統(tǒng)將用于與解決貨運“最后一公里”的問題；同時高度集成定制的貨運車輛將實現(xiàn)自動掃描、分揀上架、裝車等流程，簡化了快遞員的送貨流程，提高了人員的工作效率。
同時，值得注意的是，Matternet已經(jīng)獲得了瑞士 FOCA 的認(rèn)證，意味著 Matternet能夠在瑞士順利的展開真正的運行工作，不過可預(yù)見的是在實現(xiàn)其最終目標(biāo)過程當(dāng)中Matternet仍然面對著各種巨大的挑戰(zhàn)。
德國DHL
德國DHL算是各個巨頭當(dāng)中物對物流無人機的“瘋狂追捧者”。
近期發(fā)布的物流無人機系統(tǒng)已經(jīng)是其第三代解決方案，該無人機系統(tǒng)包含可攜帶2公斤以內(nèi)、不大于4.4L的無人機平臺，以及自動起降平臺；其中無人機系統(tǒng)不同之處在于它采用了可傾轉(zhuǎn)機翼設(shè)計，具備垂直起降，固定翼模式高速巡航等多種模式，相對于常規(guī)布局多旋翼無人機具備了更大的飛行半徑。
另外，其自動起降平臺也讓人眼前一亮，在無人看管的情況下可實現(xiàn)貨物自動裝填、貨物自動拆卸、飛機電池自動更換，并在平臺中對更換的貨物、電池等進行自動管理，從而實現(xiàn)整個平臺無人看管的情況下連續(xù)工作。
UPS
做為世界最大的快遞承運商，UPS在無人機物流方面當(dāng)然也不甘示弱。
UPS在佛羅里達州坦帕市展示了將物流無人機與物流卡車結(jié)合的方案，方案采用了一款名叫 HorseFly 的八旋翼無人機，最大可載重10磅的貨物，該方案定位在居民區(qū)的快遞運送，用于提高最后一公里的派送效率。
亞馬遜
亞馬遜的物流解決方案是一種采用物流無人機與無人倉結(jié)合的方式。
客戶在亞馬遜完成購物并選擇Prime Air 送貨服務(wù)后，系統(tǒng)將會選擇在附近的倉庫，在完成自動揀貨、自動裝填無人機后，自主飛向用戶目的地，客戶僅需要將標(biāo)記物放在附近空地即可完成對物流無人機的引導(dǎo)降落及拋物。
同時，這款無人機還具備一定的感知避障能力，無論在空中還是降落過程都能夠?qū)崟r對障礙物及接近的物體進行檢測，保證整個過程的安全性。
亞馬遜的物流無人機“王巢”
近期，亞馬遜在美國專利商標(biāo)局上公布了其最新的無人機專利。在這組專利中，亞馬遜向世人展示這種類似“蜂巢”設(shè)計的配送站。
目前，受限于無人機自身的續(xù)航限制，一個獨立的配送站很難實現(xiàn)大范圍的配貨服務(wù)，而這種接力配送站則能夠在這個問題上提供一定幫助。在專利中，無人機通過配送接力中轉(zhuǎn)站，實現(xiàn)無人機與無人機、或是無人機與車、人之前的接力；同時，還描述了所要建造的“蜂巢”巨大無比，可在郊區(qū)、城市中建造，極大提升配送效率。
相對于單獨無人機它所解決的“痛點”：
微小型平臺有限的續(xù)航能力與龐大物流網(wǎng)絡(luò)融合問題；
無人機平臺與車、人等其他物流手段實現(xiàn)快速交接問題；
在未來的3到5年，物流的人力及交通成本會上漲20%-50%，物流無人機系統(tǒng)正是為了解決這樣的問題而出現(xiàn)的。
在整個貨運過程中，物流無人機負(fù)責(zé)向外輸送，自動基站負(fù)責(zé)貨物挑揀、更換，電池更換、維護，可以連續(xù)二十四小時工作不休息；一個主內(nèi)，一個主外，其樂融融。
自動基站更像是一個加速規(guī)?；?yīng)的倍增器，也是實現(xiàn)物流貨運徹底無人機話的一條必經(jīng)之路。
1. 高精度、高魯棒性、高可靠性的飛行控制技術(shù)
a) 邁過物流無人機的第一道坎就是如何精確的將無人機按照預(yù)設(shè)配送線路飛行并降落在指定降落區(qū)域范圍內(nèi)，同時還不會因為飛行控制偏差導(dǎo)致降落失敗、甚至誤傷民眾的問題。
因而，這就需要飛行器的“大腦”具備更加“聰明”：比如，如何在樓宇間保持精確控制，而不至漂移發(fā)生碰撞事故；如何在大風(fēng)天氣實現(xiàn)精確降落至地面指定區(qū)域或車輛降落區(qū)，這是各家廠商首要面臨的挑戰(zhàn)。
b) 為了擴大無人機的任務(wù)半徑，各家廠商使出渾身解數(shù)，復(fù)合翼、傾轉(zhuǎn)機翼、傾轉(zhuǎn)機翼等各類新型布局飛行器孕育而生，這類無人機大多同時具備垂直起降、高速巡航的特性，很好的迎合了物流行業(yè)的需求，但這也對飛行控制系統(tǒng)的控制魯棒性提出了要求。
以德國DHL第三代無人機為例，它采用雙發(fā)傾轉(zhuǎn)機翼布局，在機翼傾轉(zhuǎn)90°狀態(tài)下可實現(xiàn)垂直起降，在該形態(tài)下飛機的俯仰控制主要通過機翼舵面同步運動實現(xiàn)，為了增大俯仰的操縱功效，盡可能的將機翼舵面后置，以便增大機翼舵面氣動力的力臂；
同時，機翼傾轉(zhuǎn)也會帶來一些負(fù)面問題，由于機翼傾轉(zhuǎn)后前向迎風(fēng)面積較大，前向風(fēng)力帶來的擾動將更大，增大了控制的難度；在無人機轉(zhuǎn)入高速巡航模式前，它需要進行一段過度模式飛行，在這當(dāng)中飛行器將逐步傾轉(zhuǎn)機翼，將原由兩個螺旋槳產(chǎn)生的拉力逐步轉(zhuǎn)移到機翼產(chǎn)生的升力上。此時飛行器處于一種極不穩(wěn)定的狀態(tài)，這類似于一個卸力轉(zhuǎn)移過程，好比原來你正挑著一個扁擔(dān)，在你邊走邊挑的過程中另外一個人要接過你的扁擔(dān)，一旦這個人接的不好就會把桶里的水撒出來。
為了能夠準(zhǔn)確“卸力”，就要進行精確的過渡態(tài)飛行控制律設(shè)計，這里就涉及了全包線的飛行動力學(xué)模型建模技術(shù)，多模態(tài)模型縫合技術(shù)、魯棒控制算法等，才能成就高魯棒性的飛行控制品質(zhì)；
c) 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，導(dǎo)致小型無人機事故的原因當(dāng)中三分之一是因為核心“大腦”出的問題。
飛控對于無人機至關(guān)重要
因而，對于無人機的大腦來說，不光要飛得穩(wěn)、飛得準(zhǔn)，還得保證極低的故障率。為此，各家廠商都有自己的“獨門絕活兒”：工業(yè)器件篩選、完整的高低溫、振動、電磁兼容環(huán)境試驗測試標(biāo)準(zhǔn)、余度管理及控制技術(shù)等，這些都需要各個廠商進行多年的技術(shù)積累。
2. 自主環(huán)境感知及避障技術(shù)
所謂自主環(huán)境感知技術(shù)之余人來說就是人的視覺、聽覺、觸覺，而一個沒有視覺、聽覺、觸覺的人來說是很難在一個陌生環(huán)境中行動的。
對于無人機來說，自主環(huán)境感知技術(shù)就是借助“大腦”的“各種覺”解決“我在哪”和“前面有沒有路的”的問題。對于一架物流無人機來說，要成功的將一件包裹送到最終客戶手中，常常是要經(jīng)過跋山涉水、翻山越嶺的過程。
基于成熟的GPS導(dǎo)航技術(shù)能夠基本解決“我在哪”的問題，但飛行過程中的非預(yù)期目標(biāo)感知則需要借助雙目視覺、激光雷達等設(shè)備；雙目視覺類似人類的眼睛，在高清的圖像碼流數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上獲取實時深度圖并結(jié)合機器學(xué)習(xí)的方法識別非預(yù)期目標(biāo)的距離、形狀等信息。同時，完成任務(wù)飛行后需要實現(xiàn)對地面或車輛降落點的智能識別，以及非預(yù)期的人、動物、車輛目標(biāo)的智能識別；因而，這就對各家環(huán)境感知技術(shù)的實時性、準(zhǔn)確性提出了更高的要求。
好了，搞明白“我在哪”、“前面有沒有路”的問題后，下一步要解決的就是“往哪走”的問題。
對于一架無人機像往常一樣在熟悉的路線上歡快的奔向目的地，正在接近目的地時，一條剛拉的電線被聰明的“大腦”發(fā)覺，時不我待，“大腦”需要在分秒之間做出判斷。因此，具備高實時性、并且能夠在嵌入式這類有限計算設(shè)備中運行的最優(yōu)規(guī)劃算法就是解決問題的關(guān)鍵。
a. 海量的感知數(shù)據(jù)處理
以雙目視覺為例，一個采用720P60FPS配置的雙目每秒會產(chǎn)生3M字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么飛行10分鐘的話就會產(chǎn)生1.75G的數(shù)據(jù)，你可能會說“這也不大啊，隨便找個電腦都能搞定”，但在無人機有限的體積、功率條件下，所能運行的嵌入式系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)量已將非常龐大了。
b. 多種感知數(shù)據(jù)融合評估
多種感知數(shù)據(jù)融合顧名思義就是將多種感知數(shù)據(jù)融合起來。上面說了這么多，無人機的“各種覺”都是高度發(fā)達的，但又各有優(yōu)略勢，比如視覺感知系統(tǒng)，基于深度信息能夠獲取物體的距離、形狀、方位等信息，但在強光、弱光狀態(tài)下的使用又有所限制；而三維激光雷達這類感知系統(tǒng)，能夠在不分晝夜的情況下對物體進行識別，但在物體形狀信息獲取上又有所欠缺?？梢娫诟兄到y(tǒng)中通過數(shù)據(jù)融合評估算法解決“相信誰”、“不相信誰”的問題將是重要的一點。
3. 基于大數(shù)據(jù)的智能云端系統(tǒng)
每一架物流無人機、無人基站背后都有著成千上萬條信息，而成千上萬架物流無人機網(wǎng)絡(luò)所蘊含的信息量將更加巨大。作為物流行業(yè)各大巨頭，這才是他們的拿手好戲，基于自身多年大數(shù)據(jù)的應(yīng)用經(jīng)驗，同樣適用于物流無人機及基站群的使用經(jīng)驗。基于大數(shù)據(jù)的云端系統(tǒng)更像是一張緊密的大網(wǎng)，能夠有效的組織管理者節(jié)點上每一架飛機、每一個基站、倉庫，借助云端強大的計算能力物流系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加高效的運作。
筆者預(yù)測，隨著智能化程度的不斷提高，在不久的將來，物流無人機將能夠?qū)崿F(xiàn)真正走入大家的日常生活，可能生活中一半以上網(wǎng)購的貨物將經(jīng)過物流無人機的“上帝之手”。
科技最終的目的是服務(wù)人類的生活，改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣。相信抽根煙的功夫剛給娃買的奶粉從天而降將不在是新聞，而是大家日常生活的一部分。
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