基于技能大賽的物流無人機DIY設計研究

黃芳艷 劉永福 林鎮滔 胡嘉就 陳德朝

摘 要：本文首先介紹了技能大賽對高職教育的意義，然后介紹了無人機應用技術專業是新興專業，物流應用是無人機發展的新領域。在某無人機技能大賽中，增加了物流應用模塊，要求DIY無人機。本文按照物流無人機的技術要求，從無人機的組成部分機架、螺旋槳、電池、電機、電調、飛控、遙控器和接收機等方面來研究如何挑選出既符合比賽要求，又性能好且性價比高的無人機。本文對物流無人機的DIY設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：技能大賽；無人機；DIY設計；物流應用

前言

近幾年，黨中央、國務院高度重視職業教育的發展，職業教育迎來了前所未有的發展機遇。高職院校強調“工學結合”、“以就業為導向”、“重視綜合素質培養”、“強化技能”[1]。技能大賽作為職業教育改革的重要制度設計與創新，成為檢驗高職院校人才培養質量的重要標志。技能大賽緊扣市場人才需求，提倡“以賽促教、以賽促學、以賽促練、以賽促改、以賽促建”[2]，對提升學生的技術技能水平，提升教師的教學水平和專業技能，充分展示學校教育教學成果，提高學校的教學質量和辦學水平，均有重要的意義。

隨著科技的不斷發展，無人機的價格不斷降低，操作越來越人性化，應用領域日益廣泛，包括影視航拍、農林植保、電力巡線、航空測繪、安防等。近幾年，我國物流行業發展迅速，但是服務質量差、物流效率低等問題成為限制我國物流發展的瓶頸[3]。為了解決傳統投遞方式難以滿足服務需求問題，為了解決偏遠山區、交通不便農村的物流配送問題，為了減少人才、財力的投入，順豐、京東、中通等快遞物流企業紛紛布局物流無人機，物流配送成為無人機應用的新領域。

近幾年，無人機操控飛行員成為市場迫切需求的人才，國內一些高職院校開始開辦無人機應用技術專業。為了提高職業院校的教學質量和人才培養質量，國內開始舉辦無人機方面的比賽。在某無人機創新技能大賽中，包含了物流應用模塊，要求參賽選手使用DIY無人機完成貨物裝吊投遞任務。

一、物流應用無人機的技術要求

無人機從起降臺起飛，飛到裝吊區吊起貨物，穿越不同形狀的障礙物，到達投放區投遞貨物，完成所有裝吊投遞過程后回到起降臺降落，根據配送貨物的重量和時間進行計分。DIY的物流無人機必須滿足以下的技術要求：

①飛控：統一采用PIXHAWK飛控；

②飛行器機型：DIY電動4軸旋翼機，雙片槳，軸距 ≤550mm；

③飛行器重量：起飛重量不超過4kg；

④電池：不超過4S，5200mAh，40C；

⑤遙控器：遙控頻段2.4GHz；

⑥輔助處理器：飛控及遙控器上不得配置記錄并回放搖桿操控動作的功能；

⑦不能使用 GPS、超聲波等輔助傳感器，不能使用定點、定高模式，只能使用手動或自穩模式飛行。

⑧自制合適的掛鉤，不可使用電動掛鉤。

二、物流無人機DIY設計

物流無人機DIY設計包括機架、腳架、螺旋槳、電機、電調、電池、飛控、遙控器、接收機以及掛鉤等設計。

1.機架、腳架和螺旋槳的設計

機架，就是指飛行器的基本框架，是無人機的承載平臺，用來裝載電池、電機、電調、螺旋槳、飛控、各種外設等。機架的選取可以從自身重量、堅固程度、安裝元器件方便程度等方面來考慮。按照大賽要求，DIY的無人機要能承受住一定重量的貨物，且起飛重量不能超過4kg，所以機架結構強度要高且自身重量要盡可能輕。另外，機架的大小決定了螺旋槳的選取范圍，而在其他條件都相同的情況下，螺旋槳槳葉尺寸越大，產生的動力會越大，那么能夠承載的貨物重量就會越重。因此，選擇4軸碳纖維機架，機架軸距要接近550mm。

腳架是無人機與地面接觸的部位，在無人機起飛、降落的時候對機身起緩沖作用，對機載設備起保護作用，要求其結構牢固、強度高。大賽要求無人機在起降臺上進行起飛降落，如果無人機的腳架較大，那么在降落時會出現無人機不能完全落到起降臺上的情況，嚴重時導致無人機失去平衡發生墜機，而墜機會扣除相應的分數。此外，大尺寸的腳架在無人機裝吊投遞重物的時候，很容易碰倒貨籃，而碰倒的貨物不計入最后的投遞重量。因此，選擇強度高、尺寸稍微小一點的腳架。購買的機架自帶有腳架，但是腳架尺寸有點大，在實際飛行訓練中，經常出現腳架碰倒貨籃的情況。為了比賽中少出現這種問題，放棄使用自帶的腳架，使用實訓室已有的大疆F550腳架。

無人機依靠螺旋槳來產生拉力，螺旋槳的轉速高低、直徑大小，影響著拉力的大小，從而影響承載貨物的重量。根據機架的大小，選購了13寸、14寸和15寸三種型號的螺旋槳。飛行過程中，相對的槳葉靠得越近，彼此產生的干擾也就越強，從而影響無人機的飛行穩定性。經過反復的飛行測試，發現使用14寸、15寸螺旋槳的飛行效果和承重能力相差不大。因此，使用14寸、15寸螺旋槳，考慮飛行中無人機出現炸機螺旋槳容易損壞，購買了多套螺旋槳作為備用。

2.電池、電機和電調的設計

電池為無人機提供動力來源，選擇時主要參看電池容量、放電倍率等參數。電池的容量影響無人機的續航時間，而比賽中更換電池的時間會計入最后的比賽時間，所以要盡量選擇大容量的電池。電池的放電倍率影響電流的大小，影響電機的功率，從而影響無人機的載重能力，因此要盡量選擇放電倍率靠近比賽要求的40C電池。根據電池的品牌以及以往飛行電池使用經驗，最終選擇花牌4s 5200mAH 35C電池，達普4s 5200mAH 35C電池作為備用。

電機的選擇，主要參看電壓、電流、拉力、KV值、功率、效率和尺寸等參數。大賽要求電池不超過4s，而4s電池提供的電壓標壓為14.8V，所以電機的電壓選為14.8V。無人機整機重量決定了電機的拉力，電機拉力一般要大于整機重量的2.5倍，否則電機將處于高負荷運行，電機震動變大，影響無人機飛行穩定性甚至出現炸機。大賽要求整機重量小于等于4Kg，這樣每個電機的最大拉力要接近2500g。KV值越高，扭力越小，只能帶小槳，一般用在穿越機中，本文需要選擇小KV值。機架的尺寸，決定了電機的尺寸。根據以上參數和性價比，最終選擇颶風U4110 KV600電機。

電調，全稱電子調速器，用來驅動電機，調節電機的轉速。電調的選擇主要考慮持續電流、支持電池節數等參數。載重越大，電機的拉力就越大，產生的電流也就越大。如果電調的電流太小，那么在飛行過程中會極易燒壞電調。根據行業人的經驗，根據電機最大電流，預留30%來選擇電調。

3.飛控、遙控器和接收機的設計

飛控，是飛行控制系統的簡稱，用來自動保持飛機正常飛行姿態，還會影響對搖桿操作的響應。如果飛控有進行軟硬件升級，性能會提高，相應價格也會提高。大賽規定統一使用PIXHAWK飛控，飛行時只能使用手動或自穩模式，換句話說，飛控的參數不能修改，所以沒有必要選擇高配的飛控。根據品牌和以往飛行經驗，選擇性價比高的雷迅PixhackV3。

遙控器的通道數量越多，可以操作的動作也會越多，但相應價格也就越貴。大賽中要求不能配置記錄并回放遙桿操控動作的功能，只能使用手動或自穩模式，所以對遙控器的要求不高，選擇4通道遙控器就可以了。為了節約設計成本，直接選用了實訓室已有的天地飛WFLY遙控器。

遙控器與接收機對頻，發出的信號通過接收機傳給飛控，飛控調節電調，電機工作。接收機的選擇，主要參看通道數、工作電壓、工作電流等參數。遙控器的通道數決定了接收機的通道數，所以選擇通道數少的接收機就可以了。

4.掛鉤設計

在大賽中，鉤子的選擇至關重要，需要考慮鉤子的韌性、放置方式、長度和彎曲角度。

鉤子是用來裝吊重物的，因此需要選擇韌性較高的鉤子。鉤子剛性放置還是柔性放置，影響貨物載重量、裝吊投放過程。將鉤子柔性放置，在裝吊重物時比較難鉤住貨籃。反復嘗試后，確定將鉤子剛性放置。

鉤子的彎曲角度也會影響裝吊和投放。鉤子太彎，很容易鉤住重物，而且在飛行過程中重物不易脫落。但在投放時，鉤子不易抽出來，而且極易碰倒貨籃。鉤子太平，鉤住的重物在飛行過程中可能會脫落，掉落的重物重量不計入最后成績。經過反復的飛行測試，制作合適的彎曲度。

鉤子的長度要跟腳架基本持平，太長會導致無人機無法穩定落到降落臺，太短會使鉤取重物的空間變小且在鉤重物時容易碰倒貨籃。由于網上購置的鉤子長度不符合需求，用鉗子弄掉一部分，使其與腳架基本持平。然后，在鉤子上和機架上鉆孔，用螺絲螺帽將鉤子固定在機架上。

綜上，在符合技術要求的情況下，以性能最優為主。在性能相同的情況，重量輕的作為首選。根據性能、價格、品牌以及以往的飛行經驗，DIY物流無人機的配件如表1所示，實物如圖1所示。

三、結語

根據物流無人機的技術要求，DIY設計的無人機，價格適中，性能良好，在飛行過程中，姿態保持非常穩定，電池續航時間長。兩支參賽隊伍使用DIY的無人機，輕松鉤取重物，穿越障礙到達投放區進行投遞，最后穩定降落到起降臺，很好地完成比賽，在比賽中都取得優異成績。

參考文獻：

[1] 左婧文.基于“一體兩翼三融合技能競賽”模式培養高技能應用型人才的探索與實踐[J].化工管理，2018（33）：2-3.

[2] 李智海，梁斌，李銳群.淺談技能大賽對實踐教學的促進作用[J].課程教育研究，2018（45）：21.

[3] 劉曉爽.國內外貨運無人機配送借鑒[J].時代金融，2018（30）：234.

作者簡介：

黃芳艷（1987-），女（漢族），碩士，研究方向：自動控制、無人機應用技術.

劉永福（1981-），男（漢族），碩士，研究方向：通信技術、無人機應用技術.