黃芳艷 劉永福 林鎮(zhèn)滔 胡嘉就 陳德朝

摘 要：本文首先介紹了技能大賽對(duì)高職教育的意義，然后介紹了無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)是新興專業(yè)，物流應(yīng)用是無人機(jī)發(fā)展的新領(lǐng)域。在某無人機(jī)技能大賽中，增加了物流應(yīng)用模塊，要求DIY無人機(jī)。本文按照物流無人機(jī)的技術(shù)要求，從無人機(jī)的組成部分機(jī)架、螺旋槳、電池、電機(jī)、電調(diào)、飛控、遙控器和接收機(jī)等方面來研究如何挑選出既符合比賽要求，又性能好且性價(jià)比高的無人機(jī)。本文對(duì)物流無人機(jī)的DIY設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：技能大賽；無人機(jī)；DIY設(shè)計(jì)；物流應(yīng)用

前言

近幾年，黨中央、國務(wù)院高度重視職業(yè)教育的發(fā)展，職業(yè)教育迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。高職院校強(qiáng)調(diào)“工學(xué)結(jié)合”、“以就業(yè)為導(dǎo)向”、“重視綜合素質(zhì)培養(yǎng)”、“強(qiáng)化技能”[1]。技能大賽作為職業(yè)教育改革的重要制度設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，成為檢驗(yàn)高職院校人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)志。技能大賽緊扣市場(chǎng)人才需求，提倡“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促練、以賽促改、以賽促建”[2]，對(duì)提升學(xué)生的技術(shù)技能水平，提升教師的教學(xué)水平和專業(yè)技能，充分展示學(xué)校教育教學(xué)成果，提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量和辦學(xué)水平，均有重要的意義。

隨著科技的不斷發(fā)展，無人機(jī)的價(jià)格不斷降低，操作越來越人性化，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，包括影視航拍、農(nóng)林植保、電力巡線、航空測(cè)繪、安防等。近幾年，我國物流行業(yè)發(fā)展迅速，但是服務(wù)質(zhì)量差、物流效率低等問題成為限制我國物流發(fā)展的瓶頸[3]。為了解決傳統(tǒng)投遞方式難以滿足服務(wù)需求問題，為了解決偏遠(yuǎn)山區(qū)、交通不便農(nóng)村的物流配送問題，為了減少人才、財(cái)力的投入，順豐、京東、中通等快遞物流企業(yè)紛紛布局物流無人機(jī)，物流配送成為無人機(jī)應(yīng)用的新領(lǐng)域。

近幾年，無人機(jī)操控飛行員成為市場(chǎng)迫切需求的人才，國內(nèi)一些高職院校開始開辦無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)。為了提高職業(yè)院校的教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，國內(nèi)開始舉辦無人機(jī)方面的比賽。在某無人機(jī)創(chuàng)新技能大賽中，包含了物流應(yīng)用模塊，要求參賽選手使用DIY無人機(jī)完成貨物裝吊投遞任務(wù)。

一、物流應(yīng)用無人機(jī)的技術(shù)要求

無人機(jī)從起降臺(tái)起飛，飛到裝吊區(qū)吊起貨物，穿越不同形狀的障礙物，到達(dá)投放區(qū)投遞貨物，完成所有裝吊投遞過程后回到起降臺(tái)降落，根據(jù)配送貨物的重量和時(shí)間進(jìn)行計(jì)分。DIY的物流無人機(jī)必須滿足以下的技術(shù)要求：

①飛控：統(tǒng)一采用PIXHAWK飛控；

②飛行器機(jī)型：DIY電動(dòng)4軸旋翼機(jī)，雙片槳，軸距 ≤550mm；

③飛行器重量：起飛重量不超過4kg；

④電池：不超過4S，5200mAh，40C；

⑤遙控器：遙控頻段2.4GHz；

⑥輔助處理器：飛控及遙控器上不得配置記錄并回放搖桿操控動(dòng)作的功能；

⑦不能使用 GPS、超聲波等輔助傳感器，不能使用定點(diǎn)、定高模式，只能使用手動(dòng)或自穩(wěn)模式飛行。

⑧自制合適的掛鉤，不可使用電動(dòng)掛鉤。

二、物流無人機(jī)DIY設(shè)計(jì)

物流無人機(jī)DIY設(shè)計(jì)包括機(jī)架、腳架、螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)、電池、飛控、遙控器、接收機(jī)以及掛鉤等設(shè)計(jì)。

1.機(jī)架、腳架和螺旋槳的設(shè)計(jì)

機(jī)架，就是指飛行器的基本框架，是無人機(jī)的承載平臺(tái)，用來裝載電池、電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳、飛控、各種外設(shè)等。機(jī)架的選取可以從自身重量、堅(jiān)固程度、安裝元器件方便程度等方面來考慮。按照大賽要求，DIY的無人機(jī)要能承受住一定重量的貨物，且起飛重量不能超過4kg，所以機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要高且自身重量要盡可能輕。另外，機(jī)架的大小決定了螺旋槳的選取范圍，而在其他條件都相同的情況下，螺旋槳槳葉尺寸越大，產(chǎn)生的動(dòng)力會(huì)越大，那么能夠承載的貨物重量就會(huì)越重。因此，選擇4軸碳纖維機(jī)架，機(jī)架軸距要接近550mm。

腳架是無人機(jī)與地面接觸的部位，在無人機(jī)起飛、降落的時(shí)候?qū)C(jī)身起緩沖作用，對(duì)機(jī)載設(shè)備起保護(hù)作用，要求其結(jié)構(gòu)牢固、強(qiáng)度高。大賽要求無人機(jī)在起降臺(tái)上進(jìn)行起飛降落，如果無人機(jī)的腳架較大，那么在降落時(shí)會(huì)出現(xiàn)無人機(jī)不能完全落到起降臺(tái)上的情況，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致無人機(jī)失去平衡發(fā)生墜機(jī)，而墜機(jī)會(huì)扣除相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。此外，大尺寸的腳架在無人機(jī)裝吊投遞重物的時(shí)候，很容易碰倒貨籃，而碰倒的貨物不計(jì)入最后的投遞重量。因此，選擇強(qiáng)度高、尺寸稍微小一點(diǎn)的腳架。購買的機(jī)架自帶有腳架，但是腳架尺寸有點(diǎn)大，在實(shí)際飛行訓(xùn)練中，經(jīng)常出現(xiàn)腳架碰倒貨籃的情況。為了比賽中少出現(xiàn)這種問題，放棄使用自帶的腳架，使用實(shí)訓(xùn)室已有的大疆F550腳架。

無人機(jī)依靠螺旋槳來產(chǎn)生拉力，螺旋槳的轉(zhuǎn)速高低、直徑大小，影響著拉力的大小，從而影響承載貨物的重量。根據(jù)機(jī)架的大小，選購了13寸、14寸和15寸三種型號(hào)的螺旋槳。飛行過程中，相對(duì)的槳葉靠得越近，彼此產(chǎn)生的干擾也就越強(qiáng)，從而影響無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性。經(jīng)過反復(fù)的飛行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)使用14寸、15寸螺旋槳的飛行效果和承重能力相差不大。因此，使用14寸、15寸螺旋槳，考慮飛行中無人機(jī)出現(xiàn)炸機(jī)螺旋槳容易損壞，購買了多套螺旋槳作為備用。

2.電池、電機(jī)和電調(diào)的設(shè)計(jì)

電池為無人機(jī)提供動(dòng)力來源，選擇時(shí)主要參看電池容量、放電倍率等參數(shù)。電池的容量影響無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，而比賽中更換電池的時(shí)間會(huì)計(jì)入最后的比賽時(shí)間，所以要盡量選擇大容量的電池。電池的放電倍率影響電流的大小，影響電機(jī)的功率，從而影響無人機(jī)的載重能力，因此要盡量選擇放電倍率靠近比賽要求的40C電池。根據(jù)電池的品牌以及以往飛行電池使用經(jīng)驗(yàn)，最終選擇花牌4s 5200mAH 35C電池，達(dá)普4s 5200mAH 35C電池作為備用。

電機(jī)的選擇，主要參看電壓、電流、拉力、KV值、功率、效率和尺寸等參數(shù)。大賽要求電池不超過4s，而4s電池提供的電壓標(biāo)壓為14.8V，所以電機(jī)的電壓選為14.8V。無人機(jī)整機(jī)重量決定了電機(jī)的拉力，電機(jī)拉力一般要大于整機(jī)重量的2.5倍，否則電機(jī)將處于高負(fù)荷運(yùn)行，電機(jī)震動(dòng)變大，影響無人機(jī)飛行穩(wěn)定性甚至出現(xiàn)炸機(jī)。大賽要求整機(jī)重量小于等于4Kg，這樣每個(gè)電機(jī)的最大拉力要接近2500g。KV值越高，扭力越小，只能帶小槳，一般用在穿越機(jī)中，本文需要選擇小KV值。機(jī)架的尺寸，決定了電機(jī)的尺寸。根據(jù)以上參數(shù)和性價(jià)比，最終選擇颶風(fēng)U4110 KV600電機(jī)。

電調(diào)，全稱電子調(diào)速器，用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電調(diào)的選擇主要考慮持續(xù)電流、支持電池節(jié)數(shù)等參數(shù)。載重越大，電機(jī)的拉力就越大，產(chǎn)生的電流也就越大。如果電調(diào)的電流太小，那么在飛行過程中會(huì)極易燒壞電調(diào)。根據(jù)行業(yè)人的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)電機(jī)最大電流，預(yù)留30%來選擇電調(diào)。

3.飛控、遙控器和接收機(jī)的設(shè)計(jì)

飛控，是飛行控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，用來自動(dòng)保持飛機(jī)正常飛行姿態(tài)，還會(huì)影響對(duì)搖桿操作的響應(yīng)。如果飛控有進(jìn)行軟硬件升級(jí)，性能會(huì)提高，相應(yīng)價(jià)格也會(huì)提高。大賽規(guī)定統(tǒng)一使用PIXHAWK飛控，飛行時(shí)只能使用手動(dòng)或自穩(wěn)模式，換句話說，飛控的參數(shù)不能修改，所以沒有必要選擇高配的飛控。根據(jù)品牌和以往飛行經(jīng)驗(yàn)，選擇性價(jià)比高的雷迅PixhackV3。

遙控器的通道數(shù)量越多，可以操作的動(dòng)作也會(huì)越多，但相應(yīng)價(jià)格也就越貴。大賽中要求不能配置記錄并回放遙桿操控動(dòng)作的功能，只能使用手動(dòng)或自穩(wěn)模式，所以對(duì)遙控器的要求不高，選擇4通道遙控器就可以了。為了節(jié)約設(shè)計(jì)成本，直接選用了實(shí)訓(xùn)室已有的天地飛WFLY遙控器。

遙控器與接收機(jī)對(duì)頻，發(fā)出的信號(hào)通過接收機(jī)傳給飛控，飛控調(diào)節(jié)電調(diào)，電機(jī)工作。接收機(jī)的選擇，主要參看通道數(shù)、工作電壓、工作電流等參數(shù)。遙控器的通道數(shù)決定了接收機(jī)的通道數(shù)，所以選擇通道數(shù)少的接收機(jī)就可以了。

4.掛鉤設(shè)計(jì)

在大賽中，鉤子的選擇至關(guān)重要，需要考慮鉤子的韌性、放置方式、長度和彎曲角度。

鉤子是用來裝吊重物的，因此需要選擇韌性較高的鉤子。鉤子剛性放置還是柔性放置，影響貨物載重量、裝吊投放過程。將鉤子柔性放置，在裝吊重物時(shí)比較難鉤住貨籃。反復(fù)嘗試后，確定將鉤子剛性放置。

鉤子的彎曲角度也會(huì)影響裝吊和投放。鉤子太彎，很容易鉤住重物，而且在飛行過程中重物不易脫落。但在投放時(shí)，鉤子不易抽出來，而且極易碰倒貨籃。鉤子太平，鉤住的重物在飛行過程中可能會(huì)脫落，掉落的重物重量不計(jì)入最后成績。經(jīng)過反復(fù)的飛行測(cè)試，制作合適的彎曲度。

鉤子的長度要跟腳架基本持平，太長會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)無法穩(wěn)定落到降落臺(tái)，太短會(huì)使鉤取重物的空間變小且在鉤重物時(shí)容易碰倒貨籃。由于網(wǎng)上購置的鉤子長度不符合需求，用鉗子弄掉一部分，使其與腳架基本持平。然后，在鉤子上和機(jī)架上鉆孔，用螺絲螺帽將鉤子固定在機(jī)架上。

綜上，在符合技術(shù)要求的情況下，以性能最優(yōu)為主。在性能相同的情況，重量輕的作為首選。根據(jù)性能、價(jià)格、品牌以及以往的飛行經(jīng)驗(yàn)，DIY物流無人機(jī)的配件如表1所示，實(shí)物如圖1所示。

三、結(jié)語

根據(jù)物流無人機(jī)的技術(shù)要求，DIY設(shè)計(jì)的無人機(jī)，價(jià)格適中，性能良好，在飛行過程中，姿態(tài)保持非常穩(wěn)定，電池續(xù)航時(shí)間長。兩支參賽隊(duì)伍使用DIY的無人機(jī)，輕松鉤取重物，穿越障礙到達(dá)投放區(qū)進(jìn)行投遞，最后穩(wěn)定降落到起降臺(tái)，很好地完成比賽，在比賽中都取得優(yōu)異成績。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 劉曉爽.國內(nèi)外貨運(yùn)無人機(jī)配送借鑒[J].時(shí)代金融，2018（30）：234.

作者簡(jiǎn)介：

黃芳艷（1987-），女（漢族），碩士，研究方向：自動(dòng)控制、無人機(jī)應(yīng)用技術(shù).

劉永福（1981-），男（漢族），碩士，研究方向：通信技術(shù)、無人機(jī)應(yīng)用技術(shù).