基于四旋翼无人机的组装与调试研究

2019-08-26黄芳艳刘永福林镇滔胡嘉就陈德朝

科技与创新 2019年16期

黄芳艳，刘永福，林镇滔，胡嘉就，陈德朝

基于四旋翼无人机的组装与调试研究

黄芳艳，刘永福，林镇滔，胡嘉就，陈德朝

（广东开放大学，广东广州 510091；广东理工职业学院，广东广州 510091）

首先介绍了四旋翼无人机的结构和组成，然后详细研究了它的组装和调试，最后分析组装调试中遇到的一些问题。关于四旋翼无人机的组装，可在焊接组装部件前先查看测试部件，构想实物模型，接着调试飞控的部分功能，这样利于减少后续组装的拆卸次数，提高组装效率。组装的无人机使用Pixhawk飞控，在Mission Planner软件中进行调试。其他类型的多旋翼无人机的组装与调试可以类比四旋翼，对多旋翼无人机的组装与调试具有一定的指导意义。

四旋翼无人机；Pixhawk飞控；组装；调试

四旋翼无人机是一种典型的多旋翼无人机，结构简单，体积较小，飞行平稳[1]，广泛应用于影视航拍、电力巡线、航空测绘、农林植保等领域，具有极其重要的研究价值。本文以四旋翼无人机为例，研究多旋翼无人机的组装和调试。在组装无人机之前，首先得了解无人机的结构组成以及各个部件的功能。

1 四旋翼无人机的结构和组成

一架典型的四旋翼无人机由机架、脚架、电机、电调、螺旋桨、电池、遥控器和飞行控制器等组成。机架是无人机的机械框架，用于承载放置其上的其他部件。脚架在无人机降落到地面时起到一定的缓冲作用。电机是无人机的动力部件，带动螺旋桨转动产生升力，而电调用来驱动并控制电机的转速。电池是无人机的动力源，而遥控器用来实现远程操控。飞行控制器是无人机的核心，一般由主控MCU、姿态传感器组、无线通信模块和电源模块等组成[2]。

2 四旋翼无人机的组装

根据无人机的结构和组成，将无人机的各个部件组成一个统一的整体，组装过程分为如下几步。

2.1 查看、测试部件，构想实物图

打开多旋翼无人机实训箱，查看箱中的部件是否齐全，然后检查各个部件有无损坏。有些损坏的部件，如桨叶、机架、脚架等，能够直接被发现。对于表面无异常的部件，需要使用检测工具和检测方法，例如，测试电调的好坏，可以使用万用表的蜂鸣器档，如果发出响声，则说明正常，否则损坏。要测试电机的好坏，可以将电机连接到正常的无人机电调上，接通电源，如果电机运转，则说明正常，否则损坏。最后构想无人机的实物图，如部件摆放位置、部件固定方式、部件之间连接等，减少后续组装的拆卸次数，提高组装效率。

2.2 调试飞控的部分功能

Pixhawk飞控的部分功能，如加速器计校准和指南针校准，不需要安装在机架上也能完成。此外，如果飞控安装在机架上，那么在旋转校准过程中，容易出现各种线缠绕在一起的问题。打开Mission Planner软件，将Pixhawk飞控连接到电脑，点击菜单“初始设置”，依次选择“必要硬件”下的“加速度计校准”“指南针”，按照操作提示完成校准。

2.3 焊接电调、电源

将电调电源线和电源模块电源线焊接在分电板上，要求不能存在虚焊，且外观尽量完美。焊接完成后，用万用表测试焊点是否存在短路或者断路的情况。

2.4 组装机架、电池架、脚架

在机架下板上固定电池支撑架和脚架，而GPS支撑架和飞控缓冲板安装在机架上板上，然后在上下板之间固定机臂，用螺丝拧紧。

2.5 安装电机，连接电调

在机臂的末端安装电机架，然后安装电机。从右前方电机开始，按照逆时针方向，电机旋转方向依次为逆时针、顺时针、逆时针和顺时针。电机表面如果没有标明旋转方向，可以通过如下两种方法判断：①扭转电机上面的桨帽。如果顺时针能将桨帽拧紧，说明电机顺指针旋转，否则逆时针。②看桨叶上面的图标。如果图标是顺时针上锁、逆时针解锁，则安装此桨叶的电机顺时针旋转，否则逆时针。安装好电机后，将电机与电调连接起来，如果电机的旋转方向与规定的方向相反，则交换电调中任意两根线。

2.6 安装飞控、接收机、GPS

在飞控的四角粘上双面胶，固定于飞控缓冲板上，箭头方向指向机头方向。在飞控的一侧安装接收机，另一侧安装GPS。接收机的PPM端连接到飞控的RC IN端，GPS的引线接在飞控GPS端口和CAN端口，电源信号线接在飞控POWER端口。飞控SWITCH端口和BUZZER端口分别外接安全开关和蜂鸣器。到此，无人机组装完成，如图1所示。

图1 组装完成的无人机

3 四旋翼无人机的调试

无人机组装完成后，接通电源进行调试。无人机的调试包括安装固件、机架选型、遥控器校准、电调校准、电机测试、飞行模式、调节PID参数等。调试过程中，一定不能安装桨叶，以免无人机起飞造成不必要的损失。

3.1 安装固件，机架选型

打开Mission Planner软件，点击菜单“初始设置”，选择“安装固件”，在右侧选择与组装无人机相应的类型进行安装升级。此步操作是在飞控没有连接到电脑的情况下完成的。接着，点击Mission Planner软件“必要硬件”栏下面的“机架类型”，选择相应机架类型。

3.2 遥控器校准

首先遥控器与接收机进行对码。将对码线连接在接收机的B/VCC通道处，按住遥控器左下角的黑色对码按钮不放，按下POWER键，出现连接成功的提示。然后设置遥控器。长按遥控器的OK按钮，进入系统界面，选择RX Setup界面，再选择PPM Output，将其设置为ON状态。最后校准遥控器。点击Mission Planner软件左侧栏“遥控器校准”，点击右侧“校准遥控”，将遥控器的摇杆按逆时针方向从最远处开始旋转几圈，得到摇杆的最大值和最小值。校准结束后，点击完成按钮。

3.3 电调校准

将电调的输出端依次接在飞控main out的1~4端，从上到下为负极、正极、信号线，然后进行校准。首先，关闭遥控器并断开无人机电源，打开遥控器，将油门调到最大，然后接通无人机电源，听到提示音后断开。接着再次接通无人机电源，等到提示音结束，长按安全开关直至灯光为蓝色常亮，将油门调到最低，出现与电池数量相等次数的提示音。最后断开无人机电源，完成校准。

3.4 测试电机

电机测试，是为了检测电机是否按照规定的方向旋转，可以采取以下两种方法：①接通无人机电源，解锁遥控器，调整油门，用手触摸电机，感觉其是否按照规定的方向旋转；②点击Mission Planner软件左侧栏“可选硬件”中的“电机测试”，根据右侧选项进行电机测试。

3.5 飞行模式

常见的飞行模式有自稳定、定高、定点、悬停、返航等。点击Mission Planner软件“配置/调试”菜单中的“飞行模式”，根据实际情况进行设置，并与遥控器上面的开关对应。

3.6 调试PID参数

完成基本的校准调试后，安装桨叶，到室外进行试飞。根据飞行的稳定性情况，在Mission Planner软件中，点击“配置/调试”菜单，选择“扩展调参”，调节遥控器各个通道的PID参数。

4 组装调试中遇到的一些问题

4.1 电机不转或电机转速慢

在室内进行无人机调试时，发现某个电机的转速比其他电机要慢甚至不转，可能是电机损坏或电调损坏。首先，检查电机的转子线圈有无损坏。仔细查看，发现安装电机的螺丝太长，抵住转子线圈，通电后，电机转不动，发热烧坏线圈。所以，安装电机时，一定要查看螺丝的长度是否适合。如果电机的转子线圈没有损坏，将不转或转速慢的电机拆下来，连接在正常电调上，通电，解锁遥控器，看电机能否正常运转。如果电机正常运转，说明电机没有问题，是电调的问题，否则是电机的问题。

4.2 电调严重发烫

无人机通电后，电机运转，某个电调冒烟。断电后，触摸电调，发现冒烟的电调比其他电调更烫一些，可能是内部短接所致。所有电调焊接完成后用万用表进行测试，这种情况是在无人机通电后产生的。仔细研究发现安装电机的螺丝过长，抵住电机转子线圈，转子不能转动，造成短路，电调发烫。

4.3 无人机飞行时出现不稳侧翻

室外飞行时，发现无人机不稳定，往某个方向倾倒，可能是因为重心不在整个机架的正中心。出现这种情况的原因有：①机臂的长度可能不一致；②接收机和GPS分别安装在飞控两侧，由于它们的重量不相等，造成重心偏移；③电调放在机架下板上的位置不一致，造成重心偏移，这时，调节遥控器各个通道的PID参数，才能使无人机飞行稳定。