基于四旋翼無人機的組裝與調試研究

黃芳艷，劉永福，林鎮(zhèn)滔，胡嘉就，陳德朝

基于四旋翼無人機的組裝與調試研究

黃芳艷，劉永福，林鎮(zhèn)滔，胡嘉就，陳德朝

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

首先介紹了四旋翼無人機的結構和組成，然后詳細研究了它的組裝和調試，最后分析組裝調試中遇到的一些問題。關于四旋翼無人機的組裝，可在焊接組裝部件前先查看測試部件，構想實物模型，接著調試飛控的部分功能，這樣利于減少后續(xù)組裝的拆卸次數，提高組裝效率。組裝的無人機使用Pixhawk飛控，在Mission Planner軟件中進行調試。其他類型的多旋翼無人機的組裝與調試可以類比四旋翼，對多旋翼無人機的組裝與調試具有一定的指導意義。

四旋翼無人機；Pixhawk飛控；組裝；調試

四旋翼無人機是一種典型的多旋翼無人機，結構簡單，體積較小，飛行平穩(wěn)[1]，廣泛應用于影視航拍、電力巡線、航空測繪、農林植保等領域，具有極其重要的研究價值。本文以四旋翼無人機為例，研究多旋翼無人機的組裝和調試。在組裝無人機之前，首先得了解無人機的結構組成以及各個部件的功能。

1 四旋翼無人機的結構和組成

一架典型的四旋翼無人機由機架、腳架、電機、電調、螺旋槳、電池、遙控器和飛行控制器等組成。機架是無人機的機械框架，用于承載放置其上的其他部件。腳架在無人機降落到地面時起到一定的緩沖作用。電機是無人機的動力部件，帶動螺旋槳轉動產生升力，而電調用來驅動并控制電機的轉速。電池是無人機的動力源，而遙控器用來實現(xiàn)遠程操控。飛行控制器是無人機的核心，一般由主控MCU、姿態(tài)傳感器組、無線通信模塊和電源模塊等組成[2]。

2 四旋翼無人機的組裝

根據無人機的結構和組成，將無人機的各個部件組成一個統(tǒng)一的整體，組裝過程分為如下幾步。

2.1 查看、測試部件，構想實物圖

打開多旋翼無人機實訓箱，查看箱中的部件是否齊全，然后檢查各個部件有無損壞。有些損壞的部件，如槳葉、機架、腳架等，能夠直接被發(fā)現(xiàn)。對于表面無異常的部件，需要使用檢測工具和檢測方法，例如，測試電調的好壞，可以使用萬用表的蜂鳴器檔，如果發(fā)出響聲，則說明正常，否則損壞。要測試電機的好壞，可以將電機連接到正常的無人機電調上，接通電源，如果電機運轉，則說明正常，否則損壞。最后構想無人機的實物圖，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，提高組裝效率。

2.2 調試飛控的部分功能

Pixhawk飛控的部分功能，如加速器計校準和指南針校準，不需要安裝在機架上也能完成。此外，如果飛控安裝在機架上，那么在旋轉校準過程中，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，點擊菜單“初始設置”，依次選擇“必要硬件”下的“加速度計校準”“指南針”，按照操作提示完成校準。

2.3 焊接電調、電源

將電調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，用萬用表測試焊點是否存在短路或者斷路的情況。

2.4 組裝機架、電池架、腳架

在機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架上板上，然后在上下板之間固定機臂，用螺絲擰緊。

2.5 安裝電機，連接電調

在機臂的末端安裝電機架，然后安裝電機。從右前方電機開始，按照逆時針方向，電機旋轉方向依次為逆時針、順時針、逆時針和順時針。電機表面如果沒有標明旋轉方向，可以通過如下兩種方法判斷：①扭轉電機上面的槳帽。如果順時針能將槳帽擰緊，說明電機順指針旋轉，否則逆時針。②看槳葉上面的圖標。如果圖標是順時針上鎖、逆時針解鎖，則安裝此槳葉的電機順時針旋轉，否則逆時針。安裝好電機后，將電機與電調連接起來，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。

2.6 安裝飛控、接收機、GPS

在飛控的四角粘上雙面膠，固定于飛控緩沖板上，箭頭方向指向機頭方向。在飛控的一側安裝接收機，另一側安裝GPS。接收機的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和蜂鳴器。到此，無人機組裝完成，如圖1所示。

圖1 組裝完成的無人機

3 四旋翼無人機的調試

無人機組裝完成后，接通電源進行調試。無人機的調試包括安裝固件、機架選型、遙控器校準、電調校準、電機測試、飛行模式、調節(jié)PID參數等。調試過程中，一定不能安裝槳葉，以免無人機起飛造成不必要的損失。

3.1 安裝固件，機架選型

打開Mission Planner軟件，點擊菜單“初始設置”，選擇“安裝固件”，在右側選擇與組裝無人機相應的類型進行安裝升級。此步操作是在飛控沒有連接到電腦的情況下完成的。接著，點擊Mission Planner軟件“必要硬件”欄下面的“機架類型”，選擇相應機架類型。

3.2 遙控器校準

首先遙控器與接收機進行對碼。將對碼線連接在接收機的B/VCC通道處，按住遙控器左下角的黑色對碼按鈕不放，按下POWER鍵，出現(xiàn)連接成功的提示。然后設置遙控器。長按遙控器的OK按鈕，進入系統(tǒng)界面，選擇RX Setup界面，再選擇PPM Output，將其設置為ON狀態(tài)。最后校準遙控器。點擊Mission Planner軟件左側欄“遙控器校準”，點擊右側“校準遙控”，將遙控器的搖桿按逆時針方向從最遠處開始旋轉幾圈，得到搖桿的最大值和最小值。校準結束后，點擊完成按鈕。

3.3 電調校準

將電調的輸出端依次接在飛控main out的1~4端，從上到下為負極、正極、信號線，然后進行校準。首先，關閉遙控器并斷開無人機電源，打開遙控器，將油門調到最大，然后接通無人機電源，聽到提示音后斷開。接著再次接通無人機電源，等到提示音結束，長按安全開關直至燈光為藍色常亮，將油門調到最低，出現(xiàn)與電池數量相等次數的提示音。最后斷開無人機電源，完成校準。

3.4 測試電機

電機測試，是為了檢測電機是否按照規(guī)定的方向旋轉，可以采取以下兩種方法：①接通無人機電源，解鎖遙控器，調整油門，用手觸摸電機，感覺其是否按照規(guī)定的方向旋轉；②點擊Mission Planner軟件左側欄“可選硬件”中的“電機測試”，根據右側選項進行電機測試。

3.5 飛行模式

常見的飛行模式有自穩(wěn)定、定高、定點、懸停、返航等。點擊Mission Planner軟件“配置/調試”菜單中的“飛行模式”，根據實際情況進行設置，并與遙控器上面的開關對應。

3.6 調試PID參數

完成基本的校準調試后，安裝槳葉，到室外進行試飛。根據飛行的穩(wěn)定性情況，在Mission Planner軟件中，點擊“配置/調試”菜單，選擇“擴展調參”，調節(jié)遙控器各個通道的PID參數。

4 組裝調試中遇到的一些問題

4.1 電機不轉或電機轉速慢

在室內進行無人機調試時，發(fā)現(xiàn)某個電機的轉速比其他電機要慢甚至不轉，可能是電機損壞或電調損壞。首先，檢查電機的轉子線圈有無損壞。仔細查看，發(fā)現(xiàn)安裝電機的螺絲太長，抵住轉子線圈，通電后，電機轉不動，發(fā)熱燒壞線圈。所以，安裝電機時，一定要查看螺絲的長度是否適合。如果電機的轉子線圈沒有損壞，將不轉或轉速慢的電機拆下來，連接在正常電調上，通電，解鎖遙控器，看電機能否正常運轉。如果電機正常運轉，說明電機沒有問題，是電調的問題，否則是電機的問題。

4.2 電調嚴重發(fā)燙

無人機通電后，電機運轉，某個電調冒煙。斷電后，觸摸電調，發(fā)現(xiàn)冒煙的電調比其他電調更燙一些，可能是內部短接所致。所有電調焊接完成后用萬用表進行測試，這種情況是在無人機通電后產生的。仔細研究發(fā)現(xiàn)安裝電機的螺絲過長，抵住電機轉子線圈，轉子不能轉動，造成短路，電調發(fā)燙。

4.3 無人機飛行時出現(xiàn)不穩(wěn)側翻

室外飛行時，發(fā)現(xiàn)無人機不穩(wěn)定，往某個方向傾倒，可能是因為重心不在整個機架的正中心。出現(xiàn)這種情況的原因有：①機臂的長度可能不一致；②接收機和GPS分別安裝在飛控兩側，由于它們的重量不相等，造成重心偏移；③電調放在機架下板上的位置不一致，造成重心偏移，這時，調節(jié)遙控器各個通道的PID參數，才能使無人機飛行穩(wěn)定。

5 小結

多旋翼無人機的組裝與調試是高職無人機應用技術專業(yè)的學生必須掌握的一項技能，是國內無人機大賽的重要組成模塊，是無人機職業(yè)證考試的必考內容。掌握好本文介紹的四旋翼無人機的組裝調試后，可以類推學會其他類型的多旋翼無人機的組裝調試。

［1］楊則允，李猛，張全.四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.科技創(chuàng)新與應用，2018（34）：105-106，109.

［2］王磊.基于CC3200的微小型四軸無人機設計與實現(xiàn)［D］.蘇州：蘇州大學，2016.

V279

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.015

2095－6835（2019）16－0038－02

黃芳艷（1987—），女，研究方向為自動控制和無人機應用技術。

〔編輯：王霞〕