農(nóng)林植保無人機(jī)的組成及常見故障檢修**

王 濤

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000）

近年來，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，旋翼無人機(jī)因其性能穩(wěn)定、攜帶方便等諸多特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑、播種[1-2]。因此，無人機(jī)日常保養(yǎng)維護(hù)和維修成為無人機(jī)從業(yè)人員及無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)學(xué)生需要掌握的必備技能[3-5]。筆者分別從電源、分電板、電調(diào)、電機(jī)、飛行控制器等無人機(jī)組成部件入手，詳細(xì)分析各部件的特點(diǎn)及工作原理，以及常見故障的維修。

1 電源及日常維護(hù)

農(nóng)林植保大都使用的是旋翼無人機(jī)[6]，通常使用鋰電池作為整機(jī)的電源，鋰電池應(yīng)根據(jù)整機(jī)重量，選取3～6芯（專業(yè)術(shù)語是3S～6S）。單芯電池的標(biāo)稱電壓值為3.7 V，最高電壓為4.2 V，以4S為例，可提供的最大值為4×4.2 V=16.8 V。鋰電池的充電都是采用專門的充電設(shè)備，需要注意的是鋰電池在日常維護(hù)過程中，需要讓其電壓維持在3.8 V左右最佳，也就是說當(dāng)電池長期不使用時(shí)，應(yīng)該將其充電或放電到這個(gè)電壓值，不能太高也不能太低，而且原則上兩個(gè)月之內(nèi)一定要充放電1次，不然電池的壽命將大大降低。這是很多無人機(jī)使用人員容易忽視的問題。

電池常見的故障有過充、過放和單芯損壞。電池鼓包的話意味著過充或存儲(chǔ)電壓長期過高，過放的電池只要用平衡充充電一般都能夠激活，一般選擇0.5 A左右的小電流緩慢充電，然后到達(dá)3.7 V左右再換1.0 A電流或較大電流，具體要看電池銘牌上標(biāo)注的充電倍數(shù)。如果過放的電池電壓監(jiān)測不到，有時(shí)也會(huì)將一塊好的電池和這個(gè)過放的電池同時(shí)接到平衡充并聯(lián)的充電接口上，同樣可以起到修復(fù)的作用。由于大多數(shù)企業(yè)和公司配套提供的電池充電器都為并聯(lián)型充電器，其電池管理及充電性能雖然較好，但是當(dāng)單片電池的電壓降低到2 V及以下時(shí)，其默認(rèn)的設(shè)置是根本不檢測也不對(duì)該芯電池充電。在這種情況下，可使用串聯(lián)型平衡充，如iMAX-B6，在設(shè)置成單芯充電模式后，對(duì)其充電3 min左右，即可激活該電池，使其電壓恢復(fù)到3.6 V左右，之后采用原有并聯(lián)型充電器對(duì)整個(gè)鋰電池充電即可。如非必要，原則上盡量不要用穩(wěn)壓電源直接對(duì)充，切記，用一塊好的電池去對(duì)充一塊過放的電池原則上是不允許的[7-8]。

2 分電板的常見故障及維修

目前，旋翼無人機(jī)的分電板主要有兩種。一種是單純的分電功能，即將輸入的電源信號(hào)以并聯(lián)的形式直接分配出多路，不包括電源管理、電壓電流監(jiān)測功能；另一種是帶電壓電流檢測功能的分壓電板，可以將鋰電池的電壓分配給各個(gè)支路的同時(shí)，也將電壓電流信號(hào)傳輸給飛行控制器，供飛控監(jiān)測，這類模塊也被稱為電源管理模塊。

分電板故障的原因多半是短路導(dǎo)致的分電板擊穿問題。一般將短路原因處理后，找到擊穿點(diǎn)加以修復(fù)就好。如果在擊穿點(diǎn)修復(fù)好后，還是出現(xiàn)故障，則要對(duì)分電板進(jìn)行斷電或帶電檢測，檢測的依據(jù)就是分電板上的芯片組。常用的分電板通常包括一塊電流檢測芯片，如INA169和1片DC-DC降壓芯片MP4560， INA169在分電板中的功能是用于檢測電源電流大小并將其傳遞給飛控Power接口的電流接線端，其外圍電路簡單，部件少，壞的可能性不大。MP4560芯片5 V輸出的典型應(yīng)用原理圖如圖1所示。

圖1 MP4560芯片5 V輸出的典型應(yīng)用原理圖

通過原理圖和分電板實(shí)物或PCB板對(duì)比，不難看出兩者的一致性，有了這個(gè)作為參考，在進(jìn)行故障點(diǎn)檢測時(shí)，將會(huì)輕松很多，如果Vin無電壓輸入，則先測量分電板給輸入輸出口電壓是否正常；如VIN正常，VOUT無輸出，則斷電情況下，用萬用表測量各引外圍器件有無損壞即可。

需要注意的是，在路測量時(shí)電阻的阻值一般比標(biāo)稱值要小。而對(duì)于電容的檢測一般是先觀察元件表面是否有異樣，如有異樣再取下檢測。容量1UF以上的電容可以用指針萬用表歐姆檔檢測其好壞，容量太低則無法看到指針偏轉(zhuǎn)，需要用數(shù)字萬用表電容檔進(jìn)行測量。

鋰電池通常通過配上成對(duì)的T插或XT公母頭和分電板連接。分電板的作用則是將電池提供的電源分為多路分別給各個(gè)電調(diào)供電，并且在電流承受能力和分壓穩(wěn)定性方面都有一定的要求。在進(jìn)行分電板的焊接過程中，有兩個(gè)地方需要注意，一是正負(fù)極不能焊反；二是焊在分電板上的裸露銅線不宜太長。另外需要注意的是由于很多無人機(jī)的支架都采用碳纖板，不宜使分電板直接和碳纖板接觸，以免發(fā)生短路。為了維修和調(diào)試方便，電調(diào)和分電板以及電機(jī)和電調(diào)的連接，中間通常都是通過導(dǎo)線加香蕉頭的形式連接的。需要特別注意的是，只要是有金屬接頭的地方，都應(yīng)該加上熱縮管，并且要讓熱縮管完全包裹住裸露在外的金屬部分[9-10]。如在無人機(jī)通電測試過程中，出現(xiàn)電機(jī)冒煙，或單一電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，請(qǐng)立即斷電，檢查上述問題。

3 遙控器和接收機(jī)概述

不同的遙控器在調(diào)制方式、頻段和模式上都不同，常用的調(diào)制方式有FHSS、GFSK、QPSK等，所以通常成對(duì)購買同一品牌的遙控器和接收機(jī)。如果后期某一設(shè)備徹底損壞，則要根據(jù)上述提到的兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行更換或配對(duì)。在進(jìn)行遙控器和接收機(jī)的調(diào)試工作前，首要完成的任務(wù)就是對(duì)頻，不同遙控器的對(duì)頻方式都大同小異，一般都是供電后按住接收機(jī)上的一個(gè)按鈕3 s左右，然后再把發(fā)射機(jī)（遙控器）的電源打開，所不同的是，有的發(fā)射機(jī)在開機(jī)的同時(shí)要按一個(gè)印有bind key字樣的對(duì)頻按鈕，有的接收機(jī)在對(duì)頻的時(shí)候要在其POWER通道加上一個(gè)對(duì)頻導(dǎo)線。除此以外，還需要打開遙控器，完成一下飛行模型的設(shè)置和選擇，選擇安裝的多旋翼模型即可，至于其他方向舵、油門舵的設(shè)置都可以在后續(xù)慢慢研究和調(diào)整。

4 電調(diào)及常見故障維修

電調(diào)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。它接收來自飛控發(fā)出的指令信號(hào)，繼而針對(duì)性地調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電調(diào)主要由單片機(jī)主控電路、驅(qū)動(dòng)電路及場效應(yīng)管橋組成。驅(qū)動(dòng)電路和對(duì)應(yīng)的場效應(yīng)管橋臂一般有3條支路，其中的一條如圖2所示。圖中的IR2301為高壓高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，其輸入端為HIN和LIN，和單片機(jī)連接，接收單片機(jī)的控制指令，HO和LO是對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸出端，用于控制后面兩個(gè)N溝道場效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止，后面的場效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)，TOLOAD端用于連接無刷直流電機(jī)的一根相線。如圖2所示的3條這樣的支路分別與電機(jī)的三根相線連接，通過控制6個(gè)MOSFET管的導(dǎo)通和截止情況，來確定電機(jī)的哪一組或幾組線圈得電，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

圖2 電調(diào)驅(qū)動(dòng)電路

電調(diào)如果出現(xiàn)故障，多半是后面的場效應(yīng)管的單個(gè)或一組燒壞（擊穿或短路），也有IR2301驅(qū)動(dòng)損壞的情況，可通過外觀觀察或使用萬用表歐姆檔進(jìn)行簡單的測量即可確定，之后進(jìn)行相應(yīng)的更換就行。由于電調(diào)的集成度較高，場效應(yīng)管為貼片式，體積很小，所以在更換時(shí)注意控制好熱風(fēng)槍的距離和溫度，并建議采用低溫錫。當(dāng)無人機(jī)的某個(gè)單臂的無刷直流電機(jī)無法運(yùn)行時(shí)，為了驗(yàn)證是電機(jī)還是電調(diào)的故障，有時(shí)候也會(huì)在斷開電機(jī)的情況下，直接用萬用表的電阻檔去測量電調(diào)的三個(gè)輸出接線端子，會(huì)發(fā)現(xiàn)任意兩個(gè)接線端的輸出電阻相等，并基本在20K左右（不同電調(diào)有偏差），通過該方法也可初步地判斷是電調(diào)還是電機(jī)故障。

5 無刷直流電機(jī)及其維修

旋翼無人機(jī)一般為鋰電池驅(qū)動(dòng)，普遍使用直流無刷電機(jī)作為動(dòng)力源，其輸入信號(hào)是直流，工作在交流狀態(tài)。電機(jī)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種，植保旋翼型無人機(jī)上采用外轉(zhuǎn)子電機(jī)居多。

電機(jī)出現(xiàn)故障多半是線圈繞組損壞居多，由于直接更換整個(gè)電機(jī)，費(fèi)用較高，通常都是通過拆卸電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行重新繞線的方式來維修。如果單純地進(jìn)行原有電機(jī)的修復(fù)而非改裝的情況下，只要用游標(biāo)卡尺對(duì)原始電機(jī)的繞組線徑進(jìn)行精準(zhǔn)測量，并記錄好原始電機(jī)股數(shù)和匝數(shù)即可。如果能選購?fù)N材質(zhì)同等粗細(xì)的漆包線來維修，將會(huì)簡單許多。在沒有相同粗細(xì)的漆包線的情況下，則需要經(jīng)過一定的計(jì)算進(jìn)行替換，相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算公式如下：

上式中，X1表示原始電機(jī)的股數(shù)、T1表示原始電機(jī)的匝數(shù)，X2、T2則分別為替換后的電機(jī)的股數(shù)。從上式可以看出，等式的兩邊實(shí)際上是更換前后的繞線的等效橫截面積。需要注意的是，如果要保證原有的KV值不變，那么一般要求匝數(shù)不變（T1=T2），通過調(diào)節(jié)股數(shù)，讓等式兩邊相等來實(shí)現(xiàn)。需要注意的是在線徑不變的情況下，減少線圈的匝數(shù)，對(duì)應(yīng)的增加線圈的股數(shù)，將使得電機(jī)的KV值增加，反之電機(jī)的KV值減小。

在進(jìn)行電機(jī)繞線時(shí)，需要確定對(duì)待維修電機(jī)的相線接法，是三角形還是星型（Y）接法。在拆卸原電機(jī)繞組的時(shí)候可以觀察各相線是頭尾依次相接，還是尾巴接一起。

6 無人機(jī)的飛控

無人機(jī)飛控是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的簡稱，可以簡單地看作是由單片機(jī)和多個(gè)傳感器模塊組成。傳感器包括負(fù)責(zé)檢測無人機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的陀螺儀、負(fù)責(zé)測量大地磁場建立航向的羅盤磁力計(jì)、負(fù)責(zé)間接測量飛行器高度的氣壓計(jì)。最簡單的飛控可以用51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通常用于玩具型航模飛機(jī)，在運(yùn)算速度和能力、存儲(chǔ)空間方面都顯得相對(duì)弱一些。基于AVR單片機(jī)的Arduino開源平臺(tái)的出現(xiàn)，為成熟飛控的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。業(yè)界所熟悉的APM飛控就是基于此平臺(tái)開發(fā)出來的，通過外接GPS模塊，再配上地面站系統(tǒng)，可以較好地實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃和自動(dòng)返航。但是由于其上的單片機(jī)仍然是8位的，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。基于STM32系列的32位單片機(jī)（ARM）憑借其強(qiáng)大的存儲(chǔ)空間、運(yùn)算速度和綜合性能被應(yīng)用于高性能的飛控開發(fā)，目前，業(yè)界比較成熟的開源飛控PX4/PIXHAWK則是基于該單片機(jī)作為主控制芯片開發(fā)而來的。

農(nóng)林植保類無人機(jī)更多的是使用商業(yè)飛控，其集成度相對(duì)較高，一旦損壞，其維修的技術(shù)需求較高，一般整體更換。值得一提的是，現(xiàn)在出現(xiàn)了“極飛”“大疆創(chuàng)新”公司生產(chǎn)的將飛控、分電板、電調(diào)等全部部件集成在一塊板子上的情況，其更換成本將是極高的，這一類設(shè)備一旦過了保修期的話，在判斷電路板沒有折斷的情況下可以進(jìn)行檢修，一般接口松動(dòng)、芯片松動(dòng)的情況下都可以通過手動(dòng)加焊進(jìn)行修復(fù)。這類飛控板上有很多黃色的鍍銅小圓點(diǎn)，這些點(diǎn)是一些關(guān)鍵的測試點(diǎn)，需要維修人員好好利用。

7 結(jié)語

通過對(duì)農(nóng)林植保無人機(jī)各組件作用及其常見故障的分析，重點(diǎn)對(duì)無人機(jī)的電機(jī)、電調(diào)維修進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)式的探討和分析，加深無人機(jī)操控人員及相關(guān)專業(yè)人員對(duì)無人機(jī)的了解。