植保無人機組裝應用實踐研究

馮 浩，武靖韜，史睿哲，馬 良，李愛萍，王福成

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.大慶市建設中等職業(yè)技術學校，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

>現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，無人機在各個行業(yè)中的應用越來越得到關注[1]。植保無人機操控簡單，且作業(yè)效率高，進行植保作業(yè)時安全可靠[2]。在作業(yè)過程中，無人機操控者距離噴灑農(nóng)藥有一定距離，對無人機操控者的健康影響較小[3]。現(xiàn)階段，農(nóng)用植保無人機在市場中主要以成品為主，本文研究利用無人機配件組裝實現(xiàn)植保功能的四旋翼無人機，并對組裝后的無人機進行調試、安裝，實際應用的情況和經(jīng)過訓練后的應用效果基本一致。

1 農(nóng)用植保無人機組裝

1.1 實驗材料

組成植保無人機的實驗材料主要有主控芯片、加速度計、陀螺儀、氣壓高度傳感器、GPS模塊、無線通信模塊、電子調速器和無刷直流電動機等[4]。主要實驗材料如圖1所示。

圖1 無人機部分實驗材料

1.2 實驗過程

1.2.1 無人機組裝

在保證不存在虛焊且焊接點美觀大方的前提下，將電調和電源模塊電源線焊接在分電板上，待焊接完成后，用萬用表測試焊點中是否存在短路或者斷路的情況，防止發(fā)生電路故障；在組裝無人機的機架、電池架和腳架的過程中，用螺絲固定擰緊[5]。

在無人機臂的末端安裝電機架之后安裝電機。采取從右前方電機開始逆時針的順序安裝電機，四個電機旋轉方向依次為逆時針、順時針、逆時針、順時針。安裝好電機后，將電機與電調連接，如果電機的旋轉方向與規(guī)定的方向相反，則交換電調中任意兩根線[6]。

在飛控的四角粘上雙面膠，固定在飛控緩沖板上。在飛控的一側安裝接收機，另一側安裝GPS。無人機組裝準備材料如圖2所示，待初步組裝完成后，完成外掛植保設備的安裝。

圖2 無人機實驗材料整理

1.2.2 無人機組裝后軟件調試

對無人機應用軟件進行校準，軟件校準主要包括飛控校準、GPS羅盤校準、加速器校準/羅盤校準、無人機遙控器校準等。對以上軟件校準的目的是使組裝后的各個實驗器材能夠協(xié)調地工作。對遙控器校準可采取如下方式：在無人機遙控器上撥動遙控器下方的通道，撥動順序(下、下、上、上、上、下)，將搖桿歸中，打開軟件中的安裝固件，選擇遙控器校準后，在軟件中打開飛行模式，分別按照選項選擇穩(wěn)定模式、自穩(wěn)模式、定高模式、定點模式，設置校準完成后備用[7-8]。對無人機進行整體調試后試飛，無人機初步組裝完成如圖3所示。

圖3 無人機初步組裝完成

2 無人機組裝實訓

2.1 實訓前準備

植保無人機在組裝過程中，學生應該掌握關于無人機以下部分知識。首先是無人機總體的結構組成，應了解無人機結構與系統(tǒng)及安裝與調試，進而對無人機飛行有一定的操控能力；其次，應了解無人機在飛行過程中涉及到的相關政策與法規(guī)，了解天氣、空域等其他情況對無人機作業(yè)的飛行限制；最后，應掌握無人機飛行過程中應注意的問題及解決問題的方式方法。農(nóng)用植保無人機在執(zhí)行飛行作業(yè)任務時具有一定危險性，尤其是直徑較大的、掛有外載設備的多旋翼無人機。無人機使用可以借鑒廣東省公安廳發(fā)出的《關于加強無人機等“低慢小”航空器安全管理的通告》等相關政策法規(guī)，做到守法、安全飛行的目的。同時引導無人機操控者重視法律法規(guī)的學習，因為遵守法律法規(guī)是安全操控無人機飛行的保證[9-10]。

2.2 實訓的方式

2.2.1 利用飛行模擬器訓練無人機的基本操控

無人機在執(zhí)行飛行任務過程中具有一定危險性，初學者在沒有指導的情況下直接操控無人機，易造成無人機設備損壞，還可能出現(xiàn)安全事故。為了減少該種情況的發(fā)生，可以通過練習飛行模擬器的方式，讓初學者掌握在不同風力環(huán)境下，模擬器中無人機飛行姿態(tài)的控制。通過利用模擬器練習，能夠使初學者掌握搖控器操控桿的使用方法，并熟練運用搖控器控制無人機飛行狀態(tài)，同時訓練學生的方向感，為以后的安全飛行打下基礎。

2.2.2 學生利用無人機進行飛行訓練

利用飛行模擬訓練器能夠實現(xiàn)比較容易地對無人機進行平穩(wěn)起飛和降落的操作，以及能在各種飛行模擬訓練中多種工況下實現(xiàn)自主懸停，指定路線和指定任務進行飛行的情況下，可利用真機進行初期飛行訓練(圖4)。真機在進行飛行訓練過程中，要應對各種可能出現(xiàn)的飛行工況和空域限制，具備一定的困難性和復雜性，經(jīng)過模擬機的訓練，再次進行真機訓練的效果會好很多。

圖4 植保無人機飛行

3 無人機組裝訓練效果分析

3.1 提高實踐動手能力

學生通過從設計無人機的機型、機翼到機電設備、控制設備及外載設備之間的設備兼容性問題，利用提出問題，討論問題，最后解決問題。學生還應做好組裝無人機所需材料的前期準備，設計組裝順序，調試設備之間的配合，最后組裝完成。通過組裝訓練，學生的實踐動手能力得到了很大提高，學生學會了如何思考問題和解決問題，提高了實踐操作能力。

3.2 掌握無人機飛行操控技能

為了調試組裝完成后的無人機，需要做相關知識的儲備，如關于無人機的飛行原理、空氣動力學、無人機飛行法規(guī)等知識。學生需對無人機相關知識充分了解，以應對試飛過程中出現(xiàn)的問題。在試飛過程中，首先通過飛行模擬器的飛行訓練，再到實際飛行操控無人機，最后帶著飛行任務進行飛行作業(yè)的過程中，學生逐漸掌握無人機的飛行操控技能，對無人機飛行性能的了解更加深入。

3.3 提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

利用植保無人機的組裝應用研究任務，能夠提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。在現(xiàn)階段，無人機應用范圍比較廣泛，在管線巡檢、森林防火、航拍、農(nóng)業(yè)植保、公共安全、緊急救援、物流等領域都有較為廣泛的應用。應用無人機進行植保作業(yè)時，植保無人機能夠達到低空、低量噴灑農(nóng)藥的效果，高效地進行農(nóng)藥噴灑作業(yè)，相對于人工噴藥作業(yè)可以大幅度提高作業(yè)面積和效率。無人機操控手通過控制植保無人機進行噴灑作業(yè)，能夠有效減少和降低農(nóng)戶接觸農(nóng)藥的時間，保障農(nóng)戶的身體健康。并且在使用過程中，地形的高低起伏和地貌情形對無人機作業(yè)影響不大，只要將無人機飛行的高度和飛行距離控制在可控的范圍內，就可以通過無人機操控手遙控操作無人機按照預先設定好的作業(yè)路線進行飛行噴灑作業(yè)，提高作業(yè)效率，減少了人工作業(yè)量。

無人機還可以應用在森林火災預防方面的訓練，學生借助無人機虛擬仿真系統(tǒng)軟件的地形地貌生成功能，在軟件中建立森林場景，設計無人機巡檢路徑，讓無人機對森林進行自動化巡檢，將監(jiān)測畫面和視頻回傳到地面站，完成森林火災預防巡檢任務。在模擬訓練的過程中，學生需要完成建模、路線規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理等任務，能提高學生的創(chuàng)新能力。

理工專業(yè)對創(chuàng)業(yè)方面的教育較為缺乏，學生即使有較好的創(chuàng)意，但缺少創(chuàng)業(yè)知識和平臺，學生的創(chuàng)業(yè)意識不足，通過無人機應用實踐方面的研究工作，能了解到無人機組裝、調試、應用的過程中存在創(chuàng)業(yè)的可能性，進而通過自身的努力，發(fā)現(xiàn)無人機在組裝、應用過程中的問題，通過討論利用技術手段解決問題，進而對無人機的應用范圍進行擴展，如電力管線無人機巡檢、無人機編隊飛行、航拍、石油管線選件等飛行任務的實現(xiàn)(圖5)[11-13]。

圖5 無人機在電力巡檢和石油管線巡檢方面的應用

4 結論

本文通過無人機的組裝、調試、試飛等工作的研究，發(fā)現(xiàn)無人機在農(nóng)業(yè)航空植保、電力巡檢等方面的應用越來越廣泛。學生通過無人機組裝應用方面的訓練研究，了解到關于無人機應用方面的知識，通過無人機操控訓練，掌握無人機飛行操控技能，學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力得到了鍛煉和提高。