CN117408478A - 无人机辅助物资配送方法 - Google Patents

无人机辅助物资配送方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117408478A
CN117408478A CN202311422109.XA CN202311422109A CN117408478A CN 117408478 A CN117408478 A CN 117408478A CN 202311422109 A CN202311422109 A CN 202311422109A CN 117408478 A CN117408478 A CN 117408478A
Authority
CN
China
Prior art keywords
unmanned aerial
aerial vehicle
receiving
cabinet
subway
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311422109.XA
Other languages
English (en)
Inventor
韩佳杉
石存
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Publication of CN117408478A publication Critical patent/CN117408478A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/063—Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
    • G06Q10/06311—Scheduling, planning or task assignment for a person or group
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/08—Logistics, e.g. warehousing, loading or distribution; Inventory or stock management
    • G06Q10/083—Shipping
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/08—Logistics, e.g. warehousing, loading or distribution; Inventory or stock management
    • G06Q10/083—Shipping
    • G06Q10/0835—Relationships between shipper or supplier and carriers
    • G06Q10/08355—Routing methods
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q30/00—Commerce
    • G06Q30/06—Buying, selling or leasing transactions
    • G06Q30/0601—Electronic shopping [e-shopping]
    • G06Q30/0633—Lists, e.g. purchase orders, compilation or processing
    • G06Q30/0635—Processing of requisition or of purchase orders

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Economics (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Development Economics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Entrepreneurship & Innovation (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Accounting & Taxation (AREA)
  • Finance (AREA)
  • Game Theory and Decision Science (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于城市地铁线路分布的无人机辅助物资配送方法，所述方法基于利用设置在地铁站出入口的无人机收发柜和设置在商户集中地的无人机收发柜，实现无人机辅助配送。本发明可充分利用已有的地铁公共交通布局实现无人机辅助的外卖配送，解决城市上班族无适合的快递接收地址和无适合的取快递时间等问题，并可有效减少城市交通量，避免交通拥堵，还可实现无接触配送，此外，本发明的方法还可实现对订单的规划和调整，提高效率。

Description

无人机辅助物资配送方法
技术领域
本发明属于物流配送技术领域，具体涉及一种无人机辅助物资配送方法。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的提高，消费需求不断增长，我国外卖行业发展迅速。从2016年到2021年，我国外卖行业相关企业新增140余万家，用户人数也提高了一倍，外卖业的迅猛发展客观上对配送提出了更多要求。如何实现快速配送，特别是满足用户的更多需求成为外卖行业面临的一项重要课题。
与传统人工配送相比，无人机在货物交付问题上具有速度快、效率高的优势，因此在近年受到人们的广泛关注。近年来无人机硬件的迅猛发展为无人配送提供了技术基础，随着政策的开放与技术的成熟，无人机配送有着无限的发展前景。目前，已有物流企业开始进行无人机助力物流配送。但由于现阶段无人机技术不够成熟，诸如载货量小、里程有限等因素限制了无人机单独使用的场景，因此有人提出将车辆与无人机结合实现联合配送，即车辆配备多架无人机，无人机随卡车运行，可从卡车处起飞前往服务客户，并返回车辆或仓库点，同时车辆也可服务其他客户。例如，CN115271175A公开了一种无人机与卡车物流配送路径优化方法，在该方法中，卡车搭载无人机与快递从配送中心出发，前往固定点放飞无人机或配送快递。CN115034494A也公开了一种基于无人机与卡车协作的封控管理社区生活物资配送方法。CN114841582A公开了一种卡车和无人机协同配送方法，应用于卡车和无人机协同配送网络，其中所述卡车和无人机协同配送网络中配送工具由一辆卡车和一支无人机队组成，网络中网络节点包括一个仓库、固定卡车停靠点以及客户，所述卡车搭载着商品和所有无人机从仓库出发，穿过固定停靠点，最后返回仓库。然而，这种无人机结合卡车模式，虽然相对于单独的无人机配送或单独的卡车配送而言具有一些优势，但由于城市高峰拥堵特性以及车辆限行政策而受到明显限制，因此这种模式往往并不适用于有较严格时间要求或紧急件(例如急救药品)的运送。尤其是，对于城市上班族而言，很多情况下他们并没有适合接收快递的地址(例如，上班时间家庭居住处无人接收，快递放在家门口易丢失，居住小区缺乏快递柜等)。这些都是当前无人机辅助物流配送领域亟待考虑的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明人通过课题研究，提供了一种基于城市地铁线路分布的无人机辅助物资配送方法。
首先，本发明提供了一种基于城市地铁线路分布的无人机辅助外卖配送系统，其包括：
无人机子系统、中央信息处理平台和终端APP，
其中，所述无人机子系统包括无人机和无人机收发柜；
所述中央信息处理平台包括配送信息中央处理单元和云端数据库；
其中，所述无人机收发柜包括设置在地铁站出入口的无人机收发柜和设置在商户集中地的无人机收发柜，
所述无人机收发柜包括柜体、外卖储存室、保温箱、充电装置、无人机信息处理模块和扫描平台；所述设置在商户集中地的无人机收发柜还另外包括准备空间、无人机储存室和保温箱储存室；其中，所述准备空间用于无人机发射和回收的准备工作；所述设置在商户集中地的无人机收发柜的保温箱用于接收和分装订单商品；所述外卖储存室的中部为外卖储存柜格，一侧延伸空间为转运空间，另一侧为保温箱运输的空间，所述外卖储存室与上下层的隔板一侧均设置可自动打开的窗口；
优选地，所述设置在商户集中地的无人机收发柜还包括传送履带、滑轨和循环推出装置，使得放入无人机收发柜中的被归入同一簇的商品可以被收发柜自动归集到同一个保温箱中，从而被一架无人机在一次运输任务中执行；
所述无人机选自固定翼无人机和旋翼无人机；
所述中央信息处理平台用于规划无人机的分配和任务调度，包括对订单进行分簇，所述云端数据库与无人机子系统通信连接，实现数据共享、传输和调用；
所述终端APP用于进行无人机配送订单的下单、接单和配送信息确认，并且可通过在线界面实时显示配送信息。
在本发明的一个优选方面，所述无人机收发柜体包括顶板、下层底板和顶层自动门。
在本发明的另一个优选方面，所述无人机收发柜顶板作中设置有单侧自动挡板。
在本发明的一些实施方案中，所述收发柜顶板下设置有准备空间，用于无人机发射和回收的准备工作。优选地，所述准备空间由可升降的支撑底板、滚动的履带、推动装置和机械臂组成。
在一些优选的方面，在准备空间下方设置有无人机储存室。更优选地，所述无人机储存室包括对接保温箱区域、无人机储存架和可活动区域。
在一些优选的实施方案中，所述无人机储存架由多个U型架台构成，U型架分为左右两部分，其上对称位置有无人机充电口，可在无人机储存时自动为无人机充电。
特别地，在本发明的无人机辅助配送系统中，所述装箱盒包括外卖储存柜格。
在一些优选方案中，所述外卖储存室的长度较无人机储存室和准备空间大，其中部为外卖储存柜格，一侧延伸空间为转运空间，另一侧为保温箱运输的空间，所述外卖储存室与上下层的隔板一侧(优选左侧)均设置可自动打开的窗口。
在本发明的一些优选方案中，所述设置在商户集中地的无人机收发柜还包括传送履带、滑轨和循环推出装置，所述传送履带、滑轨与循环推出装置配合，通过转运空间，可将放入收发柜中的被归入同一簇的商品自动归集到同一个保温箱中，从而被一架无人机在一次运输任务中执行。这样，可以实现无人机在一次运输中尽量携带目的地为相同或接近的几个地铁口的若干订单商品，从而最大限度地提高运输效率，缩短订单运输时间。不受理论限制，本发明中，首先对订单进行分类(分簇)，即将若干时间间隔内(例如10分钟内)的订单进行合并和分类，按照订单目的地的地铁站出入口的相对位置和距离，将目的地为相同或彼此距离接近的地铁站的若干订单(例如2-3个订单)合并为一簇，从而可实现运输规划的优化。同时，在本发明的无人机辅助外卖配送系统中，考虑到无人机电量的限制，一簇规划中的订单运输总行程不得超出无人机电量所限制的飞行距离。
相应地，本发明提供了一种基于城市地铁线路分布的无人机辅助物资配送方法，所述方法包括以下步骤：
(1)(i)客户通过终端APP下单，确认采用无人机配送的目标地地铁站出入口；商户接单后，生成包含送货地铁口信息、商品到达时间、线路相关决策的送货码；商户将准备好的商品放入指定尺寸的外卖盒内；
(ii)快递员从商户取得商品，并根据系统给出的指示将商品运输至设置在商户集中地的无人机收发柜，并扫码使商品入柜；收发柜对本收发柜内的订单信息进行聚类分析，并根据分析结果将容纳有归入同一簇的订单商品的外卖盒移转到同一个保温箱中；
(2)位于无人机收发柜中的无人机抓取容纳有扫码入柜的商品的保温箱，出柜，根据规划路线运输至客户通过APP指定的设置在地铁站出入口的无人机收发柜，保温箱自动打开并释放外卖盒，外卖盒进入无人机收发柜的外卖储存室，并完成扫码，入柜信息被传送至中央信息处理平台；
(3)客户到达设置在地铁站出入口的无人机收发柜，利用收货码取得商品；
其中，所述无人机收发柜包括柜体、外卖储存室、保温箱、充电装置、无人机信息处理模块和扫描平台；所述设置在商户集中地的无人机收发柜还另外包括准备空间、无人机储存室和保温箱储存室；其中，所述准备空间用于无人机发射和回收的准备工作；所述设置在商户集中地的无人机收发柜的保温箱用于接收和分装订单商品；所述外卖储存室的中部为外卖储存柜格，一侧延伸空间为转运空间，另一侧为保温箱运输的空间，所述外卖储存室与上下层的隔板一侧均设置可自动打开的窗口；所述设置在商户集中地的无人机收发柜还包括传送履带、滑轨和循环推出装置，使得放入无人机收发柜中的被归入同一簇的订单商品可以被收发柜自动归集到同一个保温箱中，从而被一架无人机在一次运输任务中执行；
所述无人机选自固定翼无人机和旋翼无人机；
所述无人机、无人机收发柜与云端数据库通信连接，实现数据共享、传输和调用；
所述终端APP包括客户端、商户端和物流端APP，用于进行无人机配送订单下单、接单和配送信息确认，并且可通过在线界面实时显示配送信息；
其中，步骤(1)(ii)中的聚类分析通过下式(I)进行约束和规划：
其中，Ck是第k聚类内的地铁口节点集合；M是无人机保温箱的外卖盒最大装载数量，mi代表指定运送到地铁站出入口i的订单数量，公式(I)约束无人机所配送区域的所有订单总数量不超过无人机收发柜的保温箱所能装载的外卖盒的最大数量；
所述聚类分析包括使用k-means聚类方法生成初始聚类方案，然后根据无人机的最大输送数量调整聚类方案，聚类方案生成后，得到无人机的遍历点；通过聚类分析，并结合设定的送达时间窗口将订单分入不同的簇。
在本发明中，所述无人机收发柜的设置点包括两类位置，一类是地铁站出入口，另外一类是商户集中地。地铁站出入口是城市地铁站点的出入位置，通常在一个地铁站出入口往往设置在地面交通的路口位置，例如在十字路口的四个方位(例如西北、东北、东南、西南)均设置有出入口，一些复杂的路口往往在各个方向都设有出入口。本发明中，无人机收发柜优选设置在各地铁站的各个方位。地铁站通常是客观反映了一个城市人流和物流分布的重要枢纽所在，对周围居民区、工业区或其他城市区域具有辐射作用。因此，设置在各地铁站出入口的无人机收发柜完全可以满足对城市各目标区域配送的合理布局要求。
商户集中地则是根据外卖(物流)企业的商业需求和布局设定的区域，其通常设置在商户集中的区域。
在本发明中，“外卖”系指商家售出的通过物流系统送至客户(主要是消费者)的货物。外卖包括餐饮食品，但并不限于食品，还可以是任何其他适合物流系统运输的商品货物，包括例如药品、日常用品、书籍文件等。本文中，“快递”和“外卖”可互换使用；同样，“快递员”和“外卖员”也可互换使用。
在本文中，“地铁站出入口”与“地铁口”具有同样含义，可互换使用。
在本文中，“客户”、“消费者”、“用户”、“个人用户”等表述具有同样的含义，可互换使用，意指下单进行商品购买的主体。
本发明的无人机辅助外卖配送系统以及基于城市地铁线路分布的无人机辅助物资配送方法较现有技术主要具备有以下的优点：
1.将无人机收发柜设置在地铁站出入口，可充分利用已有的地铁公共交通布局，实现对城市各主要方位和区域的辐射。特别地，设置在地铁站出入口的无人机收发柜，可以解决城市上班族无适合的快递接收地址和无适合的取快递时间等问题；并且可以通过分布在地铁站出入口的无人机收发柜，便于实现客户自取，从而实现避免过多快递车辆造成城区交通拥堵的问题，还可因此减少城市交通量。特别地，城市交通往往具备潮汐式特点，上下班期间流量显著增大。很多上班族希望下班后快递送到家的需求客观上增大了城市交通流量，加剧了交通拥堵。本发明通过利用地铁交通布局，实现用户自取快递，可有效减少城市中特别是从商业集中区域到郊区的交通流量，具有巨大的社会意义。
2.设置在商户集中地的无人机收发柜包括传送履带、滑轨和循环推出装置，所述传送履带、滑轨与循环推出装置配合，通过转运空间，可将放入收发柜中的被归入同一簇的商品自动归集到同一个保温箱(运输箱)中，从而可被同一无人机在一次任务中运输。这样，可以实现无人机在一次运输中尽量携带目的地为相同地铁站或接近的几个地铁站的若干订单商品，从而最大限度地提高运输效率，缩短订单运输时间。
3.本发明中的无人机收发柜是可实现自主完成货物信息录入、货物纳入和存储以及货物移交无人机等功能的智能柜，由此可大大提高运输效率和降低储运成本。
4.通过用户到地铁口自取，可避免交通拥堵对运输带来的不确定性，从而保证紧急件的有效运输；特别地，本发明的系统和方法可避免快递员与用户的接触，尤其适用于疫情防护需求。
5.本发明的系统和方法可根据实时更新数据，实现路线的动态规划，以满足订单变化需求。
附图说明
图1为采用本发明的无人机辅助外卖配送系统进行下单、接单和商品运输的全流程示意图；
图2为采用本发明的无人机辅助外卖配送系统进行的阶段1(即：快递员从商户处取得商品以及快递员将商品运输至设置在商户集中地的无人机收发柜)的示意图；
图3为采用本发明的无人机辅助外卖配送系统进行的阶段2(即：无人机将取自设置在商户集中地的收发柜的商品送至地铁站出入口的无人机收发柜(图中示出先后送至多个地铁站出入口的无人机收发柜)以及任选地返回设置在商户集中地的收发柜的过程)的示意图；
图4为本发明的无人机收发柜准备空间示意图(正视图)，其中1为收发柜柜体，2为左升降通道，3为右升降通道，4为无人机发射自动门，5为回收支撑底板，6为滚动履带；
图5为本发明的无人机储存室示意图(正视图)，其中7为左充电架台，8为右充电架台，9为无人机储存架，10为可活动区域，11为显示屏，12为显示屏顶盖；
图6为本发明的无人机收发柜外卖储存室示意图(正视图)，13为A型外卖盒储存格，14为B型外卖盒储存格；
图7为本发明的无人机收发柜保温箱储存室示意图(正视图)，15为升降平台，16为保温箱；
图8为本发明的充电架台俯视图。
具体实施方式
采用本发明的无人机辅助外卖配送系统以及基于城市地铁线路分布的无人机辅助物资配送方法，针对运输订单全程，可以将商品送达客户的整个过程分为以下几个阶段(参见图1)，即：阶段1：外卖员(快递员)从商户处取餐，并将商品运送至设置在商户集中地的无人机收发柜；阶段2：无人机从设置在商户集中地的无人机收发柜取得商品，并运送至设置在地铁站出入口的无人机收发柜；阶段3：客户从设置在地铁站出入口的无人机收发柜取得商品。
在阶段1，如图2所示，由快递员或外卖员完成。快递员或外卖员先从商家处取得商品(例如外卖)，然后再根据系统给出的指示，由快递员或外卖员将商品运输至设置在商户集中地的无人机收发柜，并扫码使商品入柜。通常，快递员或外卖员可以利用外卖员的配送车辆，例如电动自行车或三轮电动车，到达商户处取货；快递员或外卖员通常可以通过APP或在线平台上获取客户订单信息(信息中包含送货目的地即运送到指定的地铁站出入口的无人机收发柜的信息)。在实际运行中，系统可以根据客户订单发送时间、指定的地铁站出入口等信息将客户订单进行分簇，并将分簇信息通知快递员或外卖员，使得快递员或外卖员可以规划行程，便于在同一行程中依次去不同商户(例如商户1、商户2、商户3，…，商户i，参见图2)取得商品，然后一次送到同一设置在商户集中地的无人机收发柜，并扫码使商品入柜，这样可以大大提高运送效率。
在阶段2，位于无人机收发柜中的无人机拾取扫码入柜的商品，并出柜运输至消费者通过APP指定的地铁站出入口的无人机收发柜，并扫码使商品入柜。如图3所示，在本阶段中，收发柜接收根据送达时间窗口、送达目的地规划的无人机运输任务：收发柜首先根据订单指定的地铁站出入口将不同订单基于地铁站位置和距离进行分簇，保证同一簇内订单的目的地都是同一地铁站或者彼此距离接近的地铁站，并将同一簇内的订单商品移转至同一个箱体中。通过这样的规划，可以实现订单的优化处理，最大程度地提高运输效率和降低运输成本。上述分簇和规划是由系统实现的，并将信息和指令传输给需要执行的收发柜。在本发明中，设置在商户集中地的无人机收发柜包括传送履带、滑轨和循环推出装置，所述传送履带、滑轨与循环推出装置配合，通过转运空间，可将放入收发柜中的被归入同一簇的商品自动归集到同一个保温箱(运输箱)中，从而可被一架无人机在一次运输任务中执行；这样，可以实现无人机在一次运输中尽量携带目的地为相同的地铁站或接近的几个地铁站的若干订单商品实现合并运送，从而最大限度地提高运输效率，缩短订单运输时间。在图3中，收发柜中的订单被分为k簇，其中无人机1依次执行到达到地铁站出入口的收发柜1、收发柜2和收发柜3的订单，然后返回商户集中地的收发柜；无人机2则依次执行到达到地铁站出入口的收发柜4、收发柜5和收发柜6的订单，然后返回商户集中地的收发柜；无人机k则依次执行到达到地铁站出入口的收发柜7、收发柜ij的订单，然后返回商户集中地的收发柜。
聚类分析和模型构建
在本发明中，需要给无人机分配配送任务，考虑到无人机载重量以及外卖主要以食品为主的特殊要求，本发明中采用具有规定尺寸的保温箱输送，每个保温箱能够存放的外卖餐盒大小和数量最大值需要满足一定的约束条件。因此，需要对地铁口节点进行聚类。更具体来说，上式阶段2中无人机运输是通过以下式(I)的聚类分析进行约束和规划的：
其中，Ck是第k聚类内的地铁口节点集合；M是无人机保温箱的外卖盒最大装载数量，mi代表指定运送到地铁站出入口i的订单数量，公式(I)约束无人机所配送区域的所有外卖订单总数量不超过无人机收发柜的保温箱所能装载的外卖盒的最大数量。
现有技术中，也有些方案提出了对于无人机配送方案的聚类分析，但是这些聚类分析都是基于无人机载重量的分析，并没有充分考虑到外卖的特殊需求。考虑到外卖的特殊要求，为便于无人机协同配送，本发明中采用固定大小的保温箱输送，每个保温箱能够存放的外卖餐盒的大小和数量的最大值是固定的。因此，本发明将基于载重的最优方案转变为基于外卖数量的最优方案。在所有外卖盒放置在固定大小的保温箱中后，无人机抓取保温箱进行输送。
具体来说，本发明人提出了一种考虑无人机最大输送数量的k-means聚类方法，具体包含两部分。首先使用k-means聚类方法生成初始聚类方案，然后根据无人机的最大输送数量调整聚类方案，聚类方案生成后，得到无人机的遍历点，具体包括如下步骤：
1)首先，利用下式计算由区域内地铁口用户节点划分得到的每一个聚类的中心，
其中，(X(I)，Y(I))表示第I个聚类的中心，i表示第I个聚类中第i个地铁口节点，nI表示第I个聚类中地铁口节点的数量，(xi，yi)表示第i个地铁口节点的二维坐标；
2)利用下式计算k-means损失函数：
其中，k表示分类的个数；
Step1：根据以上式(I)中聚类中心计算k-means损失函数W，如果W收敛，则输出初始聚类方案；
Step2：根据上述式(I)，如果第k聚类地铁口节点集合Ck的总外卖盒数量超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量的一倍以上，则令返回到Step 1进行重新聚类；如果第k聚类地铁口节点集合Ck的总外卖盒数量超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则转到Step 3进行聚类修复；如果第k聚类地铁口节点集合Ck的总包裹数量小于等于无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则该聚类方案可行，循环结束。
Step 3：首先将第k类中的地铁口节点与聚类中心距离降序排序，得到然后将第一个地铁口节点/>与其他类地铁口节点集合进行降序排序，转到Step 4；
Step 4：移位算子：删除地铁口节点插入到类Ck+1中，如果类Ck+1中所有地铁口节点集合Ck的总外卖数量超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则终止遍历，输出调整后的聚类方案；否则，依次插入到类Ci+1，Ck+2，...，Cm中；如果其他聚类中都不能插入地铁口节点/>则依次删除地铁口节点/>插入到其他聚类中；如果Ck任何地铁口节点移位到其他聚类中都不满足总外卖数量不超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量的约束，则转到Step 5；
Step 5：交换算子：将类k中的地铁口节点与最近的其他类中地铁口节点/>交换，交换后，如果该类所有地铁口节点的外卖盒数量/>小于无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则终止遍历，输出调整后的聚类方案；否则，依次与其他类中的客户点交换，如果/>与其他聚类中的客户点交换后均不满足要求，则依次取出地铁口节点/> 与其他聚类中的地铁口节点交换。如果满足无人机收发柜的保温箱的最大装载数量的约束，则输出调整后的聚类方案。
通过聚类分析，并结合设定的送达时间窗口将订单分入不同的簇；
在步骤1(ii)中，如果无人机到达设置在商户集中地的收发柜后，没有待完成的运输任务且该收发柜有剩余空间可存放无人机，则该无人机即被存入该收发柜中，不再被释放飞回出发位点；如出发点和终点的收发柜均无储放无人机的空位，则指令无人机飞往距离最近的有空位的收发柜；收发柜的储存无人机的容量根据该点订单流量大小制定；储存在收发柜内的无人机会被自动充电，执行任务时优先选择剩余电量较多的无人机完成飞行任务；
在步骤(2)中，由无人机完成从设置在商户集中地的无人机收发柜到设置在地铁口的无人机收发柜之间的运输任务的路径规划如下：
所用变量和参数具有以下表中的含义：
路径规划目标函数
目标函数是为了实现从设置在商户集中地的无人机收发柜出发发往同一个聚类地铁口的无人机卸载完所有外卖盒所需要飞行的距离最小，
此目标函数有以下约束公式：
送往每个聚类地铁口的外卖盒数量不超过无人机保温箱所能容纳的外卖盒数量：
规划路线中不出现子环路：
运送的订单数量不超过设置在地铁站出入口的无人机收发柜内所能容纳的外卖盒数量：
相邻两架无人机发出的时间间隔不小于最小发射时间间隔：
相邻两架无人机回收的时间间隔不小于最小回收时间间隔：
同一架无人机在某个地铁站出入口的无人机收发柜停留的时间不小于最小卸载外卖时间：
相邻两架无人机可顺序完成对同一无人机收发柜的交付任务：
飞行消耗总电量不超过无人机电池存有的电量：
在步骤(2)中，在步骤(2)中，当无人机到达指定收发柜时，收发柜可获知目标货物在该无人机保温箱中的位置，并取出货物。
在上述各式中，式(1)保证送往每个聚类地铁口的外卖盒数量不超过无人机保温箱所能容纳外卖盒数量；式(2)保证规划路线中不出现子环路；式(3)保证运送的外卖数量不超过地铁口收发柜内所能容乃外卖盒数量；式(4)保证相邻两架无人机发出的时间间隔不小于最小发射时间间隔；式(5)保证相邻两架无人机回收的时间间隔不小于最小回收时间间隔；式(6)保证同一架无人机在某个地铁口收发柜停留的时间不少于最小卸载外卖时间；式(7)保证相邻两架无人机可顺序完成对同一收发柜的交付任务；式(8)保证飞行消耗总电量不超过无人机电池存有的电量。
由于无人机的降落对周围环境的要求较高，且无人机噪音较大，通常难以直接完成所有指定送达地点位于楼宇特别是住宅小区中的订单。本发明的解决方案通过在商户集中地和地铁站出入口可降落无人机的地点设立无人机收发柜，可完成为无人机装货、分配任务、接受并储存货物、降落和起飞无人机的任务。需要说明的是，本发明的方案并非是针对城市内快递(外卖)运输的通用最佳方案，而是作为现有运输方式的补充，尤其是对于那些城市上班族无适合的快递接收地址、快递放在家门口不安全和无适合的取快递时间的订单的需求，以及一些紧急件的运送需求。
在阶段3，如图1所示，由客户到达其指定的地铁站出入口的收发柜，凭借收货码取得商品。在本发明中，所述收货码可以是系列数字组成的编码，也可以是二维码或条形码。
需要说明的是，本发明中的无人机可以选自固定翼无人机或旋翼无人机。
本发明的无人机辅助外卖配送系统
本发明中的无人机辅助外卖配送系统包括以下典型组成单元：无人机子系统，其包括无人机收发柜(包括柜体、外卖储存室、保温箱(冷藏箱)、充电装置、无人机信息处理模块、扫描平台等，以及准备空间、无人机储存室、保温箱储存室)和无人机(固定翼无人机和旋翼无人机)；中央信息处理平台(包括配送信息中央处理单元和云端数据库)；和终端APP。
(一)无人机收发柜
1、无人机收发柜总体结构设计
无人机收发柜可实现无人机的起飞和回收、商品(尤其是外卖餐品)的装箱、无人机和商品的存放、无人机的停放以及与平台的通信等功能。
本发明中的无人机收发柜包括两类：设置在商户集中区的无人机收发柜和设置在地铁站出入口的无人机收发柜。考虑到无人机收发柜需要占据一定空间、需要固定投资且有利于民生，因此在运营方式上可以考虑采用由物流公司与市政通过诸如PPP(公私合营)模式建设和运营。
考虑到设置在商户集中地的无人机收发柜可具有相对更大的体积和更多的结构特征(例如，另外包括准备空间、无人机储存室和保温箱储存室)，因此，本文以设置在商户集中地的无人机收发柜为例进行说明。示例性的收发柜柜体包括顶板、位于顶板下的准备空间，准备空间下是无人机储存室，在无人机储存室下面是外卖储存室，最底层是保温箱储存室。
柜体顶板可以作为无人机的发射和回收地点。柜体一侧(图4中示例性选为左侧)为无人机的起飞(发射)地点，当顶层自动门打开后，由下层底板支撑无人机和保温箱，上升至发射高度后释放无人机。无人机携带保温箱飞离收发柜后，发射门关闭，回收支撑底板5降落。柜体另一侧(图4中为右侧)为无人机的回收地点，当无人机携带保温箱降落并被识别后，回收支撑底板5承载无人机和保温箱下降。柜体顶板中设置有单侧自动挡板，当回收平台载保温箱和无人机下降到准备空间位置时，自动挡板闭合。
对于设置在商户集中区的无人机收发柜而言，顶板下设置有准备空间，用于无人机发射和回收的准备工作。准备空间由左端一块可升降的支撑底板、一条滚动的履带、右壁上的推动装置和机械臂组成(参见图4)。当无人机降落到柜体中准备卸货时，则先由回收支撑底板5下降至履带高度，由机械臂完成目标货物的抓取，完成后由推动装置将保温箱和无人机送至滚动履带。滚动履带较左侧的支撑底板(图4中未示出)稍高，因此可使保温箱和无人机顺利移动至支撑底板上。支撑底板感受到压力并稳定后，完成无人机的发射。如无人机需存放在此收发柜，则在机械臂完成货物抓取后，回收平台继续下降，到达无人机储存室后存放无人机，继续下降至保温箱存放室存放保温箱(对于有低温保存要求的货品而言存放至冷藏箱中)，完成后回收平台上升至顶层。
无人机储存室(参见图5)位于准备空间下方，其左侧为对接保温箱的区域，中部为无人机储存架，右侧为可活动区域。无人机储存架由多个U型架台构成，U型架分为左右两部分，其上对称位置有无人机充电口，可在无人机储存时自动为无人机充电。当无人机可下降到此层，空余的架台将收到指令，右侧架台首先移动到无人机下腹高度，靠近右侧柜壁；待无人机降落到此层后，左右架台分别与无人机下腹处充电接口对接。对接成功后，无人机与保温箱的连接将自动断开。与无人机对接后的架台则将移动至原始位置。中部储存区域架台纵向排列，保证任意无人机均可随时调用。
对于设置在商户集中区的无人机收发柜而言，在无人机储存室下方还设置有外卖储存室，其长度较无人机储存室和准备空间大。中部为外卖储存柜格，右侧延伸空间为转运空间，左侧空出保温箱运输的空间，该层与上下层的隔板一侧(图4中为左侧)均设置可自动打开的窗口，转运空间内有A、B两个型号的标准外卖盒(装箱盒)(参见图6)。外卖在外侧的装配区域完成扫描后，匹配尺寸的外卖盒会被机械臂运送到右侧窗口下方，待外卖被放入后，实现自动封口。右侧下方设有二维码打印装置，可将扫描时读取录入的二维码信息打印出来，并粘贴到外卖盒上方。完成以上步骤后，机械臂将该装箱盒运送至储存柜格暂存。
外卖储存室右侧向外延伸出的平台作为外卖扫描平台。上方有条码扫描器，下方为可自动称重的感应平台，右侧为可自动打开的运送窗口。快递员将商户粘贴的条形码对准条码扫描器后，商品柜格、运送目的地、时间窗口等信息被录入系统，随后右侧运送窗口打开，窗口下为已匹配好的装箱盒。快递员将商品放入外卖盒，随后外卖盒下降，窗口自动关闭，待命进行下一次扫描。
最底层是保温箱储存室，左侧有可移动的升降平台，右侧柜壁有推动装置，中间部分为保温箱的储存空间(参见图7)。
当收发柜完成一次配送任务的规划后，保温箱储存室右侧推动装置推动保温箱移动单位距离，至左侧升降平台上停放，保温箱储存室和外卖储存室间隔板的左侧窗口打开，机械手臂在外卖储存室中按顺序抓取待运送货物放置于保温箱内。完成装箱盒的装配后，升降平台继续上升，并自动关闭保温箱上顶盖。到达此层顶部后，外卖储存室和无人机储存室间隔板的左侧窗口将打开，选定的无人机将被运送至窗口处与保温箱对接。对接完成后，U型架台与无人机分离，升降平台继续搭载无人机和保温箱上升，至送达顶层后，顶层窗口打开，升降平台将保温箱和无人机送至与顶层齐平的高度后释放无人机，随后下降并关闭窗口。
2、货物装箱盒(外卖盒)设计
在本发明中，优选准备统一尺寸的外卖盒。例如，本发明针对常见外卖餐品的尺寸分布特点设置了两种规格的外卖盒，A型为25cm×37cm×20cm，适合一般类型的外卖；B型为37cm×37cm×10cm，适合pizza、烤鱼等特殊形状的外卖。保温箱大小为40cm×40cm×50cm。装箱时，按照送达货物的先后顺序，装箱盒被倒序放入保温箱中，保证取货时先发的目标货物在保温箱最上层，扫描确认为目标货物后，即通过机械臂将货物取走。
3、充电装置
收发柜可完成对无人机充电的电力支持，U型支架中通过导线与柜体进行电力传送。一对U型支架的左右两部分上均设有充电口，分别与无人机下腹处左右侧充电口连接。当充电系统连通后，无人机用于与保温箱连接的电磁开关自动断开，无人机与保温箱分离，无人机可被运输至架台处储存。图8为本发明的充电架台俯视图。
4、无人机定位设施
无人机定位可由GPS完成。考虑到为进一步保证识别精度，本发明中优选采用收发柜识别码标定并加上无人机机头下安装红外发射器的方式保证进一步精确定位。相较传统的图像匹配定位方法，利用红外线进行精准定位可减少无人机摄像头被不法分子用作违规目的的隐患。收发柜的识别码采用红外敏感材料，设计为特殊形态的图形，每个图形匹配一个收发柜，该信息作为基础信息传输至无人机的树莓派中。每个收发柜的识别码总面积相同，当无人机的红外线发射器完全位于识别码正上方时，无人机检测到的信号强度相同，此信号强度记为标准信号强度。收发柜的标识别码区分前后左右四个方向，无人机得到即将降落的收发柜编码后，可调出该收发柜的识别码。红外发射器发射和识别码形状相同的红外光束，无人机调整自身的朝向和位置，直至接收到的信号强度充分接近标准信号强度后，表明无人机的朝向和位置均满足降落要求，待激光测高使无人机达到指定降落高度后，向该收发柜发射信号，收发柜准备就绪后完成无人机的回收。
5、收发柜信息共享
无人机收发柜之间以及收发柜与中央信息处理平台、云端数据库之间会共享无人机配送的信息，如从商品a从收发柜i运送到收发柜j，则收发柜i会将商品a的外卖盒类型、运载商品a的无人机编号k、无人机k到达收发柜j的时间窗口等信息发送至收发柜j。订单信息，如快递a的具体送货地址、快递a收货客户的手机号、快递a的质量、快递a预计或要求送达客户处的时间等数据，储存在快递a外卖盒上的二维码中。在快递a到达收发柜j后，收发柜j会对此信息单独进行读取，从而减少客户个人信息泄露的可能。快递a上二维码中的信息仅在收发柜i和收发柜j进行任务分配时被暂时储存在系统中，分配任务完成后相关数据即被删除，仅保留和运输过程相关的信息。
(二)无人机及保温箱设计
1、无人机设计
旋翼无人机和固定翼无人机都可以用作本发明的系统和方法中的无人机。旋翼无人机适用于短途、小载荷运输。固定翼无人机相比旋翼无人机具有可承受载荷大、飞行速度快、续航时间长等特点。
在无人机正下方增设可与保温箱对接的磁吸接口，在无人机下腹左右两侧增设可与收发柜内U型架台匹配的充电口，在无人机下腹前端增设红外扫描器。其中与保温箱的磁吸接口和与U型架台匹配的充电口，通过内电路的设计，可实现仅有一处回路可连通，即与保温箱磁吸接口对接后自动断开与U型架台充电口的连接，与U型架台匹配充电后自动断开为通电螺线圈供电的电路，使得与保温箱的磁吸接口失去磁性吸力，使保温箱与无人机分离。
2、保温箱设计
不同于传统外卖中使用的保温箱，本发明中的保温箱为五面闭合形式，仅有一面侧壁可围绕与下地面链接处的转轴打开。可开启的侧壁在无人机搭载保温箱起飞时位于无人机右侧。该侧壁上有可被收发柜识别并开启的机械纽扣，待无人机与保温箱降落在准备空间后，柜壁右侧伸出开箱转纽打开侧壁上的机械纽扣，上方伸出侧壁机械臂支撑侧壁上端两角，开箱转纽收回，机械臂支撑侧壁打开保温箱。另一机械臂取出待存放货物后，支撑侧壁的机械臂向上关闭保温箱侧壁，开箱转纽关闭机械纽扣，保温箱的取货步骤完成。
保温箱顶面中部设置可与无人机下腹对接的磁纽，待无人机的磁吸接口通电实现磁性后，二者可对接。
(三)配送信息中央处理单元
配送信息中央处理单元可作为中央信息处理平台的一部分设置于外卖配送平台中，负责对商户平台中与订单货物配送相关的数据进行收集、分析、共享和处理。这其中与无人机配送相关的信息包括取件地铁口位置、取件窗口时间信息和货物大小、数量信息。配送信息中央处理单元可以与各无人机收发柜和无人机之间实现信息的发送和接收，从而实现各无人机收发柜以及无人机之间的信息共享。
送达时间窗口通常由两个因素决定：一是客户指定的特定送达时间(特定时间送达，例如要求下班后某一时间送达)，一是下单后尽快要求送达(基于商业惯例)。系统会根据平台上不同订单的情况确定一定的时间范围作为送达时间窗口，并基于此时间窗口选择订单进行规划(包括聚类分析)。
1、货物尺寸
平台商户准备规定的外卖盒类型，例如前述的A型尺寸和B型尺寸的外卖盒。当用户在平台上选择餐饮时，平台自动根据所选餐饮包装盒的大小，估算所选餐饮是否可放入无人机的装箱盒(外卖盒)中，如超限则会向系统发送提示，本订单无法由无人机配送。
本发明的无人机辅助外卖配送系统，可适应当前外卖配送的多种实际情况，具有高效、响应快速、可充分减少外卖员等待时间、适应订单频繁变化等诸多优点，能够大大提高用户的满意度，有望成为未来外卖配送发展的新趋势之一。
本发明的系统和方法，具备高商业价值，拟定与有货物配送需求的商家进行合作，同时也接受个人消费者单独下载本产品的APP进行市内区域内小物件的寄送。同时，可以合理利用现有的社交平台进行产品推广、招商。产品进一步成熟后，可以与更多的企业和个体户商家进行合作，盈利模式可持续。
在本发明的系统和方法中，所述APP可以有不同的界面(端)，包括商户端APP、客户端(个人用户端)APP和物流端APP。入驻商家选择商户界面，个人用户则选择个人用户界面。
在商家界面中，商家在此界面入驻，上传店铺信息，包括营业执照、联系电话等信息。商家可通过该页面对店铺进行管理，除了对店铺、产品、价格进行介绍说明以及用户评价的内容外，商家界面包括必要的服务信息界面，尤其是对于客户对配送服务的选择、适配地铁站出入口的选择、服务时间、服务费用等功能；其中在配送服务方式上商家可根据客户要求选择快递员直接配送或无人机辅助配送的服务模式。
在个人用户界面中，至少包括确认订单界面和物流详情界面。在确认订单界面，客户(顾客)选择物品下单，在收货地址中包含从系统给出的地铁站出入口(即，本发明中设置有无人机收发站的那些地铁站出入口)进行选择的选项，系统计算订单金额，下单后显示支付成功并生成取货码。在物流详情界面，在顾客成功下单后，点击物流详情，可看到当前物品的运送详情以及送达时间。
为进一步说明本发明，本文提供以下的说明性实施例，具体说明本发明的系统和方法。以下实施例从订单发生和执行的流程进行说明，包括消费者发出购买需求以及消费者发出配送需求。
实施例1
1.1硬件设备准备：本发明的无人机辅助外卖配送系统所需的主要运载工具无人机可从无人机生产厂商购买，再装入本发明所配备的系统代码。所述无人机可以是任何适用的商用型号无人机，例如专注于城市低空配送网络的多旋翼无人机，其最大载重为5kg，满载最大配送半径(往返)为7km，满载最大配送距离10公里。
1.2软件APP开发：如前面所述，要形成良好的产品生态链需要有专属配套的APP，不同需求的用户可以通过该APP下单配送，APP可以实现实时购物下单、实时配送下单、跟踪订单状态等功能。
1.3与市政或地铁公司的合作：由于本发明的系统和方法需要利用设置在地铁站出入口的无人机发送柜，所以需要与市政或地铁公司进行谈判和合作，在地铁站出入口的合适位置设置无人机收发柜。
1.4用户注册
以北京市地铁为例说明。某用户H为北京市朝阳区奥林佳苑小区的一住户，他注册了该APP的账号。
1.5用户下单
用户H想要下单一家位于海淀区知春路的名为“沸腾鱼乡”的外卖菜品，于是在APP上下单，但是因H在上班不方便接货，于是在APP订单上指定将在下班后的7点钟左右将外卖送至距离H家较近的北沙滩地铁站B2出口的无人机收发柜中，由H自取。完成相关信息输入后，H确认发送，付款，完成订单下单。
1.6商家接单
商户B是位于海淀区知春路的一家名为“沸腾鱼乡”餐饮店。当用户H订单下单后，订单信息通过商家版的APP显示并提醒商家B。商家B根据订单信息特别是送货地点和送货时间信息，安排在适当的时间制作菜品，并打包准备送货。
1.7商家送货
调度系统根据同一期间的订单情况，基于送达时间窗口、送达目的地等要求对系统无人机的运输任务进行规划，并将结果通过APP返回商家。在本例中，系统在对订单的地铁站节点进行聚类分析后，在系统内将提示可将本订单(记为订单O1)与另一具有相同指定目的地北沙滩地铁站B2出口地铁站的订单(记为订单O2)进行合并，并指示将其运送至设置在商家附近的无人机收发柜(本例中无人机收发柜设置在位于知春路的学院国际大厦)，同时通知商家本单采用无人机辅助配送并告知商家送货地址。商家接到系统通知后，由平台的外卖员下午6：30左右到商家取得制作并包装好的菜品，并送货到位于学院国际大厦的无人机收发柜，并扫码将菜品放入收发柜中。
1.8无人机运送
设置在商户集中地的无人机收发柜(本例中位于知春路学院国际大厦)收入货物后，系统发出的订单O1、O2合并信息也被无人机收发柜接收，此收发柜可以识别两订单O1和O2货物所在位置，并通过传送履带、滑轨和循环推出装置，使得两订单货物被收发柜自动归集到同一个保温箱中；然后无人机抓取保温箱，送至位于目的地北沙滩地铁站B2出口的无人机收发柜，并扫描使货物入柜，完成送货。
1.9客户取货
客户H下班后乘坐地铁回家，在北沙滩地铁站下车，从B2口出，在无人机收发柜处通过取货码取得外卖货品，并带回家。
2.0效果比较
各运输参数设定如下：车辆在一般城市道路行驶速度为40km·h-1，卡车单位距离行驶成本1.5元/km，无人机空载速度为40km·h-1，无人机最大往返直线距离为20km，无人机载重限制5kg，无人机飞行速度载重影响因子为2km·(h·kg)-1，无人机单位距离运输成本为0.3元/km，每订单重量为1kg(参见马佰钰等，碳排放约束下无人机-卡车联合配送问题研究，系统工程，2023年6月)。
通过百度地图拾取各所节点的经纬度如下表：
节点 经度 纬度
“沸腾鱼乡”餐饮店 116.352606 39.982476
学院路国际大厦 116.359744 39.983953
北沙滩地铁站B2口 116.376718 40.008103
针对以上客户采用为卡车、无人机单独配送或本发明中无人机辅助配送，花费时间、平均行驶路径、配送成本比较结果如下：
卡车配送：不考虑卡车载重限制，分析城市道路拥堵带来的速度时变，将问题简化为TSP求解得最优路径距离为：4.6km，服务耗时：0.58h。
无人机辅助配送：分析无人机载重，根据本发明中的思想，将数据点输入系统，得到飞行距离：3.3km，服务耗时0.25h。
本发明的无人机辅助配送方式在实例演示中较卡车配送在配送距离和配送时间方面有显示优势，并且更重要的是，可以解决城市上班族无适合的快递接收地址和无适合的取快递时间等问题。
应当指出的是，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑门电路来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域普通技术人员可以理解，上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

Claims (5)

1.一种基于城市地铁线路分布的无人机辅助物资配送方法，
所述方法包括以下步骤：
(1)(i)客户通过终端APP下单，确认采用无人机配送的目标地地铁站出入口；商户接单后，生成包含送货地铁口信息、商品到达时间、线路相关决策的送货码；商户将准备好的商品放入指定尺寸的外卖盒内；
(ii)快递员从商户取得商品，并根据系统给出的指示将商品运输至设置在商户集中地的无人机收发柜，并扫码使商品入柜；收发柜对本收发柜内的订单信息进行聚类分析，并根据分析结果将容纳有归入同一簇的订单商品的外卖盒移转到同一个保温箱中；
(2)位于无人机收发柜中的无人机抓取容纳有扫码入柜的商品的保温箱，出柜，根据规划路线运输至客户通过APP指定的设置在地铁站出入口的无人机收发柜，保温箱自动打开并释放外卖盒，外卖盒进入无人机收发柜的外卖储存室，并完成扫码，入柜信息被传送至中央信息处理平台；
(3)客户到达设置在地铁站出入口的无人机收发柜，利用收货码取得商品；
其中，所述无人机收发柜包括柜体、外卖储存室、保温箱、充电装置、无人机信息处理模块和扫描平台；所述设置在商户集中地的无人机收发柜还另外包括准备空间、无人机储存室和保温箱储存室；其中，所述准备空间用于无人机发射和回收的准备工作；所述设置在商户集中地的无人机收发柜的保温箱用于接收和分装订单商品；所述外卖储存室的中部为外卖储存柜格，一侧延伸空间为转运空间，另一侧为保温箱运输的空间，所述外卖储存室与上下层的隔板一侧均设置可自动打开的窗口；所述设置在商户集中地的无人机收发柜还包括传送履带、滑轨和循环推出装置，使得放入无人机收发柜中的被归入同一簇的订单商品可以被收发柜自动归集到同一个保温箱中，从而被一架无人机在一次运输任务中执行；
所述无人机选自固定翼无人机和旋翼无人机；
所述无人机、无人机收发柜与云端数据库通信连接，实现数据共享、传输和调用；
所述终端APP包括客户端、商户端和物流端APP，用于进行无人机配送订单下单、接单和配送信息确认，并且可通过在线界面实时显示配送信息；
其中，步骤(1)(ii)中的聚类分析通过下式(I)进行约束和规划：
其中，Ck是第k聚类内的地铁口节点集合；M是无人机保温箱的外卖盒最大装载数量，mi代表指定运送到地铁站出入口i的订单数量，公式(I)约束无人机所配送区域的所有订单总数量不超过无人机收发柜的保温箱所能装载的外卖盒的最大数量；
所述聚类分析包括使用k-means聚类方法生成初始聚类方案，然后根据无人机的最大输送数量调整聚类方案，聚类方案生成后，得到无人机的遍历点，具体包括如下步骤：
1)首先，利用下式计算由区域内地铁口用户节点划分得到的每一个聚类的中心，
其中，(X(I)，Y(I))表示第I个聚类的中心，i表示第I个聚类中第i个地铁口节点，nI表示第I个聚类中地铁口节点的数量，(xi，yi)表示第i个地铁口节点的二维坐标；
2)利用下式计算k-means损失函数：
其中，k表示分类的个数；
Step1：根据以上式(I)中聚类中心计算k-means损失函数W，如果W收敛，则输出初始聚类方案；
Step2：根据上述式(I)，如果第k聚类地铁口节点集合Ck的总外卖盒数量超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量的一倍以上，则令返回到Step 1进行重新聚类；如果第k聚类地铁口节点集合Ck的总外卖盒数量超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则转到Step 3进行聚类修复；如果第k聚类地铁口节点集合Ck的总包裹数量小于等于无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则该聚类方案可行，循环结束；
Step 3：首先将第k类中的地铁口节点与聚类中心距离降序排序，得到然后将第一个地铁口节点/>与其他类地铁口节点集合进行降序排序，转到Step 4；
Step 4：移位算子：删除地铁口节点插入到类Ck+1中，如果类Ck+1中所有地铁口节点集合Ck的总外卖数量超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则终止遍历，输出调整后的聚类方案；否则，依次插入到类Ck+1，Ck+2，...，Cm中；如果其他聚类中都不能插入地铁口节点/>则依次删除地铁口节点/>插入到其他聚类中；如果Ck任何地铁口节点移位到其他聚类中都不满足总外卖数量不超过无人机收发柜的保温箱的最大装载数量的约束，则转到Step 5；
Step 5：交换算子：将类k中的地铁口节点与最近的其他类中地铁口节点/>交换，交换后，如果该类所有地铁口节点的外卖盒数量/>小于无人机收发柜的保温箱的最大装载数量，则终止遍历，输出调整后的聚类方案；否则，依次与其他类中的客户点交换，如果/>与其他聚类中的客户点交换后均不满足要求，则依次取出地铁口节点/> 与其他聚类中的地铁口节点交换；如果满足无人机收发柜的保温箱的最大装载数量的约束，则输出调整后的聚类方案；
通过聚类分析，并结合设定的送达时间窗口将订单分入不同的簇；
在步骤1(ii)中，如果无人机到达设置在商户集中地的收发柜后，没有待完成的运输任务且该收发柜有剩余空间可存放无人机，则该无人机即被存入该收发柜中，不再被释放飞回出发位点；如出发点和终点的收发柜均无储放无人机的空位，则指令无人机飞往距离最近的有空位的收发柜；收发柜的储存无人机的容量根据该点订单流量大小制定；储存在收发柜内的无人机会被自动充电，执行任务时优先选择剩余电量较多的无人机完成飞行任务；
在步骤(2)中，由无人机完成从设置在商户集中地的无人机收发柜到设置在地铁口的无人机收发柜之间的运输任务的路径规划如下：
所用变量和参数具有以下表中的含义：
路径规划目标函数
目标函数是为了实现从设置在商户集中地的无人机收发柜出发发往同一个聚类地铁口的无人机卸载完所有外卖盒所需要飞行的距离最小，
此目标函数有以下约束公式：
送往每个聚类地铁口的外卖盒数量不超过无人机保温箱所能容纳的外卖盒数量：
规划路线中不出现子环路：
运送的订单数量不超过设置在地铁站出入口的无人机收发柜内所能容纳的外卖盒数量：
相邻两架无人机发出的时间间隔不小于最小发射时间间隔：
相邻两架无人机回收的时间间隔不小于最小回收时间间隔：
同一架无人机在某个地铁站出入口的无人机收发柜停留的时间不小于最小卸载外卖时间：
相邻两架无人机可顺序完成对同一无人机收发柜的交付任务：
飞行消耗总电量不超过无人机电池存有的电量：
在步骤(2)中，当无人机到达指定收发柜时，收发柜可获知目标货物在该无人机保温箱中的位置，保温箱释放外卖盒并取出货物。
2.根据权利要求1所述的无人机辅助物资配送方法，其中所述无人机收发柜的柜体包括顶板、下层底板和顶层自动门；优选地，所述无人机收发柜顶板中设置有单侧自动挡板。
3.根据权利要求1或2所述的无人机辅助物资配送方法，其中所述准备空间由可升降的支撑底板、滚动的履带、推动装置和机械臂组成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的无人机辅助物资配送方法，其中所述无人机储存室设置在所述准备空间下方。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的无人机辅助物资配送方法，其中所述无人机储存室包括对接保温箱区域、无人机储存架和可活动区域；优选地，所述无人机储存架由多个U型架台构成，U型架分为左右两部分，其上对称位置有无人机充电口，可在无人机储存时自动为无人机充电。
CN202311422109.XA 2023-05-10 2023-10-31 无人机辅助物资配送方法 Pending CN117408478A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2023105198431 2023-05-10
CN202310519843 2023-05-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117408478A true CN117408478A (zh) 2024-01-16

Family

ID=89088148

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311406966.0A Pending CN117236836A (zh) 2023-05-10 2023-10-27 无人机辅助外卖配送系统
CN202311422109.XA Pending CN117408478A (zh) 2023-05-10 2023-10-31 无人机辅助物资配送方法

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311406966.0A Pending CN117236836A (zh) 2023-05-10 2023-10-27 无人机辅助外卖配送系统

Country Status (1)

Country Link
CN (2) CN117236836A (zh)

Also Published As

Publication number Publication date
CN117236836A (zh) 2023-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Boysen et al. Last-mile delivery concepts: a survey from an operational research perspective
US20240037490A1 (en) Delivery of food items by aerial or ground drones to and from delivery vehicles
US10303171B1 (en) Autonomous ground vehicles providing ordered items in pickup areas
US10222798B1 (en) Autonomous ground vehicles congregating in meeting areas
US10245993B1 (en) Modular autonomous ground vehicles
CN110641700A (zh) 面向社区的无人机配送系统与配送方法
CN103738640B (zh) 自动货柜系统
CN109716368A (zh) 在交付地点处设基地的自主地面载具
TW201909053A (zh) 多模式之車輛執行食物準備、烹調及分配之系統及方法
Savelsbergh et al. The general pickup and delivery problem
CN111675057B (zh) 一种应用于住宅楼及住宅小区的货物智能运送系统
US20230341870A1 (en) Automated vehicle for autonomous last-mile deliveries
JP2021193569A (ja) 自律的又は半自律的配達の方法及びシステム
CN107038496B (zh) 一种无人机快递自动投送路径规划方法及系统
EP3861522A1 (en) Depot dispatch protocol for autonomous last-mile deliveries
CN106462821A (zh) 移动拾取位置
US20160027093A1 (en) Electronic commerce platform
CN107025536A (zh) 一种实时精准智能购物系统及其操作方法
Mohammad et al. Innovative solutions in last mile delivery: concepts, practices, challenges, and future directions
CN112070979A (zh) 一种无人驾驶餐食车、无人现场制作和无人售卖的餐食共享系统及方法
CN109008145A (zh) 一种智慧式无人餐饮熟食运售车及共享系统及商业模式
CN108764780A (zh) 一种送餐调度系统及其送餐调度方法
CN107067196A (zh) 一种基于物联网配送柜的配送系统和配送方法
CN207074451U (zh) 一种基于城市快递分拣收发的公共交通运输系统
CN211055378U (zh) 面向社区的无人机配送系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination