植保無(wú)人機(jī)組裝應(yīng)用實(shí)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(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.大慶市建設(shè)中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

>現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越得到關(guān)注[1]。植保無(wú)人機(jī)操控簡(jiǎn)單，且作業(yè)效率高，進(jìn)行植保作業(yè)時(shí)安全可靠[2]。在作業(yè)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)操控者距離噴灑農(nóng)藥有一定距離，對(duì)無(wú)人機(jī)操控者的健康影響較小[3]。現(xiàn)階段，農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在市場(chǎng)中主要以成品為主，本文研究利用無(wú)人機(jī)配件組裝實(shí)現(xiàn)植保功能的四旋翼無(wú)人機(jī)，并對(duì)組裝后的無(wú)人機(jī)進(jìn)行調(diào)試、安裝，實(shí)際應(yīng)用的情況和經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的應(yīng)用效果基本一致。

1 農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)組裝

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

組成植保無(wú)人機(jī)的實(shí)驗(yàn)材料主要有主控芯片、加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓高度傳感器、GPS模塊、無(wú)線通信模塊、電子調(diào)速器和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等[4]。主要實(shí)驗(yàn)材料如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)部分實(shí)驗(yàn)材料

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 無(wú)人機(jī)組裝

在保證不存在虛焊且焊接點(diǎn)美觀大方的前提下，將電調(diào)和電源模塊電源線焊接在分電板上，待焊接完成后，用萬(wàn)用表測(cè)試焊點(diǎn)中是否存在短路或者斷路的情況，防止發(fā)生電路故障；在組裝無(wú)人機(jī)的機(jī)架、電池架和腳架的過(guò)程中，用螺絲固定擰緊[5]。

在無(wú)人機(jī)臂的末端安裝電機(jī)架之后安裝電機(jī)。采取從右前方電機(jī)開始逆時(shí)針的順序安裝電機(jī)，四個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向依次為逆時(shí)針、順時(shí)針、逆時(shí)針、順時(shí)針。安裝好電機(jī)后，將電機(jī)與電調(diào)連接，如果電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與規(guī)定的方向相反，則交換電調(diào)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(cè)安裝接收機(jī)，另一側(cè)安裝GPS。無(wú)人機(jī)組裝準(zhǔn)備材料如圖2所示，待初步組裝完成后，完成外掛植保設(shè)備的安裝。

圖2 無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)材料整理

1.2.2 無(wú)人機(jī)組裝后軟件調(diào)試

對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行校準(zhǔn)，軟件校準(zhǔn)主要包括飛控校準(zhǔn)、GPS羅盤校準(zhǔn)、加速器校準(zhǔn)/羅盤校準(zhǔn)、無(wú)人機(jī)遙控器校準(zhǔn)等。對(duì)以上軟件校準(zhǔn)的目的是使組裝后的各個(gè)實(shí)驗(yàn)器材能夠協(xié)調(diào)地工作。對(duì)遙控器校準(zhǔn)可采取如下方式：在無(wú)人機(jī)遙控器上撥動(dòng)遙控器下方的通道，撥動(dòng)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(zhǔn)后，在軟件中打開飛行模式，分別按照選項(xiàng)選擇穩(wěn)定模式、自穩(wěn)模式、定高模式、定點(diǎn)模式，設(shè)置校準(zhǔn)完成后備用[7-8]。對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行整體調(diào)試后試飛，無(wú)人機(jī)初步組裝完成如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)初步組裝完成

2 無(wú)人機(jī)組裝實(shí)訓(xùn)

2.1 實(shí)訓(xùn)前準(zhǔn)備

植保無(wú)人機(jī)在組裝過(guò)程中，學(xué)生應(yīng)該掌握關(guān)于無(wú)人機(jī)以下部分知識(shí)。首先是無(wú)人機(jī)總體的結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)了解無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)及安裝與調(diào)試，進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)飛行有一定的操控能力；其次，應(yīng)了解無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中涉及到的相關(guān)政策與法規(guī)，了解天氣、空域等其他情況對(duì)無(wú)人機(jī)作業(yè)的飛行限制；最后，應(yīng)掌握無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題及解決問(wèn)題的方式方法。農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行作業(yè)任務(wù)時(shí)具有一定危險(xiǎn)性，尤其是直徑較大的、掛有外載設(shè)備的多旋翼無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)使用可以借鑒廣東省公安廳發(fā)出的《關(guān)于加強(qiáng)無(wú)人機(jī)等“低慢小”航空器安全管理的通告》等相關(guān)政策法規(guī)，做到守法、安全飛行的目的。同時(shí)引導(dǎo)無(wú)人機(jī)操控者重視法律法規(guī)的學(xué)習(xí)，因?yàn)樽袷胤煞ㄒ?guī)是安全操控?zé)o人機(jī)飛行的保證[9-10]。

2.2 實(shí)訓(xùn)的方式

2.2.1 利用飛行模擬器訓(xùn)練無(wú)人機(jī)的基本操控

無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)過(guò)程中具有一定危險(xiǎn)性，初學(xué)者在沒有指導(dǎo)的情況下直接操控?zé)o人機(jī)，易造成無(wú)人機(jī)設(shè)備損壞，還可能出現(xiàn)安全事故。為了減少該種情況的發(fā)生，可以通過(guò)練習(xí)飛行模擬器的方式，讓初學(xué)者掌握在不同風(fēng)力環(huán)境下，模擬器中無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的控制。通過(guò)利用模擬器練習(xí)，能夠使初學(xué)者掌握搖控器操控桿的使用方法，并熟練運(yùn)用搖控器控制無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，同時(shí)訓(xùn)練學(xué)生的方向感，為以后的安全飛行打下基礎(chǔ)。

2.2.2 學(xué)生利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行訓(xùn)練

利用飛行模擬訓(xùn)練器能夠?qū)崿F(xiàn)比較容易地對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)起飛和降落的操作，以及能在各種飛行模擬訓(xùn)練中多種工況下實(shí)現(xiàn)自主懸停，指定路線和指定任務(wù)進(jìn)行飛行的情況下，可利用真機(jī)進(jìn)行初期飛行訓(xùn)練(圖4)。真機(jī)在進(jìn)行飛行訓(xùn)練過(guò)程中，要應(yīng)對(duì)各種可能出現(xiàn)的飛行工況和空域限制，具備一定的困難性和復(fù)雜性，經(jīng)過(guò)模擬機(jī)的訓(xùn)練，再次進(jìn)行真機(jī)訓(xùn)練的效果會(huì)好很多。

圖4 植保無(wú)人機(jī)飛行

3 無(wú)人機(jī)組裝訓(xùn)練效果分析

3.1 提高實(shí)踐動(dòng)手能力

學(xué)生通過(guò)從設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的機(jī)型、機(jī)翼到機(jī)電設(shè)備、控制設(shè)備及外載設(shè)備之間的設(shè)備兼容性問(wèn)題，利用提出問(wèn)題，討論問(wèn)題，最后解決問(wèn)題。學(xué)生還應(yīng)做好組裝無(wú)人機(jī)所需材料的前期準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)組裝順序，調(diào)試設(shè)備之間的配合，最后組裝完成。通過(guò)組裝訓(xùn)練，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得到了很大提高，學(xué)生學(xué)會(huì)了如何思考問(wèn)題和解決問(wèn)題，提高了實(shí)踐操作能力。

3.2 掌握無(wú)人機(jī)飛行操控技能

為了調(diào)試組裝完成后的無(wú)人機(jī)，需要做相關(guān)知識(shí)的儲(chǔ)備，如關(guān)于無(wú)人機(jī)的飛行原理、空氣動(dòng)力學(xué)、無(wú)人機(jī)飛行法規(guī)等知識(shí)。學(xué)生需對(duì)無(wú)人機(jī)相關(guān)知識(shí)充分了解，以應(yīng)對(duì)試飛過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。在試飛過(guò)程中，首先通過(guò)飛行模擬器的飛行訓(xùn)練，再到實(shí)際飛行操控?zé)o人機(jī)，最后帶著飛行任務(wù)進(jìn)行飛行作業(yè)的過(guò)程中，學(xué)生逐漸掌握無(wú)人機(jī)的飛行操控技能，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行性能的了解更加深入。

3.3 提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

利用植保無(wú)人機(jī)的組裝應(yīng)用研究任務(wù)，能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。在現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)應(yīng)用范圍比較廣泛，在管線巡檢、森林防火、航拍、農(nóng)業(yè)植保、公共安全、緊急救援、物流等領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)時(shí)，植保無(wú)人機(jī)能夠達(dá)到低空、低量噴灑農(nóng)藥的效果，高效地進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)，相對(duì)于人工噴藥作業(yè)可以大幅度提高作業(yè)面積和效率。無(wú)人機(jī)操控手通過(guò)控制植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴灑作業(yè)，能夠有效減少和降低農(nóng)戶接觸農(nóng)藥的時(shí)間，保障農(nóng)戶的身體健康。并且在使用過(guò)程中，地形的高低起伏和地貌情形對(duì)無(wú)人機(jī)作業(yè)影響不大，只要將無(wú)人機(jī)飛行的高度和飛行距離控制在可控的范圍內(nèi)，就可以通過(guò)無(wú)人機(jī)操控手遙控操作無(wú)人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的作業(yè)路線進(jìn)行飛行噴灑作業(yè)，提高作業(yè)效率，減少了人工作業(yè)量。

無(wú)人機(jī)還可以應(yīng)用在森林火災(zāi)預(yù)防方面的訓(xùn)練，學(xué)生借助無(wú)人機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)軟件的地形地貌生成功能，在軟件中建立森林場(chǎng)景，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)巡檢路徑，讓無(wú)人機(jī)對(duì)森林進(jìn)行自動(dòng)化巡檢，將監(jiān)測(cè)畫面和視頻回傳到地面站，完成森林火災(zāi)預(yù)防巡檢任務(wù)。在模擬訓(xùn)練的過(guò)程中，學(xué)生需要完成建模、路線規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

理工專業(yè)對(duì)創(chuàng)業(yè)方面的教育較為缺乏，學(xué)生即使有較好的創(chuàng)意，但缺少創(chuàng)業(yè)知識(shí)和平臺(tái)，學(xué)生的創(chuàng)業(yè)意識(shí)不足，通過(guò)無(wú)人機(jī)應(yīng)用實(shí)踐方面的研究工作，能了解到無(wú)人機(jī)組裝、調(diào)試、應(yīng)用的過(guò)程中存在創(chuàng)業(yè)的可能性，進(jìn)而通過(guò)自身的努力，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在組裝、應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，通過(guò)討論利用技術(shù)手段解決問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)行擴(kuò)展，如電力管線無(wú)人機(jī)巡檢、無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行、航拍、石油管線選件等飛行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)(圖5)[11-13]。

圖5 無(wú)人機(jī)在電力巡檢和石油管線巡檢方面的應(yīng)用

4 結(jié)論

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)的組裝、調(diào)試、試飛等工作的研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)航空植保、電力巡檢等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。學(xué)生通過(guò)無(wú)人機(jī)組裝應(yīng)用方面的訓(xùn)練研究，了解到關(guān)于無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面的知識(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)操控訓(xùn)練，掌握無(wú)人機(jī)飛行操控技能，學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力得到了鍛煉和提高。