基于云控制的智能派件系统设计

引 言

随着社会的进步和技术的发展，传统的快递行业正在进行产业升级。目前快递行业当中，分拣、搬运等工作，绝大部分工人已经被高科技智能机器人所取代。但是在末端的派送阶段大多数还是采用人工派送的方式，与日俱增的快递量给末端派送的快递点造成了较大压力。现有的解决方案大多以智能快递柜 [1] 的形式解决，但是这类方案存在占地面积大、派件地点不够灵活、无法更好地提升用户体验等缺点。本设计将已有方案的派件主体由快递柜替换为智能快递车，用户可以通过手机 APP 提前预约取件地点与时间 ；智能快递车可以装载一定数量的快件，通过 GPS 技术确定小车地点与获取运送路线 ；在小车行进过程中，车载雷达实时扫描、更新小车附件的环境情况，做到精确导航，再结合避障模块，准确规避障碍物 ；通过摄像头识别用户手机 APP 出示的记录快件信息的二维码后打开相应的储物柜，用户可自行取出快件。整个配送过程基本实现无人化，既减轻了快递点的派件压力， 同时也提高了用户的需求。

1 系统总体结构

系统结构框图如图 1 所示。该系统以 Jetson TX2 与STM32F103ZET6 作为系统数据处理中心。其中 Jetson TX2采用 Linux 操作系统编程，接收并处理来自避障部分、定位导航部分、人机交互部分以及 STM32F103ZET6 的信息，并传送相关信息和指令给人机交互部分和 STM32F103ZET6 ； STM32F103ZET6 接收并处理来自蓄电池、MPU6050 与Jetson TX2 的信息与指令，并且下达指令给减速电机与转向舵机。避障部分包括激光雷达模块、热成像模块、超声波模块和摄像头模块 ；定位导航部分包括激光雷达模块和 GPS 模块 ；人机交互部分包括机智云物联网云服务端、客户端APP ；车体自适应控制部分包括减速电机、蓄电池、转向舵机、MPU6050 传感器。

2 系统硬件设计

2.1 定位导航设计

传统的定位导航多单纯使用 GPS 定位技术或单纯使用雷达定位技术进行自动巡航。本设计定位导航部分结合了 GPS定位技术 [2] 与雷达定位技术 [3]，利用 GPS 进行大概定位（精度 2.5 m），利用雷达激光扫描进行精确定位（精度 1 cm，有效半径 12 m）。利用 GPS 可以在任何有网络信号覆盖的地方进行定位，范围较广，同时针对其精度低、信号易被遮盖的缺点，结合使用雷达激光扫描提高定位精度 ；并且在 GPS 信号被建筑物或树木遮蔽时，可以单独使用雷达激光扫描进行定位，即使在室内也可进行自动巡航，大大提高定位适用范围。雷达室内扫描效果图如图 2 所示。因室内 GPS 信号被遮盖，故小车定位导航只依靠激光雷达，该效果图显示了室内雷达扫描建模的效果。

图 2 雷达室内扫描效果图

2.2 车体避障设计

本设计将采用超声波模块、摄像头模块、热成像模块、雷达对小车周围环境进行实时监控，判断道路是否有障碍物需要避开。此外，本文采用 Jetson TX2[4] 的 AI 平台运行改进后的 YOLO 行人检测算法 [5]，预测行人的运动方向，检测小车主体与行人的距离，实时地对周围环境的人体进行检测， 避免安全事故的发生。

2.3 车体自适应运动控制方案设计

本设计中车体自适应控制部分采用大功率减速电机驱动，采用大容量蓄电池作为电源供给，结合陀螺仪和磁力计进行 PID 算法 [6] 数据采集以供主控部分进行数据处理，进而接收来自主控部分的控制信号，完成前进、后退、转弯、停止的动作。

2.4 物联网设计

本设计中的物联网部分采用机智云 [7] 公司的开源云服务作为小车的网络端。系统实时监控小车位置、快件情况等信息，并将这些信息上传到云服务器。用户可通过手机 APP 或小车的控制界面获取相关的信息，也可以通过手机 APP 进行预约取件时间、地点等，还可以通过小车控制界面进行二维码扫描，将产生的信息上传到云服务器，从而向小车下达相关的控制信息。

3 系统软件设计

3.1 APP 功能设计

功能设计如下 ：

（1）通过 APP 主界面可显示用户快件所在小车距离派件地点的距离、小车的车号、快件单号以及预计送达的时间，用户可以通过这些信息准确掌握快递小车和快件的相关信息。

（2）通过 APP可随时更改小车派件的地点，当用户的所处位置改变时可相应修改到最方便取件的地址。

（3）通过 APP可随时更改小车派件的时间，当用户的时间与原定的取件时间发生冲突时，可以修改到方便用户取件的时间。

（4）通过 APP可在取件时打开手机的扫描功能扫描小车车身的二维码进行信息匹配，当匹配到快件信息时小车会将对应的快件置于取货口供用户收取。

3.2 APP 界面设计

本设计中，用户端的安卓 APP[8] 使用 Eclipse 进行开发， 接入机智云公司开放平台 GAgent 作为本系统的网络数据中心。主要实现功能 ：小车具体信息（距离、车号、派件时间等）、取件地址预定、取件时间预定、取件二维码识别 [9] 等。用户端 APP 主界面如图 3 所示。

图 3 用户端 APP 主界面

4 系统程序设计

系统结构框图如图 4 所示。

系统步骤如下 ：

（1）进行系统初始化。启动避障部分，定位导航部分、人机交互部分、车体自适应部分。

（2）通过定位导航部分实时获取快递小车位置。

（3）通过云服务端获取快递小车派件的目标位置，并且通过交互 APP，以云服务器为媒介，修改快递小车派件的目标位置。

（4）通过避障部分检测快递小车状况及小车周围障碍信息，并且将相关信息上传给云服务器，并以云服务器为媒介将信息传送到交互 APP。

（5）通过目标位置的获取以及结合小车周围的障碍信息，控制快递小车进行自主巡航、派件。

（6）快递小车到达目标位置并完成派件之后重新确定目标位置（下一派送点或快递站），规划新路线并运行。

5 结 语

随着社会的进步与生产力的发展，产业升级优化过程中使用智能机器人取代人工是一个必然的趋势，快递业更是如此。本文从快递业中的“最后一公里”入手 [10]，通过智能派件系统来替代传统的人工派送，从而降低人力成本。本设计的用户端 APP 从用户的需求入手，让用户能够通过手机APP 实时掌握快递信息并且能够自由地预约派件的时间和地点，可以有效提升用户体验，体现人性化设计。目前本设计已完成各部分硬件测试与软件的开发，初步测试结果基本满足设计需求。综上所述，本文系统设计顺应社会发展的趋势，具有较好的实用性和较高的市场价值。