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

0 引言

>現代科技的迅猛發展，無人機在各個行業中的應用越來越得到關注[1]。植保無人機操控簡單，且作業效率高，進行植保作業時安全可靠[2]。在作業過程中，無人機操控者距離噴灑農藥有一定距離，對無人機操控者的健康影響較小[3]。現階段，農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過訓練后的應用效果基本一致。

1 農用植保無人機組裝

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定模式、自穩模式、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，了解天氣、空域等其他情況對無人機作業的飛行限制；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。農用植保無人機在執行飛行作業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，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的學習，因為遵守法律法規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，還可能出現安全事故。為了減少該種情況的發生，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境下，模擬器中無人機飛行姿態的控制。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，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比較容易地對無人機進行平穩起飛和降落的操作，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的飛行工況和空域限制，具備一定的困難性和復雜性，經過模擬機的訓練，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 提高學生的創新創業能力

利用植保無人機的組裝應用研究任務，能夠提高學生的創新創業能力。在現階段，無人機應用范圍比較廣泛，在管線巡檢、森林防火、航拍、農業植保、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時，植保無人機能夠達到低空、低量噴灑農藥的效果，高效地進行農藥噴灑作業，相對于人工噴藥作業可以大幅度提高作業面積和效率。無人機操控手通過控制植保無人機進行噴灑作業，能夠有效減少和降低農戶接觸農藥的時間，保障農戶的身體健康。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路線進行飛行噴灑作業，提高作業效率，減少了人工作業量。

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、路線規劃和數據處理等任務，能提高學生的創新能力。

理工專業對創業方面的教育較為缺乏，學生即使有較好的創意，但缺少創業知識和平臺，學生的創業意識不足，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業的可能性，進而通過自身的努力，發現無人機在組裝、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(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，發現無人機在農業航空植保、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，學生的創新創業能力得到了鍛煉和提高。