技术领域
本发明属于无人机货物运输应用领域，具体实现用无人机队列往返于城市一级中转站和快递柜之间，完成货物持续运输的功能。
背景技术
目前的无人机货运主要应用领域是货物运输终端，比如无人机快递配送。对于单机货物运输，无人机的续航能力、货物的装载卸载、飞行过程中的风险控制，对于无人机货运都存在应用的严峻考研，这些考验导致了无人机货运成本的上升，使无人机货运的应用存在不小的困难。
发明内容
对于当前的人口城镇化形式，货运终端在同一个区域或小区，已经是小批量成为常态，如果采用单机设计，无论是装卸件效率、续航能力都存在着各种各样的技术和现实难题。实际上单机运输还不如人工快和安全。
基于以上特点，本发明提出了一种“2+N无人机队列”的无人机货运技术，可以极大的降低货运技术难度、降低无人机货运的成本。
“2”指的是一个队列中有两个无人机主机，分前主机和后主机。后主机的主要任务是进行运算，包括路线规划、定位巡航、与地面站建立联系、飞行路线安全评估、天气风险规避方案等。前主机主要执行飞行路线，并进行视觉实时校正，最终达到快递柜顶部的卸货平台。采用双主机的主要目的是风险规避，因为主机是整个无人机队列的大脑，如果出问题将导致整个队列任务失败。
“N”指的是一个队列中有N个货运无人机(以下简称货机)，并且这些货运无人机是依序排列在前主机和后主机之间的。货运无人机的主要任务是货物装载、运输、卸载。并且自身不带电池、不做运算，仅有受控飞控系统，接受主机通过有线通讯总线发送的简单命令，并执行简单的命令如上下左右前后等方向性的命令。主要功能就是要提着货物运输。
“货物箱”是2+N无人机队列中，装卸载货物、运输货物的具体执行单元(以下简称货箱)。货箱是通过2个电磁锁，分别挂载到前后相邻的2架无人机上的。货箱的主要目的是保护货物以免受损，货箱主要由货箱隔间、控制管理、电池构成。
2+N无人机队列如图1所示，这是一个2+4的无人机队列，有两个主机分别是前主机和后主机，有四个货机分别是货机1～货机4，挂载了5个货物箱分别是货箱1～货箱5。以下将详细说明这个2+4无人机队列，货物装卸载过程、飞行过程、风险规避过程。
货物装载平台设置在快递中转站，装载过程由装载平台和货箱配合着完成。
当无人机队列停靠在图2所示的中转站后，由背景墙和货物平台给无人机队列限定了物理位置，或者将背景墙设计成稍微可移动的都可以将无人机队列强制进行定位，以便于装载货物。
在图2中的装货平台实际是一个并行的货物装载平台。当开启了装载过程后，所有货箱的所有隔间在主机通过队列总线的控制下，配合装载平台完成货物的装载过程。前后主机之间的通讯，后主机与装载平台的通讯都是无线模式；主机与货机、货箱的通讯是有线的总线模式。
具体的装载过程如图3所示，由左边的装载平台和右边的货箱隔间共同完成。
首先在货箱隔间中，右下角的仓门电机顺时针转动，仓门电机的塑料轮通过摩擦力，向下拉动尼龙绳。由于尼龙绳固定在软塑料门上所形成的柔性正方形结构，并且在柔性正方形的左下方、左下方、右上方安装了定滑轮，使仓门电机可以通过尼龙绳拉动软塑料门。仓门电机顺时针转动拉开货箱隔间的软塑料门，逆时针转动则关闭货箱隔间的软塑料门。
在软塑料门上有一个仓门挡块，用于触发仓门上下限位传感器。当仓门电机顺时针旋转时，触发上限位传感器表示货箱隔间的软塑料门已经打开；当仓门电机逆时针旋转时，触发下限位传感器表示软塑料门已经关闭。
货箱隔间的硬塑料板用于将隔间内的货物推出隔间。当装载平台的货物被推货架推入时，推货架四个角的顶针会将硬塑料板随着货物一起推进货箱隔间，顶针的主要作用是避免货物被挤压，同时适应不同大小的货物，使得每次都可以将硬塑料板推到电磁锁右边。
当硬塑料板被推到电磁锁的位置时，硬塑料板在电磁锁芯的斜面上继续前行时使锁芯受到向下的力，并挤压电池锁芯上的弹簧。当硬塑料板被推过了锁芯斜面最高点后，锁芯上的弹簧复位将电磁锁芯弹起锁住硬塑料板。顶针在抵住硬塑料板向右推时，会同时挤压套在硬塑料板四个角的四根导杆上的弹簧。当电磁锁芯锁住硬塑料板时，同时也锁住了导杆上弹簧的复位张力。
推货电机上的齿轮转动时，带动推货架上的齿条运动。齿轮逆时针转动时推货架被向右推进，当推货架上固定的推货挡块触发了前限位传感器时，表示货物已经放入了货箱隔间，并且货箱隔间的硬塑料板被电磁锁芯锁住。齿轮顺时针转动时推货架被拉回，当推货挡块触发了后限位传感器时，表示推货架回退到位了，已经完全退出了货箱隔间并将货物停在了货箱隔间中。
并行装载货物的过程如下。
当仓门电机打开了软塑料门后，货箱控制电路通过上限位传感器的触发，知道了软塑料门已经被打开。然后本货箱的控制管理电路通过通讯总线告知队列后主机，队列后主机又通过无线通讯的模式告知装载平台仓门已开。
装载平台的传送带开始运送货物，当货物落入承重平台后，由推货电机逆时针转动使推货架向右推进。当推货挡块触发了前限位传感器后，开始顺时针转动使推货架向左后退。此时电磁锁已经锁住了硬塑料板，并通过硬塑料板锁住了导杆弹簧的复位张力。
当推货挡块触发了后限位传感器，装载平台就会知道货物已经放入货箱隔间。装载平台再通过与队列后主机建立的无线通讯通道，告知队列后主机货物已经装载完成。
队列主机通过通讯总线命令所有货箱开始关闭舱门。各货箱隔间的仓门电机开始逆时针转动使软塑料门关闭隔间仓门。过程完成后再由队列后主机通过无线通讯通道告知装载平台放开队列货箱。满载货物的无人机队列开始飞离装载平台，装载过程完成。
以下将叙述飞行途中的风险是如何规避的，主要分为单机故障、断裂分节故障、起火避险进行规避说明。
队列模式更容易穿越低空复杂的环境，比如狭窄的街道、茂密的树林、不规则的小区内部等等，这种队列模式更容易获得通行效率。由于只往返于中转站和快递柜之间，飞行路线是固定的，可以选择固定的低空航线，并在历次飞行中进行持续优化，最终在时间、成本、风险等因素中取得综合最优。
单机故障风险规避。当单个无人机进行货物运输时，如果出现故障，将会导致本次运输直接失败，但是队列中单机故障并不会导致本次任务失败。由于货箱挂载到两个相邻的无人机之间的，无论是前面的货机还是后面的货机出现无法飞行的故障，都不会直接掉下去。
如图4所示，当中间的货机3出现故障时，通过总线告知主机本机出现故障，主机再通过有线总线告知货仓3和货仓4，使它们强制断开货机3的总电源，使货机3失去电源而强制停机。
当货机3失去动力后，会当做一个货物被倒挂在货箱3和货箱4之间，如图4所示的位置。并且货机3的重量加货箱3的重量加货箱4的重量被整个队列分担，而不会出现货物或货机直接坠地的现象。
货箱挂钩具有图5所示的结构，上边是无人机，下边是货箱，无人机的下面有挂钩套环，与货箱的挂钩进行刚性连接，但是具有一定的活动范围。无人机挂钩套环可以绕着挂钩的圆柱形结合结合部件转动，当无人机被强制断电后，自身的重力作用会自然的下落。但是因挂钩套环不会自动脱钩，所以最后会被货箱的挂钩倒挂住，保持图4所示的队列继续飞行。
当端点上的前后主机出现故障时，会呈现出梯级形状，如图6所示。当后主机出现故障时，后主机失去动力而下坠带着货箱5一并下坠。但是，由于前面的都是正常飞行的，并且具有一定的过载能力，货机4会承担货箱5的重量继续飞，如果货机4因超重出现下坠，则货箱3的后端会下坠导致其重量挂载到货机3上……依次类推，最后出现一个梯度队列，而不是后主机带着货箱4直接坠地。
当前主机出现故障导致无法继续飞行时，也会因为其余货机的正常飞行而不会出现直接坠地的现象，只是变成了前端低后端高的情形。因为有两个主机，两个主机在同一时刻同时失效的几率很小。
断裂分节风险规避。无人机队列的通讯模式中，前后主机之间是无线通讯，货机和货箱都挂在有线通讯总线上的。如图7所示的通讯模式。货箱和货机的有线模式与主机之间的无线模式并不冲突，更不会相互干扰，而是具有技术优势。
货机和货箱采用有线通讯模式，主要优势是当货机或货箱物理脱位时会导致中间的总线直接不通，前后主机都只能知道部分货机或货箱是否在断掉的队列中。
但是前后主机是无线通讯的，它们的所有信息综合后就会准确的知道货运队列的绝大部分情况。比如货箱或货机是否离线、离线货箱或货机的具体位置、两个主机各自画出了一个大的搜索圆圈可以缩小搜索规模等等。
当发生物理断开时，大概率的2节断裂模式可以各自以前后主机重新组队，由于货运队列的电池都在货箱中并且是电源总线模式，它们完全可以各自独立完成本次飞行任务，到达最终目的地。甚至主机之间以无线通讯方式进行协同飞行，以两队的形式完成本次任务。
起火等无法继续飞行的故障风险规避。在飞行途中，由于意外原因导致了货物舱起火、意外挂住或者单机被挂住等，致使失效部分无法继续飞行时，可以采用主动放弃该故障机或故障货箱，使队列分队继续前进，以降低损失。
在图5中，货箱的挂钩与无人机的套环连接是采用的电磁锁扣的形式的，锁扣由货箱控制管理电路控制的。当主机通过总线向故障货箱发出解锁本货箱时，货箱的控制电路对前后级挂钩的的电磁铁同时通电同时解锁并维持。然后主机命令队列前级加速或后级减速，都可以使本货箱从被挂载的无人机下的挂钩套环中解锁出来。如图8所示的货箱3起火了的脱离队列状态。
电磁解锁后，电源总线和通讯总线仍然是通过独立的线缆连接的，所以货箱的控制电路、无人机的电路仍然可以正常工作。当货箱因重力原因下坠时才会带着前后级接口线和无人机的供电线缆一起脱落。之后主机通过有线总线上的访问结果确认是否物理脱落成功。
因为每个无人机都有两个供电带通讯的插座，并且是由总线供电的，所以当货箱插头线脱离后并不会影响前后级分为两队继续飞行。在脱离的过程中，除了电磁解锁之外，插头与插座有一个杠杆设计使得在脱落的过程中更省力，也可以很好的保护插头线与插座簧片。
如图9所示，图9(a)是正常插接的插头和插座，图9(b)是当线缆受到拉力要挣脱插座时的情况。从图9(b)可以看出，当货箱受到重力原因导致下坠时，线缆受到货箱的拉力使线缆与插头的连接处成为了受力点，而连接处到下支点是动力臂，插头中心到下支点是阻力臂，阻力来自插座簧片对插头插销的夹持力。图9(b)中，动力臂约是阻力臂的2倍，所以这种插头与插座的连接方式，更容易在特定条件下使其脱落，使需要脱离的货箱可以自由下降，同时保护插座簧片和插头插销。
同样，当无人机需要被队列放弃时，当电磁解锁后，要么故障机飞高脱离队列，要么队列降低使故障机脱离队列。
单件货物故障也是可以放弃避险的，因为货箱隔间的软塑料门和电磁锁都是独立控制的。
图1所示的无人机队列中，当无人机之间的间距设置的合适时，是具有节能效果的。图10是节能原理说明。在货机1的集中气流1中，当通过了货机1的螺旋桨桨叶后是向四轴发散的，并且回流到桨叶上方以形成循环气流。一般情况下当无人机向前飞行时，不管是几轴的只要是螺旋桨形式的，机身都会向前倾斜着前进，如图10中的前倾桨叶轴。
在发散气流中，总会有一部分回流到货机2的桨叶下方，对货机2的集中气流2形成了向上的自然升力，使得货机2桨叶的转速低于货机1的桨叶转速，从而电机耗能下降，使队列形式的发散气流产生的节能效果，在电机耗能上得以体现。同样，前主机的桨叶也会受到集中气流1的发散气流升力的影响，但前行的过程中比货机2情况小些，而悬空飞行时都差不多。
实际上，整个队列中的循环气流都互相被用了起来，每个桨叶向上的发散气流，都被前后相邻的两个桨叶使用了，并最终体现在电机耗能上。
在图10中，当货箱1在前行过程中突破了风阻后，货箱2以及后面队列中的货箱，再也不用去突破风阻，从而使后面的货箱在前行的时候进一步降低了能耗，货箱1相当于一个骑行队伍中最前面的破风手，或者一个火车头的破风阻作用。
从货箱的外形结构可以看出，椭圆型的形状更有利于抗侧向风的能力。同时由于货物都在货箱的隔间中，也避免了被太阳暴晒、被雨水淋湿使货物受损。
以下将说明卸货过程。
当无人机队列快要到达快递柜时，后主机通过无线通讯与快递柜建立联系并商定降落时间。当无人机降落在图11所示的快递柜顶部的并行卸货平台后，由快递柜顶部平台的相关机构将其推入卸货指定位置。
卸货过程如图12所示，当无人机队列被推入指定卸货位置时，由快递柜告知队列后主机可以卸货。首先是主机通过总线控制各货箱隔间打开软塑料门，当检测到上限位传感器被触发时，开始执行卸货过程。
从前面的装载过程已经知道，电磁锁锁住了硬塑料板的同时，也将导杆上被压缩的弹簧张力，通过硬塑料板被锁住。
当队列后主机通过总线告知货箱控制管理电路，可以卸货时，控制电路控制电磁锁下面的电磁铁，使其吸引电磁锁芯到解锁的位置。当电磁锁芯下降到解锁位置时，硬塑料板被解锁，同时电磁锁芯上的弹簧被压缩。硬塑料板后的弹簧张力得以释放，导杆上的弹簧推着硬塑料板向左前进，硬塑料板推着货物前进，直到弹簧张力释放完成。
当硬塑料板过了电池锁芯位置时，电池锁芯上的弹簧复位张力使电磁锁芯重新回到复位的位置，准备下次装载货物。由于导杆弹簧的复位位置就是硬塑料板到达隔间舱门的位置，所以当弹簧张力释放完成后，货物肯定也被推到了卸货平台的传送带上。
后主机通过总线命令使各仓门电机逆时针转动，拉动尼龙绳使软塑料门关闭舱门。剩下的就是前主机与快递柜卸货平台沟通，完成队列飞离快递柜的任务。
从以上叙述中可以看出，前主机主要负责飞行控制，后主机主要负责后勤服务，但是前后主机的无线通讯模式使得它们可以协同完成各项个任务，比如分队飞行等等。前主机的备份功能是后勤服务，后主机的备份功能是飞行控制，当队列出现故障后将执行备份功能。
以下将说明货箱的控制管理电路原理及功能。图13是货箱总线原理图，有四个接口：前级无人机接口、后级无人机接口、前级货箱接口和后级货箱接口。
无人机接口是从货箱的控制管理中输出的，包括通讯总线和供电总线，是从图5所示的通往无人机的供电线缆中，与无人机的供电电源线一起，通过插头与无人机的插座进行连接。
货箱主要有3个功能：电池续航功能、控制管理功能、货物装卸载功能。
电池续航功能主要是随货物装载的时候一起更换已经充满的电池完成的。运输队列都是轮流持续工作的，在无人机队列下次再回来装载货物时，上次更换下来进行充电的电池已经充满，再次轮换电池，以节约电池成本。
控制管理功能主要目的是：一是通过总线向主机报告本货箱状态，本货箱的隔间内货物状态、电池电压状态、无人机状态并由控制电路进行数据整合打包，通过总线发送给后主机；二是从总线接受并执行后主机的决定，本货箱的状态是继续使用、断开电池、还是断开无人机电源，以及将前主机发来的飞行命令转发给无人机执行。
如图14所示的原理图，控制管理电路的DC/DC供电电源不由本货箱电池提供而由总线电源DCPWR_P/N提供，可以避免单一局部故障导致本货箱全部功能失效。
电池BT1的电能要输送到总线DCPWR_P/N，必须经过控制管理电路的控制，而控制管理电路只负责执行后主机的命令，所以实际上电池的电能是否使用的权利在后主机中。同样，无人机的电源也不是直接由本货箱的电池提供的，而是从电池总线DCPWR_P/N上获取的。
电池总线的主要目的是保障在极端情况下无人机队列的应急时间。
当全部电池都是正常工作的，并且无人机也都是正常的情况下，无人机的供电其实是由BT1经过K1、K2或者是K1、K3提供的，此时无人机的主要电能由BT1提供。
当本货箱电池出现故障，或者本货箱电池更换了一个没有充满的电池，在中途电不足了，就可以采用切断本货箱电池与电源总线的办法，避免引起更大的故障甚至无法规避的应急降落事件。或者是断开故障无人机，使总线电能不至于消耗在故障无人机中。
对于仅仅是电池电量低了，可以暂时断开电池，当总线电压低于本货箱电池电压时，继续接入使用，直到所有的电池都再也无法提供续航电能为止。
图14的各部分功能。
J8连接前级货箱的总线，J14连接前级无人机，P10连接后级无人机，P2连接后级货箱，它们在图13中的名称是对应的“货箱隔间”图示中，由于五个隔间原理图是一样的，所以只画了其中一个。同样，它们的控制接口在图14中也只画了一个，并用“×5”表示。
货箱隔间的电器部分包括上限位传感器S2、下限位传感器S1、电磁锁、仓门电机。
电池BT1通过电池箱上的接插件J10，与货箱隔间中的电池隔间(图13货箱的中间隔间)底部的P6，在装载货物的过程中进行插拔。
图14所示的通讯总线是RS485类型的，以解决货箱、无人机与前后主机的有线通讯，当然也可以使用CAN等其他适合的总线方式。
从图14可知，要断开一个无人机的电源，需要两个货箱中的控制电路同时动作。前级货箱断开的是图14中的K1，而后级货箱断开的是图14中的K3。但是通讯总线是一直连着的。
从以上分析看出，在这种电池总线设计中，只要有一个电池是正常工作的，都可以给整个队列缓降的时间，而不至于整个队列突然失去动力而坠地。由于整个队列有了足够的时间寻找合适的应急降落地，甚至可以带着故障机飞行到快递柜顶部卸货平台，或者返回到快递中转站的维修区。如果需要降落，无人机队列中的两个主机可以各自实时查找降落地，或者从设置的应急降落地进行优选找出应急降落地点，然后根据应急地点的特点选择自身的落地姿势是圆圈、螺线形、分队降落、一队降落、蛇形姿势等等，尽量降低应急降落需要的条件并减少损失。
由于每个货箱的控制电路都有独立的DC/DC，只要电池总线上有电，货箱控制管理电路就可以继续正常工作，它们与主机不会失联。当队列应急着陆后可以独立向主机报告本货箱着陆情况。
到此，2+N无人机队列的货物装载、运输途中的风险规避、货物的卸载全部叙述完成。
附图说明
附图12+N无人机队列示意图
附图2货物装载平台
附图3货物装载过程
附图4货机3故障时的队列形态
附图5货箱挂钩及其供电通讯插座
附图6后主机故障时的队列形态
附图7主机、货机、货箱通讯模式
附图8货箱3起火故障脱离队列形态
附图9(a)插头插座正常连接；(b)插头脱离插座状态
附图10无人机队列节能原理
附图11货物卸载平台
附图12货物卸载过程
附图13货箱布局图
附图14货箱控制原理图
附图15无人机队列应用
具体实施方式
图15是一个无人机队列应用实施例，从左至右分别是快递中转站、无人机队列、快递柜、用户群。
无人机队列往返于中转站和快递柜之间，循环进行货物的运输，因为更换货箱的时候一起更换了电池，实现了无限续航。
快递中转站是城市的一级中转站，快递柜与中转站之间不再建站，而是由无人机队列一对一的直接投送到快递柜，由智能快递柜进行自动扫描、投递到快递柜的用户货物箱。然后智能快递柜对用户告知其快递已到，请领取。
快递柜建立在区域用户群中的，比如小区稍微空旷的位置、居民社区等。由于2+N无人机队列模式特有的低风险、高通行效率、并行装载卸货能力，一个无人机队列对2个快递柜甚至更多也是可行的，可以进一步降低风险。
这种并行装载、灵活路线及抗风险的运输、并行卸货的无人机队列模式，可以更大程度上的节约快件在城市中的运输时间，以进一步提高运输效率，减少快递到用户手中的时间。
机译： 确认快递商品信息和快递无人机
机译： 通过非易失性存储器快递（nvme）控制器管理输入/输出（i / o）队列的方法
机译： 快递行业无人机配套运输箱
