基于四旋翼無(wú)人機(jī)的組裝與調(diào)試研究

黃芳艷，劉永福，林鎮(zhèn)滔，胡嘉就，陳德朝

基于四旋翼無(wú)人機(jī)的組裝與調(diào)試研究

黃芳艷，劉永福，林鎮(zhèn)滔，胡嘉就，陳德朝

（廣東開放大學(xué)，廣東 廣州 510091；廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510091）

首先介紹了四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成，然后詳細(xì)研究了它的組裝和調(diào)試，最后分析組裝調(diào)試中遇到的一些問題。關(guān)于四旋翼無(wú)人機(jī)的組裝，可在焊接組裝部件前先查看測(cè)試部件，構(gòu)想實(shí)物模型，接著調(diào)試飛控的部分功能，這樣利于減少后續(xù)組裝的拆卸次數(shù)，提高組裝效率。組裝的無(wú)人機(jī)使用Pixhawk飛控，在Mission Planner軟件中進(jìn)行調(diào)試。其他類型的多旋翼無(wú)人機(jī)的組裝與調(diào)試可以類比四旋翼，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的組裝與調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義。

四旋翼無(wú)人機(jī)；Pixhawk飛控；組裝；調(diào)試

四旋翼無(wú)人機(jī)是一種典型的多旋翼無(wú)人機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，飛行平穩(wěn)[1]，廣泛應(yīng)用于影視航拍、電力巡線、航空測(cè)繪、農(nóng)林植保等領(lǐng)域，具有極其重要的研究?jī)r(jià)值。本文以四旋翼無(wú)人機(jī)為例，研究多旋翼無(wú)人機(jī)的組裝和調(diào)試。在組裝無(wú)人機(jī)之前，首先得了解無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成以及各個(gè)部件的功能。

1 四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成

一架典型的四旋翼無(wú)人機(jī)由機(jī)架、腳架、電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳、電池、遙控器和飛行控制器等組成。機(jī)架是無(wú)人機(jī)的機(jī)械框架，用于承載放置其上的其他部件。腳架在無(wú)人機(jī)降落到地面時(shí)起到一定的緩沖作用。電機(jī)是無(wú)人機(jī)的動(dòng)力部件，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生升力，而電調(diào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電池是無(wú)人機(jī)的動(dòng)力源，而遙控器用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。飛行控制器是無(wú)人機(jī)的核心，一般由主控MCU、姿態(tài)傳感器組、無(wú)線通信模塊和電源模塊等組成[2]。

2 四旋翼無(wú)人機(jī)的組裝

根據(jù)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成，將無(wú)人機(jī)的各個(gè)部件組成一個(gè)統(tǒng)一的整體，組裝過(guò)程分為如下幾步。

2.1 查看、測(cè)試部件，構(gòu)想實(shí)物圖

打開多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)訓(xùn)箱，查看箱中的部件是否齊全，然后檢查各個(gè)部件有無(wú)損壞。有些損壞的部件，如槳葉、機(jī)架、腳架等，能夠直接被發(fā)現(xiàn)。對(duì)于表面無(wú)異常的部件，需要使用檢測(cè)工具和檢測(cè)方法，例如，測(cè)試電調(diào)的好壞，可以使用萬(wàn)用表的蜂鳴器檔，如果發(fā)出響聲，則說(shuō)明正常，否則損壞。要測(cè)試電機(jī)的好壞，可以將電機(jī)連接到正常的無(wú)人機(jī)電調(diào)上，接通電源，如果電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，則說(shuō)明正常，否則損壞。最后構(gòu)想無(wú)人機(jī)的實(shí)物圖，如部件擺放位置、部件固定方式、部件之間連接等，減少后續(xù)組裝的拆卸次數(shù)，提高組裝效率。

2.2 調(diào)試飛控的部分功能

Pixhawk飛控的部分功能，如加速器計(jì)校準(zhǔn)和指南針校準(zhǔn)，不需要安裝在機(jī)架上也能完成。此外，如果飛控安裝在機(jī)架上，那么在旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)過(guò)程中，容易出現(xiàn)各種線纏繞在一起的問題。打開Mission Planner軟件，將Pixhawk飛控連接到電腦，點(diǎn)擊菜單“初始設(shè)置”，依次選擇“必要硬件”下的“加速度計(jì)校準(zhǔn)”“指南針”，按照操作提示完成校準(zhǔn)。

2.3 焊接電調(diào)、電源

將電調(diào)電源線和電源模塊電源線焊接在分電板上，要求不能存在虛焊，且外觀盡量完美。焊接完成后，用萬(wàn)用表測(cè)試焊點(diǎn)是否存在短路或者斷路的情況。

2.4 組裝機(jī)架、電池架、腳架

在機(jī)架下板上固定電池支撐架和腳架，而GPS支撐架和飛控緩沖板安裝在機(jī)架上板上，然后在上下板之間固定機(jī)臂，用螺絲擰緊。

2.5 安裝電機(jī)，連接電調(diào)

在機(jī)臂的末端安裝電機(jī)架，然后安裝電機(jī)。從右前方電機(jī)開始，按照逆時(shí)針方向，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向依次為逆時(shí)針、順時(shí)針、逆時(shí)針和順時(shí)針。電機(jī)表面如果沒有標(biāo)明旋轉(zhuǎn)方向，可以通過(guò)如下兩種方法判斷：①扭轉(zhuǎn)電機(jī)上面的槳帽。如果順時(shí)針能將槳帽擰緊，說(shuō)明電機(jī)順指針旋轉(zhuǎn)，否則逆時(shí)針。②看槳葉上面的圖標(biāo)。如果圖標(biāo)是順時(shí)針上鎖、逆時(shí)針解鎖，則安裝此槳葉的電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，否則逆時(shí)針。安裝好電機(jī)后，將電機(jī)與電調(diào)連接起來(lái)，如果電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與規(guī)定的方向相反，則交換電調(diào)中任意兩根線。

2.6 安裝飛控、接收機(jī)、GPS

在飛控的四角粘上雙面膠，固定于飛控緩沖板上，箭頭方向指向機(jī)頭方向。在飛控的一側(cè)安裝接收機(jī)，另一側(cè)安裝GPS。接收機(jī)的PPM端連接到飛控的RC IN端，GPS的引線接在飛控GPS端口和CAN端口，電源信號(hào)線接在飛控POWER端口。飛控SWITCH端口和BUZZER端口分別外接安全開關(guān)和蜂鳴器。到此，無(wú)人機(jī)組裝完成，如圖1所示。

圖1 組裝完成的無(wú)人機(jī)

3 四旋翼無(wú)人機(jī)的調(diào)試

無(wú)人機(jī)組裝完成后，接通電源進(jìn)行調(diào)試。無(wú)人機(jī)的調(diào)試包括安裝固件、機(jī)架選型、遙控器校準(zhǔn)、電調(diào)校準(zhǔn)、電機(jī)測(cè)試、飛行模式、調(diào)節(jié)PID參數(shù)等。調(diào)試過(guò)程中，一定不能安裝槳葉，以免無(wú)人機(jī)起飛造成不必要的損失。

3.1 安裝固件，機(jī)架選型

打開Mission Planner軟件，點(diǎn)擊菜單“初始設(shè)置”，選擇“安裝固件”，在右側(cè)選擇與組裝無(wú)人機(jī)相應(yīng)的類型進(jìn)行安裝升級(jí)。此步操作是在飛控沒有連接到電腦的情況下完成的。接著，點(diǎn)擊Mission Planner軟件“必要硬件”欄下面的“機(jī)架類型”，選擇相應(yīng)機(jī)架類型。

3.2 遙控器校準(zhǔn)

首先遙控器與接收機(jī)進(jìn)行對(duì)碼。將對(duì)碼線連接在接收機(jī)的B/VCC通道處，按住遙控器左下角的黑色對(duì)碼按鈕不放，按下POWER鍵，出現(xiàn)連接成功的提示。然后設(shè)置遙控器。長(zhǎng)按遙控器的OK按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)界面，選擇RX Setup界面，再選擇PPM Output，將其設(shè)置為ON狀態(tài)。最后校準(zhǔn)遙控器。點(diǎn)擊Mission Planner軟件左側(cè)欄“遙控器校準(zhǔn)”，點(diǎn)擊右側(cè)“校準(zhǔn)遙控”，將遙控器的搖桿按逆時(shí)針方向從最遠(yuǎn)處開始旋轉(zhuǎn)幾圈，得到搖桿的最大值和最小值。校準(zhǔn)結(jié)束后，點(diǎn)擊完成按鈕。

3.3 電調(diào)校準(zhǔn)

將電調(diào)的輸出端依次接在飛控main out的1~4端，從上到下為負(fù)極、正極、信號(hào)線，然后進(jìn)行校準(zhǔn)。首先，關(guān)閉遙控器并斷開無(wú)人機(jī)電源，打開遙控器，將油門調(diào)到最大，然后接通無(wú)人機(jī)電源，聽到提示音后斷開。接著再次接通無(wú)人機(jī)電源，等到提示音結(jié)束，長(zhǎng)按安全開關(guān)直至燈光為藍(lán)色常亮，將油門調(diào)到最低，出現(xiàn)與電池?cái)?shù)量相等次數(shù)的提示音。最后斷開無(wú)人機(jī)電源，完成校準(zhǔn)。

3.4 測(cè)試電機(jī)

電機(jī)測(cè)試，是為了檢測(cè)電機(jī)是否按照規(guī)定的方向旋轉(zhuǎn)，可以采取以下兩種方法：①接通無(wú)人機(jī)電源，解鎖遙控器，調(diào)整油門，用手觸摸電機(jī)，感覺其是否按照規(guī)定的方向旋轉(zhuǎn)；②點(diǎn)擊Mission Planner軟件左側(cè)欄“可選硬件”中的“電機(jī)測(cè)試”，根據(jù)右側(cè)選項(xiàng)進(jìn)行電機(jī)測(cè)試。

3.5 飛行模式

常見的飛行模式有自穩(wěn)定、定高、定點(diǎn)、懸停、返航等。點(diǎn)擊Mission Planner軟件“配置/調(diào)試”菜單中的“飛行模式”，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，并與遙控器上面的開關(guān)對(duì)應(yīng)。

3.6 調(diào)試PID參數(shù)

完成基本的校準(zhǔn)調(diào)試后，安裝槳葉，到室外進(jìn)行試飛。根據(jù)飛行的穩(wěn)定性情況，在Mission Planner軟件中，點(diǎn)擊“配置/調(diào)試”菜單，選擇“擴(kuò)展調(diào)參”，調(diào)節(jié)遙控器各個(gè)通道的PID參數(shù)。

4 組裝調(diào)試中遇到的一些問題

4.1 電機(jī)不轉(zhuǎn)或電機(jī)轉(zhuǎn)速慢

在室內(nèi)進(jìn)行無(wú)人機(jī)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)某個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比其他電機(jī)要慢甚至不轉(zhuǎn)，可能是電機(jī)損壞或電調(diào)損壞。首先，檢查電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈有無(wú)損壞。仔細(xì)查看，發(fā)現(xiàn)安裝電機(jī)的螺絲太長(zhǎng)，抵住轉(zhuǎn)子線圈，通電后，電機(jī)轉(zhuǎn)不動(dòng)，發(fā)熱燒壞線圈。所以，安裝電機(jī)時(shí)，一定要查看螺絲的長(zhǎng)度是否適合。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈沒有損壞，將不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速慢的電機(jī)拆下來(lái)，連接在正常電調(diào)上，通電，解鎖遙控器，看電機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，說(shuō)明電機(jī)沒有問題，是電調(diào)的問題，否則是電機(jī)的問題。

4.2 電調(diào)嚴(yán)重發(fā)燙

無(wú)人機(jī)通電后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，某個(gè)電調(diào)冒煙。斷電后，觸摸電調(diào)，發(fā)現(xiàn)冒煙的電調(diào)比其他電調(diào)更燙一些，可能是內(nèi)部短接所致。所有電調(diào)焊接完成后用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試，這種情況是在無(wú)人機(jī)通電后產(chǎn)生的。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)安裝電機(jī)的螺絲過(guò)長(zhǎng)，抵住電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動(dòng)，造成短路，電調(diào)發(fā)燙。

4.3 無(wú)人機(jī)飛行時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)側(cè)翻

室外飛行時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)不穩(wěn)定，往某個(gè)方向傾倒，可能是因?yàn)橹匦牟辉谡麄€(gè)機(jī)架的正中心。出現(xiàn)這種情況的原因有：①機(jī)臂的長(zhǎng)度可能不一致；②接收機(jī)和GPS分別安裝在飛控兩側(cè)，由于它們的重量不相等，造成重心偏移；③電調(diào)放在機(jī)架下板上的位置不一致，造成重心偏移，這時(shí)，調(diào)節(jié)遙控器各個(gè)通道的PID參數(shù)，才能使無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定。

5 小結(jié)

多旋翼無(wú)人機(jī)的組裝與調(diào)試是高職無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)技能，是國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)大賽的重要組成模塊，是無(wú)人機(jī)職業(yè)證考試的必考內(nèi)容。掌握好本文介紹的四旋翼無(wú)人機(jī)的組裝調(diào)試后，可以類推學(xué)會(huì)其他類型的多旋翼無(wú)人機(jī)的組裝調(diào)試。

［1］楊則允，李猛，張全.四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（34）：105-106，109.

［2］王磊.基于CC3200的微小型四軸無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2016.

V279

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.015

2095－6835（2019）16－0038－02

黃芳艷（1987—），女，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制和無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

〔編輯：王霞〕