一种用于货物配送的载货无人机调度系统、方法及服务端与流程
本发明涉及物流系统技术领域，尤其涉及一种用于货物配送的载货无人机调度系统、方法及服务端。
背景技术：
快递物流与互联网在新经济时代发展密切相关、业务互为支撑，互联网与快递服务的结合是一个相互促进、共赢发展的过程，优质的快递服务也是推动互联网新型模式发展的关键环节和重要基础，随着互联网经济的高速发展，对快递服务的时效性、安全性、质量等要求也越来越高。
随着互联网的高速发展，快递物流行业也正在经历着快速变革和创新。无人机、云仓储、机器人等出现在物流行业，让整个行业充满“智慧转型”的期待。
当前无人机用于运送货物时，由于能源动力有限、续航时间等问题得不到解决，大大限制了无人机的应用范围。虽然一些公开技术中提出了利用路灯、电线杆或者基地节点对无人机进行中继充电，但受到充电技术和电池容量的限制，需要较长时间才能充满电池继续飞行运送货物，造成了时间的浪费和货物的运送延误，降低了货物的运送效率。
申请号为cn201710103208的专利公开了一种无人机中继装置及中继方法，其包括停机坪、限位固定机构、电池坞和电池更换机构；限位固定机构设有第一v型夹板、第二v型夹板和相对运动传动装置，第一v型夹板和第二v型夹板相对设置并位于停机坪甲板的上方，电池更换机构包括悬臂、电磁铁以及垂直连接在一起的水平方向线性模组和垂直方向线性模组，悬臂与垂直方向线性模组上的垂直方向滑块连接，电磁铁与悬臂连接，电池坞设有电池槽。
该中继装置可对无人机上低电量的电池进行更换，换上高电量的电池后，无人机继续飞行，但是更换电池仍然需要消耗大量时间，且该方法并没有对无人机的送货路径进行合理规划，无人机不能以最快最省电的方式送货到目的地。
技术实现要素：
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种用于货物配送的载货无人机调度系统、方法及服务端，其在送货距离超出载货无人机飞行范围时，由中继节点上的载货无人机对货物进行不间断中继运送，拓宽了货物配送的运送范围，并且能够从货物配送起点到目的地之间的多个中继节点中选择最优的中继节点，使得货物在运送过程中中继的次数最少，缩短了送货时间，提高了货物的运送效率，充分利用了载货无人机的电量。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种用于货物配送的载货无人机调度方法，包括以下步骤：
s1：服务端接收载有货物的载货无人机于起飞前发送的路径选择请求；
s2：服务端判断载有货物的载货无人机是否能够到达目标节点，若是，则指示该载货无人机直接将货物送到目标节点，否则，根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定该载货无人机应到达的中继节点，指示该载货无人机飞到该中继节点将货物转移给该中继节点上的新载货无人机；
s3：重复步骤s2，直至货物被送到目标节点。
载货无人机在从货物配送起点起飞前发送路径选择请求到服务端，路径选择请求中包含载货无人机的当前电量信息、身份信息、载有货物重量、当前节点信息、目标节点信息等信息。服务端接收到载货无人机的路径选择请求后先判断载有货物的载货无人机是否能够到达目标节点，如果能直接到达，则指示载货无人机直接将货物送达；如果不能直接到达，就选择一个最合适的中继节点，指示载货无人机将货物运送到该最合适的中继节点，并将货物转移给该中继节点上的一个载货无人机，由新接收货物的载货无人机进行运送。服务端重复上述步骤，判断新接收货物的载货无人机是否能够到达目标节点，并按上述方法决定新接收货物的载货无人机是将货物直接动到目标节点，还是运送到另一个最合适的中继节点，如此循环，直到货物被送到目标节点。
作为优选，所述路径选择请求中包含载货无人机的当前电量信息、身份信息、载有货物重量、当前节点信息、目标节点信息。
作为优选，所述判断载有货物的载货无人机是否能够到达目标节点的方法包括以下步骤：根据载货无人机的载有货物重量、当前节点、目标节点计算出载货无人机将货物从当前节点直接运送到目标节点的所需能量w，如果载货无人机当前电量大于所需能量w，则判断载货无人机能够到达目标节点，否则判断载货无人机不能到达目标节点。
作为优选，所述根据载货无人机的载有货物重量、当前节点、目标节点计算出载货无人机将货物从当前节点直接运送到目标节点的所需能量w的方法包括以下步骤：
采用如下公式计算所需能量w：
w＝wtakeoff+wfly；
wtakeoff＝(m0+m)*α+β；
wfly＝(m0+m)*d*γ；
其中，wtakeoff为载货无人机在当前节点起飞时消耗的能量，wfly为载货无人机从当前节点飞到目标节点所需要消耗的能量，m0为载货无人机的自身重量，m为载货无人机载有货物的重量，α、β为载货无人机起飞时的能量消耗系数，γ为载货无人机飞行时的能量消耗系数。α、β、γ均由载货无人机的物理飞行特性决定。
作为优选，所述根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定该载货无人机应到达的中继节点的方法包括以下步骤：先从该载货无人机能够到达的所有中继节点中选出备选中继节点，备选中继节点满足：中继节点到当前节点的连线与货物配送起点到目标节点的连线之间的夹角最小；如果备选中继节点只有一个，则该备选中继节点作为该载货无人机应到达的中继节点，如果备选中继节点大于一个，则从所有备选中继节点中选出最优中继节点作为该载货无人机应到达的中继节点，最优中继节点满足：中继节点到当前节点的连线在货物配送起点到目标节点的连线上投影最大。
作为优选，确定载货无人机能够到达的中继节点的方法包括以下步骤：根据该载货无人机的当前电量、载有货物重量计算出载货无人机能飞行的最远距离，以该最远距离为半径，该半径范围内的中继节点为载货无人机能够到达的中继节点。
作为优选，所述载货无人机飞到中继节点将货物转移给中继节点上的新载货无人机的方法包括以下步骤：服务端将选定的中继节点信息发送给载有货物的载货无人机，该载货无人机根据导航系统飞至选定的中继节点，服务端选出该中继节点中电量最高的载货无人机作为新载货无人机，并把该新载货无人机的信息发送给载有货物的载货无人机，载有货物的载货无人机根据收到的信息找到该新载货无人机并通过接驳装置将货物转移给该新载货无人机。
本发明的一种服务端，使用上述的一种用于货物配送的载货无人机调度方法，包括：
存储单元，用于存储载货无人机信息、中继节点信息以及货物配送起点、各中继节点、目标节点之间的位置信息；
收发单元，用于与载货无人机通信；
处理单元，用于规划载货无人机的飞行路径，控制载货无人机将货物运送到目标节点。
本发明的一种用于货物配送的载货无人机调度系统，包括上述的服务端，还包括若干个载货无人机和若干个中继节点。
作为优选，所述中继节点上设有用于为载货无人机充电的充电装置。
作为优选，所述载货无人机包括用于与服务端无线通讯的通讯装置。
作为优选，所述载货无人机还包括接驳装置，所述接驳装置用于将货物移交给其他载货无人机、接收从其他载货无人机移交的货物。
本发明的有益效果是：(1)在送货距离超出载货无人机飞行范围时，由中继节点上的载货无人机对货物进行不间断中继运送，拓宽了货物配送的运送范围，并且能够从货物配送起点到目的地之间的多个中继节点中选择最优的中继节点，使得货物在运送过程中中继的次数最少，缩短了送货时间，提高了货物的运送效率，充分利用了载货无人机的电量。(2)中继节点上设有充电装置，卸货后低电量的载货无人机可停留在中继节点上充电，补充能量，当补充足够能量后，又进行载货，大大提高了整个系统的货物运送能力。
附图说明
图1是实施例的调度方法的流程图；
图2是实施例中载货无人机运送货物的路径示意图；
图3是服务端的结构示意图；
图4是调度系统的结构示意图；
图5是充电装置的结构示意图；
图6是接驳装置的结构示意图。
图中：1、服务端，2、载货无人机，3、中继节点，4、存储单元，5、收发单元，6、处理单元，7、充电装置，8、转动底盘，9、停机平台，10、定位标识，11、无线充电模块，12、定位杆，13、定位孔，14、货舱，15、托板，16、导轨，17、货物。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种用于货物配送的载货无人机调度方法，如图1所示，包括以下步骤：
s1：服务端接收载有货物的载货无人机于起飞前发送的路径选择请求，路径选择请求中包含载货无人机的当前电量信息、身份信息、载有货物重量、当前节点信息、目标节点信息；
s2：服务端判断载有货物的载货无人机是否能够到达目标节点，若是，则指示该载货无人机直接将货物送到目标节点，否则，根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定该载货无人机应到达的中继节点，指示该载货无人机飞到该中继节点将货物转移给该中继节点上的新载货无人机；
s3：重复步骤s2，直至货物被送到目标节点。
判断载有货物的载货无人机是否能够到达目标节点的方法包括以下步骤：根据载货无人机的载有货物重量、当前节点、目标节点计算出载货无人机将货物从当前节点直接运送到目标节点的所需能量w，如果载货无人机当前电量大于所需能量w，则判断载货无人机能够到达目标节点，否则判断载货无人机不能到达目标节点。
根据载货无人机的载有货物重量、当前节点、目标节点计算出载货无人机将货物从当前节点直接运送到目标节点的所需能量w的方法包括以下步骤：
采用如下公式计算所需能量w：
w＝wtakeoff+wfly；
wtakeoff＝(m0+m)*α+β；
wfly＝(m0+m)*d*γ；
其中，wtakeoff为载货无人机在当前节点起飞时消耗的能量，wfly为载货无人机从当前节点飞到目标节点所需要消耗的能量，m0为载货无人机的自身重量，m为载货无人机载有货物的重量，α、β为载货无人机起飞时的能量消耗系数，γ为载货无人机飞行时的能量消耗系数。α、β、γ均由载货无人机的物理飞行特性决定。
根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定该载货无人机应到达的中继节点的方法包括以下步骤：先从该载货无人机能够到达的所有中继节点中选出备选中继节点，备选中继节点满足：中继节点到当前节点的连线与货物配送起点到目标节点的连线之间的夹角最小；如果备选中继节点只有一个，则该备选中继节点作为该载货无人机应到达的中继节点，如果备选中继节点大于一个，则从所有备选中继节点中选出最优中继节点作为该载货无人机应到达的中继节点，最优中继节点满足：中继节点到当前节点的连线在货物配送起点到目标节点的连线上投影最大。
确定载货无人机能够到达的所有中继节点的方法包括以下步骤：根据该载货无人机的当前电量、载有货物重量计算出载货无人机能飞行的最远距离，以该最远距离为半径，该半径范围内的中继节点为载货无人机能够到达的中继节点。
载货无人机飞到中继节点将货物转移给中继节点上的新载货无人机的方法包括以下步骤：服务端将选定的中继节点信息发送给载有货物的载货无人机，该载货无人机根据导航系统飞至选定的中继节点，服务端选出该中继节点中电量最高的载货无人机作为新载货无人机，并把该新载货无人机的信息发送给载有货物的载货无人机，载有货物的载货无人机根据收到的信息找到该新载货无人机并通过接驳装置将货物转移给该新载货无人机。
载货无人机在从货物配送起点起飞前发送路径选择请求到服务端。服务端接收到载货无人机的路径选择请求后先判断载有货物的载货无人机是否能够到达目标节点，如果能直接到达，则指示载货无人机直接将货物送达；如果不能直接到达，就选择一个最合适的中继节点，指示载货无人机将货物运送到该最合适的中继节点，并将货物转移给该中继节点上的一个载货无人机，由新接收货物的载货无人机进行运送。服务端重复上述步骤，判断新接收货物的载货无人机是否能够到达目标节点，并按上述方法决定新接收货物的载货无人机是将货物直接动到目标节点，还是运送到另一个最合适的中继节点，如此循环，直到货物被送到目标节点。
例如：如图2所示，节点a为货物配送起点，在节点a处负责送货的是载货无人机x，目标节点e为本次货物送货的终点，在节点a和目标节点e之间有多个中继节点b、c、d、f、g、h、i、j、k、l、m、n。节点a上用于此次货物配送的载货无人机x当前电量为
服务端采用本实施例的方法控制载货无人机送货，流程如下：
s101：服务端接收载货无人机x起飞前发送的路径选择请求，路径选择请求中包含载货无人机x的当前电量信息、身份信息、载有货物重量、当前节点信息、目标节点信息；
s102：服务端判断载货无人机x不能直接到达目标节点e，具体方法如下：
(1)先计算载货无人机x从节点a起飞并飞到目标节点e所需要消耗的能量w；
w＝wtakeoff+wfly；
wtakeoff＝(m0+m)*α+β；
wfly＝(m0+m)*d*γ；
其中，wtakeoff为载货无人机在节点a起飞时消耗的能量，其由载货无人机的自身重量m0、载货无人机上的载货重量m决定；α、β为载货无人机起飞时的能量消耗系数，α、β均由载货无人机的物理飞行特性决定，两个系数均预先存入服务端，当载货无人机的身份确定，该两个系数也可确定；wfly，为载货无人机从节点a飞到目标节点e所需要消耗的能量，由载货无人机的自身重量m0、载货无人机上的载货重量m以及从节点a到目标节点e的飞行距离d决定；γ为载货无人机飞行时的能量消耗系数，由载货无人机的物理飞行特性决定，该系数已预先存入服务端，当载货无人机的身份确定，该系数也可确定；
(2)将载货无人机x从节点a起飞并飞到目标节点e点所需要消耗的能量w与载货无人机x当前电量
s103：服务端根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定载货无人机x应到达的中继节点为中继节点b，具体方法如下：
(1)先从节点a开始，计算载货无人机x从节点a起飞能够送达的最大半径da，da可以通过下式计算：
以节点a为圆心，da为半径画圆，在圆内的中继节点f、b、g为载货无人机x能够到达的所有中继节点，
(2)从中继节点f、b、g中寻找出最优中继节点b作为载货无人机x应到达的中继节点，具体方法如下：
先从中继节点f、b、g中选出备选中继节点，备选中继节点满足：中继节点到当前节点的连线与货物配送起点到目标节点的连线之间的夹角最小；由于线段ab与线段ae的夹角最小，因此中继节点b为备选中继节点，又因为备选中继节点只有一个，所以中继节点b即为载货无人机x应到达的中继节点。
s104：服务端将飞往中继节点b的指令信息发送给载货无人机x，指令信息中包括中继节点b的身份信息、地址信息，载货无人机x接收到指令信息后，根据自身携带的导航系统，飞至中继节点b；
s105：服务端选出中继节点b中电量最高的载货无人机y作为运送该货物的新载货无人机，并将载货无人机y的身份信息发送给载货无人机x，载货无人机x与载货无人机y完成货物交接；
由于中继节点上的载货无人机，均实时向服务端发送自身的电量状态信息，在载货无人机x到达中继节点b时，服务端选取当前电量最高的载货无人机y作为新载货无人机，并将载货无人机y的身份信息发送给载货无人机x，载货无人机x根据接收到的身份信息找到载货无人机y并通过接驳装置完成货物交接，得到货物的载货无人机y负责运送该货物，卸货后的载货无人机x停留在中继节点b的充电装置上充电；
s106：服务端采用与步骤s102计算所需能量w方法同样的方法计算出载有货物的载货无人机y从中继节点b起飞并飞到目标节点e所需要消耗的能量w大于载货无人机y的当前电量
s107：服务端根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定载货无人机y应到达的中继节点为中继节点c；
s108：服务端将飞往中继节点c的指令信息发送给载货无人机y，指令信息中包括中继节点c的身份信息、地址信息，载货无人机y接收到指令信息后，根据自身携带的导航系统，飞至中继节点c；
s109：服务端选出中继节点c中电量最高的载货无人机z作为运送该货物的新载货无人机，并将载货无人机z的身份信息发送给载有货物的载货无人机y，载货无人机y与载货无人机z完成货物交接；
s110：服务端采用与步骤s102计算所需能量w方法同样的方法计算出载有货物的载货无人机z从中继节点c起飞并飞到目标节点e所需要消耗的能量w大于载货无人机z的当前电量
s111：服务端根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定载货无人机z应到达的中继节点为中继节点m；
s112：服务端将飞往中继节点m的指令信息发送给载货无人机z，指令信息中包括中继节点m的身份信息、地址信息，载货无人机z接收到指令信息后，根据自身携带的导航系统，飞至中继节点m；
s113：服务端选出中继节点m中电量最高的载货无人机q作为运送该货物的新载货无人机，并将载货无人机q的身份信息发送给载有货物的载货无人机z，载货无人机z与载货无人机q完成货物交接；
s114：服务端采用与步骤s102计算所需能量w方法同样的方法计算出载有货物的载货无人机q从中继节点m起飞并飞到目标节点e所需要消耗的能量w小于载货无人机q的当前电量
s115：服务端指示载货无人机q直接将货物送往目标节点e，结束。
本实施例的一种服务端，使用上述的一种用于货物配送的载货无人机调度方法，如图3所示，包括：
存储单元4，用于存储载货无人机信息、中继节点信息以及货物配送起点、各中继节点、目标节点之间的位置信息；
如：存储载货无人机身份信息、载货无人机电量状态信息、载货无人机物理特性信息、中继节点身份信息以及货物配送起点、各中继节点、目标节点之间的位置信息；
收发单元5，用于与载货无人机通信；
如：接收载货无人机发送的路径选择请求，向载货无人机发送路径反馈信息，接收中继节点上的载货无人机实时发送的电量状态信息；路径反馈信息包括直飞目标节点的指令或飞往选定中继节点的指令信息；
处理单元6，用于规划载货无人机的飞行路径，控制载货无人机将货物运送到目标节点；
如：判断载货无人机是否能够到达目标节点，并在判断结果为是时，命令收发单元向载货无人机发送直飞目标节点的指令，在判断结果为否时，根据载货无人机到达目标节点所需中继次数最少的中继方式确定该载货无人机应到达的中继节点，命令收发单元向载货无人机发送飞往选定中继节点的指令信息；还用于在选定的中继节点中选择电量最高的载货无人机作为新载货无人机，并命令收发单元将新载货无人机的信息发送给载有货物的载货无人机，使得载有货物的载货无人机飞到选中的中继节点并将货物转移给新载货无人机。
本实施例的一种用于货物配送的载货无人机调度系统，如图4所示，包括上述的服务端1，还包括若干个载货无人机2和若干个中继节点3。
载货无人机2包括通讯装置和导航系统，通讯装置用于与服务端无线通讯，导航系统用于根据接收到的路径反馈信息将载货无人机导航至中继节点或目标节点。
中继节点3上设有用于为载货无人机充电的充电装置7。如图5所示，充电装置7包括转动底盘8，转动底盘8上设有控制器和若干个停机平台9，停机平台9四角处设有定位标识10，停机平台9上设有用于感应载货无人机的感应模块和用于给载货无人机无线充电的无线充电模块11，控制器分别与转动底盘8、感应模块和无线充电模块11电连接。
载货无人机需要充电时，飞到转动底盘上空闲的停机平台，通过摄像头识别定位标识定位，正确停放在某个空闲的停机平台，该停机平台上的感应模块(可以是接近开关、红外线传感器等)感应到载货无人机，控制器控制无线充电模块工作给载货无人机充电。转动底盘上有多个停机平台，可以同时对多个载货无人机进行充电，可根据需要进行旋转。
载货无人机还包括接驳装置，接驳装置用于将货物移交给其他载货无人机、接收从其他载货无人机移交的货物。如图6所示，接驳装置包括定位机构和放货机构，定位机构包括设置在载货无人机机身底部的若干个定位杆12以及设置在载货无人机机身顶部的若干个供定位杆插入的定位孔13，定位杆12与定位孔13位置一一对应，放货机构包括设置在载货无人机机身上的货舱14，货舱14顶部和底部都开口，货舱14内左右两侧对称设有用于托放货物17的托放机构，托放机构包括竖直设置的导轨16、可带动导轨16沿货舱内壁上下移动的移动机构、可沿导轨16上下移动的托板15以及可带动托板15转动的驱动电机。
载货无人机在中继节点交接货物时，载有货物的载货无人机飞到接收货物的载货无人机上方，通过摄像头识别定位，将自身的定位杆插入接收货物的载货无人机上对应的定位孔完成定位，然后载有货物的载货无人机内的托板移动到导轨最下方，导轨下移使货物移动到接收货物的载货无人机的货舱口，接收货物的载货无人机内的托板移动到导轨最上方，载有货物的载货无人机内的托板受驱动电机驱动向下翻转，货物在重力作用下落入下方的接收货物的载货无人机内的托板上，完成货物交接。
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