農林植保無人機的組成及常見故障檢修**

王 濤

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330000）

近年來，無人機在農業方面的應用越來越廣泛，旋翼無人機因其性能穩定、攜帶方便等諸多特點被廣泛應用于農藥噴灑、播種[1-2]。因此，無人機日常保養維護和維修成為無人機從業人員及無人機應用技術專業學生需要掌握的必備技能[3-5]。筆者分別從電源、分電板、電調、電機、飛行控制器等無人機組成部件入手，詳細分析各部件的特點及工作原理，以及常見故障的維修。

1 電源及日常維護

農林植保大都使用的是旋翼無人機[6]，通常使用鋰電池作為整機的電源，鋰電池應根據整機重量，選取3～6芯（專業術語是3S～6S）。單芯電池的標稱電壓值為3.7 V，最高電壓為4.2 V，以4S為例，可提供的最大值為4×4.2 V=16.8 V。鋰電池的充電都是采用專門的充電設備，需要注意的是鋰電池在日常維護過程中，需要讓其電壓維持在3.8 V左右最佳，也就是說當電池長期不使用時，應該將其充電或放電到這個電壓值，不能太高也不能太低，而且原則上兩個月之內一定要充放電1次，不然電池的壽命將大大降低。這是很多無人機使用人員容易忽視的問題。

電池常見的故障有過充、過放和單芯損壞。電池鼓包的話意味著過充或存儲電壓長期過高，過放的電池只要用平衡充充電一般都能夠激活，一般選擇0.5 A左右的小電流緩慢充電，然后到達3.7 V左右再換1.0 A電流或較大電流，具體要看電池銘牌上標注的充電倍數。如果過放的電池電壓監測不到，有時也會將一塊好的電池和這個過放的電池同時接到平衡充并聯的充電接口上，同樣可以起到修復的作用。由于大多數企業和公司配套提供的電池充電器都為并聯型充電器，其電池管理及充電性能雖然較好，但是當單片電池的電壓降低到2 V及以下時，其默認的設置是根本不檢測也不對該芯電池充電。在這種情況下，可使用串聯型平衡充，如iMAX-B6，在設置成單芯充電模式后，對其充電3 min左右，即可激活該電池，使其電壓恢復到3.6 V左右，之后采用原有并聯型充電器對整個鋰電池充電即可。如非必要，原則上盡量不要用穩壓電源直接對充，切記，用一塊好的電池去對充一塊過放的電池原則上是不允許的[7-8]。

2 分電板的常見故障及維修

目前，旋翼無人機的分電板主要有兩種。一種是單純的分電功能，即將輸入的電源信號以并聯的形式直接分配出多路，不包括電源管理、電壓電流監測功能；另一種是帶電壓電流檢測功能的分壓電板，可以將鋰電池的電壓分配給各個支路的同時，也將電壓電流信號傳輸給飛行控制器，供飛控監測，這類模塊也被稱為電源管理模塊。

分電板故障的原因多半是短路導致的分電板擊穿問題。一般將短路原因處理后，找到擊穿點加以修復就好。如果在擊穿點修復好后，還是出現故障，則要對分電板進行斷電或帶電檢測，檢測的依據就是分電板上的芯片組。常用的分電板通常包括一塊電流檢測芯片，如INA169和1片DC-DC降壓芯片MP4560， INA169在分電板中的功能是用于檢測電源電流大小并將其傳遞給飛控Power接口的電流接線端，其外圍電路簡單，部件少，壞的可能性不大。MP4560芯片5 V輸出的典型應用原理圖如圖1所示。

圖1 MP4560芯片5 V輸出的典型應用原理圖

通過原理圖和分電板實物或PCB板對比，不難看出兩者的一致性，有了這個作為參考，在進行故障點檢測時，將會輕松很多，如果Vin無電壓輸入，則先測量分電板給輸入輸出口電壓是否正常；如VIN正常，VOUT無輸出，則斷電情況下，用萬用表測量各引外圍器件有無損壞即可。

需要注意的是，在路測量時電阻的阻值一般比標稱值要小。而對于電容的檢測一般是先觀察元件表面是否有異樣，如有異樣再取下檢測。容量1UF以上的電容可以用指針萬用表歐姆檔檢測其好壞，容量太低則無法看到指針偏轉，需要用數字萬用表電容檔進行測量。

鋰電池通常通過配上成對的T插或XT公母頭和分電板連接。分電板的作用則是將電池提供的電源分為多路分別給各個電調供電，并且在電流承受能力和分壓穩定性方面都有一定的要求。在進行分電板的焊接過程中，有兩個地方需要注意，一是正負極不能焊反；二是焊在分電板上的裸露銅線不宜太長。另外需要注意的是由于很多無人機的支架都采用碳纖板，不宜使分電板直接和碳纖板接觸，以免發生短路。為了維修和調試方便，電調和分電板以及電機和電調的連接，中間通常都是通過導線加香蕉頭的形式連接的。需要特別注意的是，只要是有金屬接頭的地方，都應該加上熱縮管，并且要讓熱縮管完全包裹住裸露在外的金屬部分[9-10]。如在無人機通電測試過程中，出現電機冒煙，或單一電機不轉動，請立即斷電，檢查上述問題。

3 遙控器和接收機概述

不同的遙控器在調制方式、頻段和模式上都不同，常用的調制方式有FHSS、GFSK、QPSK等，所以通常成對購買同一品牌的遙控器和接收機。如果后期某一設備徹底損壞，則要根據上述提到的兩個指標進行更換或配對。在進行遙控器和接收機的調試工作前，首要完成的任務就是對頻，不同遙控器的對頻方式都大同小異，一般都是供電后按住接收機上的一個按鈕3 s左右，然后再把發射機（遙控器）的電源打開，所不同的是，有的發射機在開機的同時要按一個印有bind key字樣的對頻按鈕，有的接收機在對頻的時候要在其POWER通道加上一個對頻導線。除此以外，還需要打開遙控器，完成一下飛行模型的設置和選擇，選擇安裝的多旋翼模型即可，至于其他方向舵、油門舵的設置都可以在后續慢慢研究和調整。

4 電調及常見故障維修

電調的作用是實現對無刷直流電機的驅動和控制。它接收來自飛控發出的指令信號，繼而針對性地調節對應電機的轉速。電調主要由單片機主控電路、驅動電路及場效應管橋組成。驅動電路和對應的場效應管橋臂一般有3條支路，其中的一條如圖2所示。圖中的IR2301為高壓高速功率MOSFET驅動器，其輸入端為HIN和LIN，和單片機連接，接收單片機的控制指令，HO和LO是對應的兩個輸出端，用于控制后面兩個N溝道場效應管的導通和截止，后面的場效應管工作在開關狀態，TOLOAD端用于連接無刷直流電機的一根相線。如圖2所示的3條這樣的支路分別與電機的三根相線連接，通過控制6個MOSFET管的導通和截止情況，來確定電機的哪一組或幾組線圈得電，從而控制電機轉動及實現轉速控制。

圖2 電調驅動電路

電調如果出現故障，多半是后面的場效應管的單個或一組燒壞（擊穿或短路），也有IR2301驅動損壞的情況，可通過外觀觀察或使用萬用表歐姆檔進行簡單的測量即可確定，之后進行相應的更換就行。由于電調的集成度較高，場效應管為貼片式，體積很小，所以在更換時注意控制好熱風槍的距離和溫度，并建議采用低溫錫。當無人機的某個單臂的無刷直流電機無法運行時，為了驗證是電機還是電調的故障，有時候也會在斷開電機的情況下，直接用萬用表的電阻檔去測量電調的三個輸出接線端子，會發現任意兩個接線端的輸出電阻相等，并基本在20K左右（不同電調有偏差），通過該方法也可初步地判斷是電調還是電機故障。

5 無刷直流電機及其維修

旋翼無人機一般為鋰電池驅動，普遍使用直流無刷電機作為動力源，其輸入信號是直流，工作在交流狀態。電機分為內轉子和外轉子兩種，植保旋翼型無人機上采用外轉子電機居多。

電機出現故障多半是線圈繞組損壞居多，由于直接更換整個電機，費用較高，通常都是通過拆卸電機，對其進行重新繞線的方式來維修。如果單純地進行原有電機的修復而非改裝的情況下，只要用游標卡尺對原始電機的繞組線徑進行精準測量，并記錄好原始電機股數和匝數即可。如果能選購同種材質同等粗細的漆包線來維修，將會簡單許多。在沒有相同粗細的漆包線的情況下，則需要經過一定的計算進行替換，相對復雜，計算公式如下：

上式中，X1表示原始電機的股數、T1表示原始電機的匝數，X2、T2則分別為替換后的電機的股數。從上式可以看出，等式的兩邊實際上是更換前后的繞線的等效橫截面積。需要注意的是，如果要保證原有的KV值不變，那么一般要求匝數不變（T1=T2），通過調節股數，讓等式兩邊相等來實現。需要注意的是在線徑不變的情況下，減少線圈的匝數，對應的增加線圈的股數，將使得電機的KV值增加，反之電機的KV值減小。

在進行電機繞線時，需要確定對待維修電機的相線接法，是三角形還是星型（Y）接法。在拆卸原電機繞組的時候可以觀察各相線是頭尾依次相接，還是尾巴接一起。

6 無人機的飛控

無人機飛控是無人機飛行控制系統的簡稱，可以簡單地看作是由單片機和多個傳感器模塊組成。傳感器包括負責檢測無人機運動姿態的陀螺儀、負責測量大地磁場建立航向的羅盤磁力計、負責間接測量飛行器高度的氣壓計。最簡單的飛控可以用51單片機來實現，通常用于玩具型航模飛機，在運算速度和能力、存儲空間方面都顯得相對弱一些。基于AVR單片機的Arduino開源平臺的出現，為成熟飛控的出現奠定了基礎。業界所熟悉的APM飛控就是基于此平臺開發出來的，通過外接GPS模塊，再配上地面站系統，可以較好地實現航線規劃和自動返航。但是由于其上的單片機仍然是8位的，限制了其進一步的發展。基于STM32系列的32位單片機（ARM）憑借其強大的存儲空間、運算速度和綜合性能被應用于高性能的飛控開發，目前，業界比較成熟的開源飛控PX4/PIXHAWK則是基于該單片機作為主控制芯片開發而來的。

農林植保類無人機更多的是使用商業飛控，其集成度相對較高，一旦損壞，其維修的技術需求較高，一般整體更換。值得一提的是，現在出現了“極飛”“大疆創新”公司生產的將飛控、分電板、電調等全部部件集成在一塊板子上的情況，其更換成本將是極高的，這一類設備一旦過了保修期的話，在判斷電路板沒有折斷的情況下可以進行檢修，一般接口松動、芯片松動的情況下都可以通過手動加焊進行修復。這類飛控板上有很多黃色的鍍銅小圓點，這些點是一些關鍵的測試點，需要維修人員好好利用。

7 結語

通過對農林植保無人機各組件作用及其常見故障的分析，重點對無人機的電機、電調維修進行經驗式的探討和分析，加深無人機操控人員及相關專業人員對無人機的了解。