“捷运便生”基于5G的物运无人机

概要如下7点： 1）树莓派开发板上配置ubantu  mate、完成无人机的组装、搭建无人机仿真开发环境SITL。 2）VS studio独立设计一款具有我们学校校和我们团队的二次开发地面站Mission Planner。 3）用地面控制站完成功能的实现如定高、悬停、返航、路径规划设计等。 4）对于二维码识别，采用了基于Opencv的图像技术完成检测识别，结合我们独立设计的二次开发地面站，可实时监控的情况下完成配送的精准降落，误差小于20公分。 5）对于双目视觉，利用其Visual SLAM技术，完成无GPS下的定位以及出色的视觉功能功能如实时倾斜度误差小于10°。 6）完成5G平台的搭建与配置，结合树莓派扩展板实现5G通信，使无人机的传输达到5G级别。 7）对设计的无人机完成有关物运的一系列方案 第一章 项目概述 1.1 项目背景 1.1.1 物联网平台 物联网即IoT是基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。其应用领域主要包括运输和物流、工业制造、健康医疗、智能环境（家庭、办公、工厂）等，具有十分广阔的市场前景。现如今的物联网产业体系已基本形成，多个领域也形成一定市场规模，与物联网相关的设备和服务也在火热起步。 1.1.2 无人机 国内民用无人机是从上个世纪八十年代开始起步的，与军用无人机的百年历史相比，要短得多。无人机市场正在处于稳步增长过程，如数字化城市勘探与测绘、海防监视、气象探测、防灾减灾、缉私反恐等领域都具有广泛的应用前景。对于物流领域，无人机货运的创新，有望于改造物流体系。从技术角度看，无人机物流的续电问题在是一个难题，只能基本满足短途同城配送的需要。 从国外来看，美国国家航空航天局(NASA)新成立了一个无人机应用中心，专门开展无人机的各种民用研究，它同美国海洋与大气局(NOAA)合作利用无人机进行天气预报、地球变暖和冰川消融等科学研究。目前日本拥有2346架已注册农用无人直升机，是世界上农用无人机喷药第一大国。本项目采用的T265是国外2019年正式推出的产品，俩年内在市面上各方面的应用较为成熟，但将其搭配树莓派无人机使用，在室内无GPS环境下完成无人机相关功能，在无人机领域来说并没通用。 1.1.3 物资运送 现代快递业的发展与经济发展密不可分。随着科学技术的发展，产品的科技含量增加，高科技企业的大量产品，体积小、重量轻，货值却很高，占用流动资金很大，快递运输能将这些产品尽快送给客户，并提供良好的包装、仓储、报关物流服务，满足了企业的需要，实现了最大可能的社会化分工。 工业4.0也就是物联网的时代已经来临，智能物流作为其核心组成部分在连接供应和生产环节起着重要的作用。如今，大型物流企业如菜鸟、京东、顺丰等都已着手构建整套智能自动物流系统，将智能单元化物流技术、自动物流装备、智能物流信息以及智能物流运输系统逐渐完善。 物流运输作为物流系统中最为重要的环节之一，也是促进社会不断发展的重要因素之一。如今地面物流在一二线城市已经基本完善，但是在一些偏远地区和岛屿之间的物流运输仍然不是方便，无人机物流作为现代物流运输的科技产品能快速而高效的解决这些地区的物流运输问题。 1.2 项目介绍 本项目针对于无人机市场上薄弱的方面，即物资配送，应用场景可以为不方便甚至不可达的环境，如奥运会涉及穿插比赛区域的资源送达；又比如一些需求提升工作效率的场景，如进行电塔高空作业人员工作途中所需的作业工具配送；还比如一些需要机器代替人工进行的高危场景，对地震等灾害导致的被困群众或援救人员的物资配送等；当然，实现短程同城内快递包括外卖的物运需求也在我们的考虑之中。总之，不管从理论研究还是从应用市场的角度来看，都具有现实应用的意义。 国内外无人机研究都倾向于军用或者是气象方面的应用，而我们研究的应用场景，选择的是物资配送方面，毫无疑问是比较新鲜的，也正是当前市场短缺的一项。我们的项目又属于无人机在新时代5G下的研究，这在国内外可以说是刚起步的，因此同时具有先进性。 图1.1 无人机作为载体进行物运 1.3 产品设计 1.3.1 品牌 产品的品牌名字命名为：捷运便生 含义为：使物资的运送变得更加快捷，使人们的生活变得更加方便 这也正是我们团队的核心理念。 1.3.2 产品logo 图1.2 无人机物运logo设计 设计理念：1）直观去感受中间的图案，是一个带有四个螺旋桨的无人机效果，象征了我们的产品为无人机，它处于上方表示正与无人机在高空中工作相符。2）图中有三个字‘捷’、‘便’、‘生’，而上方的物运无人机表示汉字‘运’，构成我们的品牌名：捷运便生。3）整体看起来是一只手捏住我们的产品，正如我们期盼将该无人机产品浓缩并融入到生活中。4）全局背景为蓝色，象征着蓝天，中间的无人机背景色为红橙色，象征着无人机似蓝天下的太阳一样照进我们的生活。 1.3.3 产品内容概要 无人机开发板采用支持5G通信的Raspberry Pi 3B+，烧录相关系统并完成系统配置，完成普通无人机的搭建，实现各种基本飞行功能如定高悬停。结合T265双目视觉摄像头，完成无GPS下如室内的定位感知。结合单目二维码，用opencv图像技术，实现无人机的高精准定位。结合树莓派5G扩展版搭建好5G平台，完成相关驱动与网络配置，成功实现5G拨号与上网。自主开发一款具有本产品需求和团队特色的地面控制站，能够实现地面站对无人机的路径规划等。搭建仿真系统开发环境，实现代码控制飞行的仿真等能。搭建openstack云管理平台、hadoop大数据平台，完成相关布局以便后期集群开发。 1.4 产品功能介绍 1.4.1 自身基本功能 基本功能的实现需要基于树莓派开发板，安装好开源飞控pix2.4.8的四轴无人机，使用的是Ardupilot固件。 1）定高：当激输出距离值大于设定高度时，无人机将下降，反之则升高，从而维持在一个恒定的高度飞行，这样可以避免坠机风险。 2）悬停：顾名思义。 3）返航：无人机在完成既定任务接收到自动返航指令或丢失控制信号后，通过其自身视觉系统或GPS的记录，自动返回返航点上方并完成自动降落的功能。 4）降落：顾名思义，但不是扩展功能里的精准降落，所以误差大很多。 5）绕圈：绕圈模式 Circle Mode，在任务中，使用任务命令LOITER_TURNS调用绕圈模式。绕圈的半径可通过修改CIRCLE_RADIUS参数进行控制。以米为单位。将CIRCLE_RADIUS设为零，飞行器就会简单的呆在原位并缓慢旋转（可用于全景摄像）。 6）无头模式：飞行器在飞行的过程中，其运动的前后左右以地理坐标系为参考坐标系。比飞行过程中改变机头方向就改变飞行方向的有头模式操作更方便。 7）航点飞行：结合我们自己设计的地面站，不用遥控器实现一个自主飞行任务，也可以叫路径规划。 1.4.2 自身扩展功能 1）Ardupilot-SITL仿真飞行：提前安装好开发环境后，然后命令行启动仿真，可以看到三个窗口: Terminal, Console, Map，仿真过程就是模拟实际飞行的过程，减少了开发时间。SITL还可以与Mission Planner联合仿真。 2）Dronekit-python编程控制飞行：怎样控制飞行就怎样编写对应代码，以下举一个例子，先连接到无人机，然后控制无人机解锁后升空到10m，再依次朝两个方向飞行30s，最后返回出发点并降落。那么.py文件里就需要以下关键代码： # simple_takeoff将发送指令，使无人机起飞并上升到目标高度 vehicle.simple_takeoff(aTargetAltitude) # 调用声明过的arm_and_takeoff函数，目标高度10m ；arm_and_takeoff(10) # 延时30s即让无人机朝向point1飞行30s，但这里不是飞行代码 time.sleep(30)；# 返航，只需将无人机的飞行模式切换成\"RTL(Return to Launch)\"  ；vehicle.mode = VehicleMode(\"RTL\") 3）无GPS环境下定位：由于搭载了T265，可实现室内的悬停等功能，因为T265本身自带IMU，可以实时获取机身在三维空间的坐标已知高度和速度信息，将它获取的数据发布给pix的飞行控制器。飞控还可以根据这些信息进入loiter模式即留待。 4）引导精准降落：不同于地面站给无人机发送坐标系精确位置的降落技术，这里指的是基于图像识别技术，使用无人机机载图像识别设备识别地面目标降落点，获得目标降落点与无人机的相对位置。 5）实现4G下的路径规划+无距离飞行控制与视频传输。 1.4.3 组合功能 1）与大数据平台结合 图1.3 无人机的大数据处理框架 2）与图像技术结合 3）与云平台结合 图1.4 无人机的云平台框架 1.4.4 自身后续功能 后续功能上有如下： 1）激光雷达避障 2）检测与跟踪 3）Fastplanner建图与快速规划 1.5 产品特色功能 1）不管是对于用户还是商家，都希望物流配送的时效性更高，本无人机采用支持5G的机载电脑Raspberry Pi 3B+开发板，组装上5G模组SIM820X-M2 5G HAT，达到顺应新一代通信时代的目的。 2）开发一款特色的地面站，无人机的倾斜度、高度等信息，可由我们设计的地面站MP上得到，从而进行有效管理和策划。借助其二次开发的开源特性，使设计的界面自带我们学校和研发团队的特色，其飞行路径规划和4G无距离传输等相关功能也由我们独立设计完成。 3）本项目依托二维码作为信标，从而达到独一无二的识别，达到检测与追踪定位的目的，有望能扩展多二维码下的情景。比市场上单一的图像识别技术相比，我们结合了实时监控与跟踪。在技术上，力求实现无差错的识别与精准降落。 4）本机搭载因特尔的摄像头T265 ，借用V-SLAM算法完成导航规划等功能。这一款双目识别相机2019年正式推出，在无人机方面应用还不普遍，我们结合我们的一套模组组装上去，技术上不仅完成室外飞行，而且要做到室内没 GPS 信号时做到导航定位。 图1.5 产品特色构成一览 1.6 项目实现目标 1）树莓派开发板上配置ubantu  mate、完成无人机的组装、搭建无人机仿真开发环境SITL。 2）VS studio独立设计一款具有我们学校校和我们团队的二次开发地面站Mission Planner。 3）用地面控制站完成功能的实现如定高、悬停、返航、路径规划设计等。 4）对于二维码识别，采用了基于Opencv的图像技术完成检测识别，结合我们独立设计的二次开发地面站，可实时监控的情况下完成配送的精准降落，误差小于20公分。 5）对于双目视觉，利用其Visual SLAM技术，完成无GPS下的定位以及出色的视觉功能功能如实时倾斜度误差小于10°。 6）完成5G平台的搭建与配置，结合树莓派扩展板实现5G通信，使无人机的传输达到5G级别。 7）对设计的无人机完成有关物运的一系列方案 1.7 产品使用要求 1）用户数要求：关于无人机进行物流配送所使用的用户数的情况暂时没有限制，以后发展起来的话用户数量也不确定。 2）业务方面的并发要求：本项目的主要任务在于利用无人机实现物流配送。为了满足用户和商家的某些需求，使得其更具时效性，更加智能化和自动化，本项目采用支持5G模块的树莓派3B+和4B开发板以及5G的扩展板模块组，以达到高效的目的。同时，无人机在空中的还需要实现的是航拍、监控、巡航以及一键返航等功能。 3）时间要求：正常情况下无人机可以在天上被控制飞行15分钟左右，极端情况下（满负载情况下）可以支持在天上飞行10分钟左右。 4）容错要求：在有5G信号的情况下能够通过5G连接到无人机树莓派，而没有5G信号时自动调整为通过4G连接，若4G信号也没有则通过3G连接，保证了智能性。 5）使用频度要求：通过无人机进行物流配送如果做得好的情况下以后的使用频度将会很高，成为人们日常使用的物品。 第二章 产品硬件设计 2.1 产品创新 1）由于采用了支持树莓派结合5G扩展版模组，这一方面几乎未有公开研发过俩模块的结合产品。该无人机在5G信号不足时，可保证飞行的同时切为4G，同理可在运行过程中根据需求自动切为3G。 2）本无人机结合实感摄像头T265，能够在无GPS室内条件下完成定位，从而扩大了应用场景和市场需求。 3）本项目用二维码图案作为物运地点的识别标志，准确模拟了定位点的复杂性和多样性。 4）后期考虑搭载激光雷达用于避障，考虑基于树莓派4B，搭配思岚科技的RPLIDAR A3 360°激光扫描测距雷达，以达到避障目的，它能扫描360°、25米半径的测量距离，后期可以适合用于构建地图，SLAM，和建立3D模型。 5）结合深度相机实现跟踪，达到基于单目的室内外圆形跟踪。 2.2 硬件关键角色介绍 2.2.1 Pixhawk 2.4.8飞控 Pixhawk是一个硬件自驾仪，就是那块飞控板。以前有两个飞控项目，一个是PX4，一个是APM，后来他们合作搞了pixhawk这个目前最高规格的硬件出来。PX4的代码和APM的代码都能烧录到Pixhawk上运行。总之Pixhawk是一块硬件，PX4和APM是上面运行的固件。本项目的固件是APM（Ardupilot）。 Pixhawk 是一个开源的、旨在提供一个标准可用的、高质量的、低成本的飞行控制器的设计平台。本项目中使用的飞控为 Pixhawk2.4.8，通过搭建无人机与 Pixhawk 飞控与无人机的组装，完成了无人机的硬件安装，经过程序下载之后便可开始进行调试。 图2.1 Pix4飞控原始套件图示 2.2.2 机载电脑Raspberry Pi 3B+ 本系统使用树莓派3B+、4B作为主控制器，可通过Dronekit的python库编程实现对无人机的外部控制。树莓派已经安装 ubuntu mate 系统，并且已经安装好 Dronkit，ROS，mavros，思岚 A1 驱动，Google Cartographer等。 2.2.3 双目摄像头T265 本机搭载Intel T265 双目相机，在室内没有GPS信号的情况下，代替 GPS 导航定位。双目定位后，如果室内空间足够，就可以进行悬停飞行，一键返航，失控返航，航点飞行，dronekit编程控制飞行等以前只能在室外 GPS 定位后进行的操作。从而为以后室内测试更复杂的避障，导航规划等项目奠定基础。 图2.2 T265双目定位摄像头 图2.3 T265室内定位建图 2.2.4 Raspberry Pi 5G/4G/3G扩展板 本产品是一款支持 5G/4G/3G 的树莓派通信扩展模块，核心 5G 模组采用 SIMCom SIM8200EA-M2，支持 5G NSA 和 SA 组网，网速高达 4Gbps 下行和 500Mbps 上行。底板板载 M2 封装标准接口，可兼容接入多款 4G 或 5G 的 M2 封装通信模组，板载 USB3.1、音频、SIM 卡槽等资源接口，配套完善的配置脚本和使用开发资料，可方便快速地接入树莓派、计算机进行 5G 高速上网，既可快速学习评估 5G 模块，也可快速集成到各种需要 5G 通信的应用场景中。配套SIM8200EA-M2 适用中国,欧洲,中东,南美等 多模多频段，高通骁龙 X55，板载 USB3.1 接口，拨号上网，云平台通信，电话短信，GNSS定位。 2.3 器件清单 2.3.1 无人机平台搭建器件 1）机架：410机架，1套（含脚架），外观尺寸：322*316*197mm 410轴距；材质：纯碳纤维机架，轴数：4轴；加3mm厚的电路基材，高强度、高韧性、耐摔耐炸；重量、续航时间：1.4KG/15min；最大起飞重量/续航时间：2KG/10min；功率：3S/14.1VLipo 带XT60连接器；飞行速度：最快20m/s，自主飞行状态下1-2m/s 2）飞控：版本为Pixhawk2.4.8，1套，一件套重量:52克；包括Pixhawk 2.4.8主控；飞控外壳；安全开关；蜂鸣器；6pin转6pin线；4pin转4pin线；3pin杜邦线；SD卡x1 A.处理器：32位2兆闪存STM32F427 Cortex M4，带硬件浮点处理单元；主频：168MHZ，256K RAM ；32位STM32F103备份协处理器 B.传感器：1.L3GD203轴数字16位陀螺仪；LSM303D 3轴14位加速度/磁强计；MPU60006轴加速度计/磁强计；MS5611高精度气压计 C.接口：5个UART 1个兼容高电压，2个带有硬件流控制；2个CAN；Spektrum DSM/DSM2/DSM-X卫星接收机兼容输入；Futaba SBUS兼容输入和输出；PPM信号输入；RSSI(PWM或者电压)输入等等 3）机载电脑：树莓派3B+（含内存卡） 4）GPS：SE100，1个；悬停精度：垂直1.5m 水平1.0m 5）螺旋桨：10寸，2对，装时正反方向各1对 6）数传：500mw数传，1对 7）遥控器（含接收机）：富斯I6，1台 8）遥控器电池：5号电池，4个 9）镍氢电池充电器：德力谱充电器，1个 10）动力电池：5200mAH/3S，1块 11）平衡充电器：A400，1台 12）低电压报警器：BB响，1个 13）T-motor 2216电机：4个（含香蕉头、热缩管），电机低重心设计，动平衡性能好 14）电调：4个 15）装机辅件：XT60电源线1根，JST公头线2根，尼龙扎带若干，3M胶2块，魔术贴2块，电池扎带1根，内六角工具（1.5,2.0,2.5各一只） 16）测试附件：多合螺丝刀、安全绳 2.3.2 5G无人机平台搭建器件 树莓派5G平台的操作系统为Windows/Linux/Android，搭建该平台需要基于树莓派上新增5G模组各器件： 1）SIMXXXX-M2核心板 2）SIMXXXX-M2 4G/5G HAT底板 3）黑色尼龙柱M3*45+6 4）4010散热风扇 5）高增益天线:6*IPEX-4接口；用于3G/4G/5G/GNSS；供电电压：5V/3A 6）SIM卡：1.8V/3.0V 7）亚克力外壳 8）黑色亚克力底板 9）2*20PIN长排座 2.3.3 其它关键器件 1）单目摄像头，用于识别二维码并引导精准降落，型号：USB单目摄像头；焦距：3.6mm；视场角：90°；像素：200万；最大分辨率：1920*1080 2）T265双目相机，用于室内定点定位；芯片：Movidius Myraid2；视场角：俩个鱼眼镜头；IMU：BMI055惯性测量单元允许精度测量设备的旋转和加速度 得益于专有的视觉惯性测距同步定位和映射（v-slam）技术，解决方案可用于需要精确、低延迟跟踪的应用，例如机器人、无人机，可虚拟现实和增强现实。英特尔实感跟踪摄像头t265由movidius myriad 2 vpu提供动力，通过收集来自两个板载鱼眼摄像头的输入，提供6自由度（6dof）内向外跟踪，每个摄像头具有大约170度的范围视图。 3）辅助显示器，用于操作观察树莓派系统的文件显示 4）HDMI线，如果PC的没有HDMI接口，需要用它结合辅助显示器以及键盘和鼠标，才能操作树莓派板子 2.3.4 后续功能开发器件 1）激光雷达：思岚S1，用于避障，激光测距技术：TOF；测量半径<=40m;采样速度>=1cm;扫描频率：10HZ 2）深度相机：英特尔D435i，用于跟踪，深度技术：主动红外立体；深度六输出分辨率：最高1280*720；深度流输出帧率：最高90fps；最小深度距离：0.1m 2.4 搭建组装步骤 2.4.1 无人机焊接组装步骤 第一步：底板焊接，将4个电调，XT60电源线，和2根JST公头线如图所示焊接在底板上。 第二步：电机香蕉头焊接和套上热缩管 第三步：1.将电机固定在机臂上。 第四步：连接电机与电调。将电机焊接好的香蕉头分别插到电调的3个香蕉头里面。 第五步：双目摄像头水平安装在无人机正前方，插入树莓派USB端口取电；M8nGPS模块连接飞控的gps和I2C端口；数传模块一头连接飞控Telem2口，一头连接接收机。 第六步：将连好线的飞控用3M胶将减震板粘贴在一起，飞控正面朝上，正前方与无人机航行方向保持一致，5G树莓派安置在树莓派正下方侧面，另一侧安装好电池，至此，组装完毕。 图2.4 自主搭建的无人机 2.4.2 搭建5g树莓派平台步骤 步骤一：将树莓派接入黑色亚克力底板 步骤二：将SIMXXXX-M2核心板装入SIMXXXX-M2 4G/5G HAT底板 步骤三：将SIMXXXX-M2 4G/5G HAT底板装入树莓派 步骤四：将黑色尼龙柱M3*45+6装入黑色亚克力底板 步骤五：将410散热风扇和天线转接线装入黑色亚克力盖板 步骤六：将天线转接线装入SIMXXXX-M2核心板，将风扇电源线接入SIMXXXX-M2 4G/5G HAT底板 步骤七：组装黑色亚克力盖板，用螺丝固定 步骤八：装入高增益天线完成组装 图2.5 自主搭建的树莓派5G平台 第三章 产品软件设计 3.1 技术创新 1）对于二维码识别，采用了基于Opencv的图像技术完成检测识别，结合我们独立设计的二次开发地面站，可实时监控的情况下完成配送的精准降落。 2）对于双目视觉，利用其Visual SLAM技术，完成出色的视觉功能功能如提供实时倾斜度，实现无GPS下的定位如定位误差范围缩小几倍。 3）在树莓派开发板上烧录ubantu系统，搭建开发与仿真环境，实现py代码控制飞行的仿真以及实际飞行操作。 4）结合树莓派扩展板实现5G通信，使无人机的传输达到5G级别，命令行下配置并完成组网拨号。 5）与图像识别技术深层结合，利用视频流从而实现各种具体场景应用，例如实现车辆检测等，这样扩展了物运环境复杂度的适应性。 6）后期实现Fastplanner，即完成基于相机定位建图的快速规划。 3.2开源地面控制站 3.2.1 Mission Planner 作为一款优秀的开源地面站，无论是在科研，测绘应用等方面都有十分广泛的应用。MAVLINK作为其核心的通信协议，在各种平台的无人机上都有应用的案例。熟悉MAVLINK协议是无人机的地面站控制，远程控制，集群控制的基础。 3.2.2 地面站软件设计     图3.1 地面站软件设计框架 3.2.3 地面站自主开发 图3.2 无人机地面站开发界面 图3.3 独立设计的地面站 3.3 仿真开发环境 由于搭建仿真开发环境并没有创新的地方，所以全文只在这里做简要描述，事实上，它是后期代码控制飞行的最好辅助工具。仿真系统需要在笔记本虚拟机里搭建。 由于本章节讲述设计而非操作，以下仅描述搭建仿真环境时的磁盘分配方案：我总共分配的100个G，先分配\"swap\"，大小与内存相当即可，是运行内存，比如设置5几个g，再分配\"boot/efi\"，大小200m即可，最后分配\"/\"和\"/home\"，文件系统都选ext4即可，\"/\"与\"/home\"的大小比一般是1:10到3:10，看个人需求而定。可以20g和70g，输入代码时大小不一样的，需根据比例来划分，得自己计算好，先把4个区间按大小划分好，再设置区间的挂载点/文件系统。 图3.4 虚拟机上的SITL仿真飞行图一 图3.5 虚拟机上的SITL仿真飞行图二 3.4 OpenCV识别技术 基于Opencv的椭圆、二维码识别及追踪：将单目摄像头安装在无人机正下方，通过Opencv图像识别，检测到二维码并完成降落；对二维码pattern源码进行制作，可对任意二维码进行定位。OpenCV图像的处理操作：获取图像信息（通道、大小等）、图像倒置（利用循环、利用numpy）、摄像头调用。 3.5 VIO技术 视觉里程计介绍VIO，是一种用来估计移动物体速度和3D位置(局部位置和姿态)的计算机视觉技术。通常用于在GPS信号缺失或者不可靠的情况下的导航(例如在室内或者在桥下飞行)。VIO采用视觉里程计(Visual Odometry)，通过相机的图像以及结合设备的IMU的惯性测量结果，去估计设备的位置。 T265本身带IMU，可以实时获取机身在三维空间的坐标已经高度和速度信息，通过ROS将VIO的信息传输给px4的飞行控制器，飞控可以根据这些信息进入position模式（定点）。预操作是在树莓派中安装了如下组件：T265驱动和相应的ROS驱动、ROS系统、MAVROS包、树莓派已经通过usb或者串口和飞控硬件链接。 3.6 其他软件或固件部分 3.6.1 MAVLink协议 MAVLink是一种为无人机设计的通信协议，通过将数据进行包装，可以实现多机多控制端的可靠通信。通过使用 MAVLink 协议，无人机和地面站、机载计算器之间可以实现稳定的通信。课题中使用 QGC 地面站软件通过数据传输模块将数据以 MAVLink 协议的方式进行传输，从而实现了地面站与飞控之间的通信。 3.6.2 代码库Dronekit-Python DroneKit-Python是一个用于控制无人机的Python库。DroneKit提供了用于控制无人机的API，其代码独立于飞控，单独运行在机载电脑（Companion Computer）或其他设备之上，通过串口或无线的方式经MAVLink协议与飞控板通信。后期开发需要熟练掌握这一部分。 3.6.3 Openstack平台 该平台为云管理平台，设想用于后期搭建无人机集群后，对其进行数据监督管理等，搭建该平台虽然花了一周多，但限于篇幅，所以以下只列出搭建的关键步骤： 1）虚拟机网络配置：打开Oracle VM VirtualBox管理器，在点击左上方的管理，进入主机网络管理器而不是全局设定。 2）Fule-master的安装及配置：新建虚拟电脑，操作系统版本选择Red Hat 64-bit。进行设置包括选择下载好的镜像文件MirantisOpenStack-9.0。启动Fuel Master，选择Fuel Install (Static IP)进行安装 3）xshell软件操作：点击左侧菜单栏的隧道菜单，进行隧道内容配置，后面就能在浏览器中打开地址https://10.20.0.2:8443了 4）安装及配置OpenStack环境：浏览器输入地址https://10.20.0.2:8443进入web登录，新建OpenStack环境并进行设置，然后增加本地源等，期间需用到xftp软件 5）新建新建Controller和Compute虚拟机节点 6）web控制端各节点的部署及配置：进入新建的Test环境，添加节点，完成OpenStack网络配置，选择“连通性检查”并点击验证网络，最后部署openstack 图3.6 搭建好的Openstack云平台界面 第四章产品其他说明 4.1 配套服务 4.4.1 售前服务 售前服务人员应该提供微笑服务与体验式服务，在导购员的细心、耐心的指导与陪同下，购买者在一定时间空间下，可以体验产品的部分基本功能。导购员在充分介绍各个模块后，既要详细阐述产品的未来发展前景，也要告知购买者产品的目前短板，可自行选择是否购买。 4.4.2 售后服务 在非人为碰撞损坏情况下，售后有一年的保修期。对于个体或者经销商，公司在保修期内提供部分免费与部分收费的修理服务。同时我们将派遣专业人员对设备进行日常维护与维修，与客户共同承担相应费用。 4.4.3 设备保护 使无人机飞行处于一种非雨、非大风的环境中，避免设备被破坏。 使用过程中应保护设备不被其他外力损坏。 4.4.4 设备检查 系列产品成功购买后，我们将定期进行检查 检查螺丝是否松动，以防重要零件不稳定而发生意外 检查视频传输是否抖动，也就是要确保摄像头固定的稳定性 检查智能系统是否可以准确报警错误，以提供使用者的调试和故障检测 检查电池的工作环境和使用是否正常 检查控制器、传感器、采集器是否灵敏，以确保良好的工作状态 表4.1 设备检查方案 4.4.5 日常保养维护计划 具体的区域负责情况及劳动量将依据区域的特点进行调整与设计。 维护内容 螺丝 传感 控制 电池 机体 软件 维护方式 人工手测 飞行测试 人工目测 专业测试 人工目测 软件调试 维护周期 一个月 一个月 一个月 半年 一个月 不定时 表4.2 日常维护计划表 4.2 产品问题与改进 1）无人机十分耗电，即便不加螺旋桨飞起来，我们测试过原地转动也只能维持十几分钟。实际测试时，常常是在场地飞行一阵后就得回实验室补电，所以间接地大幅增加了开发时间。 2）由于我们的目的是物运，所以所需的负载重量是一个很大的问题，本身我们的款型就有限，我们增加了5G模组后，几乎达到了负重极限。在这方面解决办法为重新购买更大机架，例如P450机架。 3）如果是单无人机管理，那么部署云平台openstack的意义就不大；如果后期用到无人机集群，我们的台式电脑存在着跑不动虚拟机的问题，内存的问题难以解决，应当需要一套机房来处理。 第四章 4.3 产品疑难解答 4.3.1 pix飞控说明 根据我们的测试，出现 Bad Compass Health，并且GPS 是有信号的，但是罗盘处问题了，那么出现这种情况有一下几个可能： 1）电压供电不足，那么这个时候我们就需要拿万用表检查我们的电压供电情况了 2）看罗盘是否校准，如果没有校准的话就得重新进行校准了 3）如果校准了，那用的外置罗盘还是内置罗盘呢？如果用的是外置罗盘的话就需要把跳线拔掉，跳线在主板上 4）接线问题，看是否有将线接错或者接反，一定要注意电源线，如果将其与地线接反的话就会烧掉， 导致罗盘不能使用；还有要看看是否有接触不良现象，这也会导致我们的罗盘不能使用 5）如果外置罗盘不管用的话我们可以选择内置罗盘，因为 pixhawk 带的是双罗盘 6）如果地面站软件是 MP 的话，我们最好加载 3.2 RC10 测试版的固件，因为 3.3 的固件不稳定，属于开发版，还有很多 BUG 存在 4.3.2 pix 指示灯说明 1）红灯和蓝灯闪：初始化中，请稍等；陀螺仪初始化。 2）黄灯双闪：错误，系统拒绝解锁；解锁前检查失败。 3）蓝灯闪：已加锁，GPS 搜星中，自动导航，悬停，还有返回出发点模式需要 GPS 锁定；加锁，未发 现 GPS 锁定。 4）绿灯闪：已加锁，GPS 锁定已获得。 准备解锁；从加锁状态解锁时，会有快速的两次响声提示。 加锁，获得 GPS 锁定（加锁时还会伴随快速双响）。 5）绿灯长亮加单次长响：GPS 锁定并且解锁；准备起飞！解锁，获得 GPS 锁定（解锁时还会伴随一声长响）。 6）蓝灯常亮：解锁没有 GPS 锁定。 7）黄灯闪：遥控故障保护被激活；电台故障保护激活。 8）黄灯闪加快速重复响：电池故障保护被激活。 9）黄灯蓝灯闪加高-高-高-低响：GPS 数据异常或者 GPS 故障保护被激活。 4.4 产品开发与调试 4.4.1云卓地面控制站 组装好的无人机试飞，有掉高下沉的现象（油门保持不变的时候），从飞行日志上对电压、电流，油门输入、输出，高度，震动这些对其进行了检查，没有发现问题的话，那就应该是模式没有配好。解决办法为：在设置里进行软件配置，完成定高相关的配置。 除了控制飞行，其他很多问题也都必须在地面站上做出相应设置，不过具体问题具体分析。 4.4.2云平台处理 搭建时必不可少会用到命令行操作，如果命令行出现不能打开文件错误，用xftp打开找到对应位置后，可修改文件权限或其他解决办法。还可以有更方便的方法，直接右键用文本编辑信息，我再用命令行查看配置信息发现和文本编辑完全一致。 注意：不小心将/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth1(需要通过此文件进行查看UUID)删除，需要查看网卡的UUID，分别输入以下命令，每步命令要等程序反应 # yum provides “*/nmcli” # yum -y install NetworkManager #systemctl start NetworkManager #nmcli con 关闭时，我先关闭compute计算节点，发现能登入openstack fuel，也能进入openstack dashboard。而关闭controller节点后，能登入openstack fuel，但不能进入openstack dashboard。 4.4.3 烧录问题 烧录完系统后，原有的几十GTF卡可能会变为几十MB。事实上出现这种显示现象是正常的，因为烧录好的树莓派系统的TF卡会被分成俩个分区：一个FAT32的boot分区，和一个/多个Ext4的Linux主分区。由于Windows智能识别Fat32分区，故会出现上述问题。 4.4.4 显示屏操作树莓派 树莓派开机连接分为有屏幕操作、无屏幕有线远程和无屏幕无线远程。有屏幕操作又包括含HDMI接口的电脑和连接含HDMI的显示屏，我们主要采取后者进行开发，期间遇到诸多问题，如树莓派连接数控的同时，去实现树莓派与笔记本虚拟机ubantu系统在同一手机热点局域网下，因为树莓派连接数控时即便连上了手机热点过一会也会发生冲突从而掉线；又如打开显示屏调试时，应当在启动树莓派无人机之前，这样显示屏才会正常显示。 第五章 市场与竞争分析 5.1 市场机会 5.1.1 无人机政策支持 从政策上看，国家先后出台了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》、《民用航空工业中长期发展规划(2013—2020年)》《关于深化我国低空空域管理改革的意见》等政策，将航空产业列入国家战略性新兴产业发展重点方向，有序开放低空空域，引导支持航空装备制造业和相关产业做大做强。2016年国务院发布了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确提出将无人机作为发展重点之一;2017年，工业和信息化部发布《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》，明确提出到2020年，民用无人机产业持续快速发展，产值达到600亿元，年均增速40%以上。到2025年，民用无人机产值达到1800亿元，年均增速25%以上;2019年，教育部将无人机相关专业列入《中等职业学校专业目录》，为无人机行业的发展提供充足的人才储备。在国家战略的引领下，各地方政府也相继出台了相关发展规划，积极扶持无人机行业的发展。国家政策导向和地方政府的务实推进，正在大力推动我国无人机行业发展，催生出巨大的经济效益。 5.1.2 物流行业优势 2020年，宏观经济经受前所未有的严峻挑战，物流作为经济发展的先行官，积极贯彻高质量发展理念，深化供给侧结构性改革，全年物流运行逆势回升、增势平稳，物流规模再上新台阶，物流业总收入保持增长，物流运行实现提质增效，单位成本缓中趋稳，为抗击疫情、保障民生、促进经济发展提供了有力支撑。2020年5月发改委、交通部颁发《关于进一步降低物流成本的实施意见》，中央和地方财政加大对铁路专用线、多式联运场站等物流设施建设的资金支持力度，研究制定铁路专用线进港口设计规范，促进铁路专用线进港口、进大型工矿企业、进物流枢纽。持续推进长江航道整治工程和三峡翻坝综合转运体系建设，进一步提升长江等内河航运能力。加快推动大宗货物中长距离运输“公转铁”、“公转水”。 5.2 市场规模 工业无人机是指作为一种高效便捷的辅助手段来替代原有工具以服务于各行各业的日常工作中的无人驾驶的航空器。2019年，我国工业无人机市场规模超58亿元。未来，工业无人机行业增长速度仍将保持在高位，到2021年行业规模将超89亿元。 对于我国民用无人机市场，在2015-2020年期间，整体规模从24亿元预计增长到361亿元，年复合增长率为72%，预计在2021年民用无人机的市场规模将达到371亿元。消费级无人机市场的爆发使得无人机的影响力不断提高，电力、农业等行业相继研究无人机在各自行业应用的可能性，带动工业级无人机市场增速加快。 图5.1 2015-2020年中国民用无人机市场规模（单位：亿元） 根据前瞻产业研究院整理的数据，我们绘制了民用无人机市场规模，如上统计图。 5.3 市场结构 图5.2 2020年无人机出货量应用领域结构（单位：%） 根据前瞻产业研究院整理的数据，我们绘制了无人机出货量应用领域结构，如上饼图。无人机出货量按应用领域来看，2020年，用于工程监控领域的无人机出货量最多，将达20.98万台，占比约40%;其次是应用于火灾监控和保险业和公告安全领域，这图表反映了我们产品所面向的物流领域是稀缺的。 5.4 市场规划 1）推广宣传阶段：在这个阶段我们的主要工作是一方面对实验平台进行充分的建设和完善，另一方面是大量收集“物运无人机”的项目信息（包括自媒体、文字信息、公司网站）和一些迫切需要招商引资来发展自身的“无人机”项目，为下一个阶段的信息服务做准备。 2）服务发展阶段： 通过前期收集的大量信息，以网站为主，电话，电视、杂志等媒体宣传平台为辅的形式，建立这样一个平台，为投资双方提供一个平台，使资金和产品顺利得到对接，还可以提供一些以展销会的形式对一些“无人机”项目进行宣传、招商引资，我们从中收取一定的中介和活动费用，来完成盈利。 3）拓展发展阶段：信息交互工作充分完善后，我们还可以提供亲身体验试飞等更为完善的服务方式给投资方提供服务，让更多的商家、更多的关注着对“物运无人机”有更深层次的了解，并进一步带动这项产业的发展。 5.5 市场定位 5.5.1 目标客户 1）物流公司：未来有望实现大规模集群无人机物运，它将成为运货的新型方式，所以我们计划逐步与市场上的同城物流公司合作，甚至开拓到短距离岛屿上去。 2）高校：一方面给科研人员提供服务展开合作研究，另一方面为个体高校学生建立开源社区和专项比赛社区 3）高危行业：例如对于电塔高空作业人员工作途中所需的作业工具配送，还地震等灾害导致的被困群众或援救人员的物资配送等。很多场景的工作都具有危险性，无人机代替人工显然是更人类主义的。 4）特殊活动：例如奥运会会场多个比赛同时举行，如果传递物资可能影响比赛，用无人机实现空运，就是利用空中的空间资源来提供更方便的服务。 5.5.2 市场发展计划 总体市场定位：公司采取“立足渝北区，面向重庆，走向中国”的市场销售理念，逐步形成产品销售网络格局，建立与中国各大物运公司的战略合作关系。 1）公司前期：面向重庆兰空无人机技术有限公司、重庆华科尔无人机技术有限公司、重庆丰鸟无人机科技有限公司，他们三家都属于重庆境内且是主城渝北区的无人机公司。 2）公司中期：随着产品知名度的提高，公司将对重庆其余几家无人机公司进行应用推广。 3）公司后期：以持有的技术为基础，开始推广具有市场前景的成型设备，以丰富的扩展软硬件来丰富本公司的产品组合，为公司股东带来更稳定、更丰厚的利润。 5.6 竞争分析 随著无人机应用价值的提高，加上无人机技术的不断创新，现如今市场上有针对不同领域的无人机产品，如摄影领域达到沉浸式航拍体验、空中交通管理与安全监控。 由于本产品主要用于物资配送，而当今无人机市场还未流行送货，因此具有相当的民用前景。本产品用到的开发板是树莓派，是市面上智能车、无人机、无人船开发的较为流行的一款。另外，本作品作为小型无人机的研制，模组的创新结合、DroneKit-Python代码开源与地面站软件二次开发的特点，对广大高校的科研人员也具有研究意义。对于效益来说，由于其结合了5G通信模组，在5G新时代潮流下市场更为可观。 第六章 运营策略 6.1 订单生产 图6.1 订单生产计划 6.2 渠道策略 公司前期的目标客户群基本上是确定的，基本是以无人机公司、物流公司企业为主，而高校为辅。 图6.2 营销渠道 1）零售方式：在这一方面针对高校的科研人员，公司选拔了解产品技术、业务能力强的推销人员到全国各大高校与老师或学院负责人进行洽谈，及时发现、答复和解决客户提出的问题，同时了解客户对公司产品的评价，不断的收集信息，反馈信息，制定合理的营销策略，为客户提供更好的产品和服务。 2）代理商：对于地域分布相对离散的中小型番物流公司、机器企业，公司为了节约开支，将会利用代理商来开拓这片市场。通过综合考虑代理商的财务和管理水平、专业知识、信誉等因素，选择合适的代理商。 6.3 促销策略 1）广告宣传：利用信息发展年会、各大博览会、高校交流研讨会，开展网络宣传及杂志来宣传公司产品的性能、参数、服务等，并适时确定合作意向，同时与政府、地方企业等建立并保持良好关系，以便更好地收集和了解市场动态。 2）树立口碑：在购买前，抽取部分用户进行用户免费体验；在使用质量上，为了保证供货的稳定性和持续性，公司将派遣相关人员协调和监督制造商的质量管理，以提高公司产品的质量信誉度，建立公司品牌。 3）在创新方面，公司将积极引进优秀的科研人才，立足于产品特色与服务，不断地升级和研发新的设备功能，以此不断提高公司品牌知名度。 4）在服务方面，公司会建立完善的售前、售中、售后服务，而且在三年内为企业免费提供设备使用前的调试检验，以及使用后的检测维修，并且实施“多对一”的固定跟点模式，以及通过公司建立的客户动态信息，使公司的销售及技术人员能够清楚的了解加工企业的情况，提供更优质的服务，从而不断巩固和壮大公司品牌。 6.4 运营服务策略 6.4.1线上服务 我们将通过线上建立网站与社区，从而更好地定位互联网+信息技术物流业。 1）首先就是建立网站然后维护，提供完整的产品档案，记录产品的研发基地、物运的包装与运输过程，并与独立的无人机生产公司合作，对出品的器件进行合格的检验和出具相关结果，通过确保其质量，提高客户对产品的信任度，从而实现后期的依赖度。 2）网站中提供消费者与消费者之间交流互动的平台，比如开源社区，在线上消费者之间可以交流自己的无人机开发经验，同时消费者之间可以二次转卖自己的用品，促进客户群的感情交流，提高客户群体的稳定性。 3）保持与消费者的互动，以客户需求为导向，为消费者提供更满意的日常管理服务。发起交流活动，考虑到购买者可能是高校研究人员比如像我们一样的学生，他们可能在搞科研的同时希望加综合评测分，所以我们计划定期举行各类的竞赛，对成绩优秀者予以奖励。 4）广泛征求消费者的各种意见和建议，不断提高服务质量。普及相关的无人机与物运知识，让物运公司有序和地经营自己的天空基地与物运转包点。 6.4.2线下服务 1）衡量各地环境因素，根据无人机应用场景，我们自身建设无人机试验基地来不断发展创新 2）当物流单位或个人需要维护人员时，我们会提供专门的工作人员帮助消费者，从而完善配套服务，打造一个无人机和谐磁场。 3）中期阶段，在已经有了小部分客户基础的情况下，继续对产品进行宣传推广，宣传的形式主要以用户体验和成果展示为主；后期阶段，已经有了稳定的客户群，还需要对潜在的客户群继续进行争取。可以用往期成果展示等的方式来继续推广 4）其他服务：提供详细的产品咨询服务，包括产品的价格、性能、技术参数，免费开展培训，并对购买设备进行免费调试，从而提高公司的知名度与信誉度；免费对客户进行调试服务，同时对客户详细培训，建立完善的客户档案，定期回访，每次回访都将录入客户管理系统，确保产品保持最佳状态。 6.5 经营模式 经营理念：以科技为先导、以市场为导向、合同约定，以销定产。 经营策略：公司将采取以产品、价格、渠道、促销为主的4P营销策略，再加上品牌策略和网络营销的辅助作用，为公司产品逐渐打开市场，取得一定的市场份额。在此环节公司会更加注重与广告代理、科研机构的合作、示范点推广销售、完善服务等方面，并不断发现问题，解决问题，从而完善公司的组织结构及制度建设等。 6.6 经营业务流程 1)新产品实现流程。科研部识别、研究、开发和成功推出新产品等各种活动，活动会讲究快速、高质并达到成本预订控制目标。 2)订单-付款流程。总务部和科研部市场营销、接受订单、核准销售、按时送货以及收取贷款所涉及的全部活动。 3)客户服务流程。建立完善的售前、售中、售后服务，使公司和客户保持长久的合作伙伴关系，并得到迅速而满意的服务、答复以及解决问题的全部活动。 第七章 财务分析 7.1 财务预测假设   此计划系根据公司目前的自筹金计划，按市场容量及可能的市场份额预测数而制定，产品产值假定是在 2021-2025 年。   本盈利预测系在充分考虑 2021-2025 年预期市场容量以及基本假设和具体假设的前提下，本着谨慎的原则对公司未来五年的财务状况、经营成果及盈利水平做出预测。 在盈利预测期内，公司基于如下重要的基本假设：   （1）公司所遵循的我国现行法律、法规、政策无重大改变；   （2）公司所处的社会经济环境无重大变化；   （3）公司目前遵循的税收制度和有关税收优惠政策无重大变化；   （4）公司的计划经营项目和重大营销合同能顺利执行；   （5）无其他人力不可抗拒因素及不可预见因素所造成的重大不利影响；   （6）公司的记账本位币为人民币 在具体盈利预测时，公司主要基于如下的具体假设：   （1）固定资产的折旧年限为 5 年，固定资产残值率为 0，按直线法计提折旧 （2）无形资产的摊销年限为 10 年，采用直线法摊销；   （3）增值税税率为 13%，所得税税率为 25%； 表7.1财务预测假设 7.2 销售收入预测 根据营销部门的市场计划，公司未来五年的探针的主要的销售预测如下所示 类别 设备项目 数量/次数 单价（元） 硬件 模型材料 1 1500 传感器、单片机 3 4000 实物材料 1 3000 零部件、元器件 3 2000 软件 程序调试 1 1500 软件开发 1 1500 总价 13500 表 7.2“捷运便生”一套产品组成及价格 除去一套产品大概成本6500，故净收入大概7000一套；预计五年后销量翻倍。 年份 第一年 第二年   第三年 第四年 第五年 销售量（套）   400 500 600 700 800 销售收入（万元） 540 675 810 945 1080 净利润（万元） 280 350 420 490 560 表7.3 捷运便生”销售预算表单位：万元 7.3 财务情况 公司发展前景非常可观。公司对新技术的开发和新产品研发上高度重视，研发费用将逐年增加，可预料产品相对成本将会降低，各项净利率仍有很大的上升空间。资金周转适中，在保证盈利能力的同时，有利于配合资本的积累。 公司资金筹集迅速，市场容量大，公司经营能力突出，拥有极强的盈利能力， 良好的利润发展空间。 公司的成长壮大离不开股东的投资，根据对未来几年公司经营状况的预测，公司能以较高的利润增长，拟从净利润中提取合理比例的资金作为股东回报。 7.4 资金的来源及用途 来源：公司创办资金来源于股东投资，以及风险投资融资所得，资金来源可靠，筹集渠道合法，项目明细齐整规范，保证公司后期发展的安定稳进。   用途：主要用于投资前期，投资建设期的各项支出，包括公司注册费用、成本费用、人员培训，前期宣传、调研成本、资金周转规划、前期人员工资储备金、场地租赁装修以及相应的设备购买等 7.5 财务分析 公司在财务运营方面尽量规避财务风险，并对各项费用预测指标进行详细、谨慎的试算，并根据国内外典型案例对费用配比进行了合理调控。以现金流控制为主要关注点，在风险监控的同时，尽可能降低成本费用，以期快速收回投资的同时，实现财务绩效的高速、稳步增长，并在更长期的财务计划中，为拓展公司业务规模、引入风险投资做好准备。 由于剔除了银行利率变动、人为原因及不可抗力、由退货后拆解在加工等造成的可能出现的存货，以及资金时间价值等的影响，实际公司运营时的财务状况表现与试算表必然存在一定的差异。等等在财务报表中不做体现。 综上所述，本项目在缜密的融资分析与财务预测的基础上，表现出了可观的投资回报与良好的发展前景，且在最小化财务风险的基础上，实现了业务收入的高额增长，充分说明本项目切实可行，且具有非常高的投资价值。