农林植保无人机的组成及常见故障检修**

2022-01-19王涛

南方农机 2022年1期

王涛

（江西机电职业技术学院，江西南昌 330000）

近年来，无人机在农业方面的应用越来越广泛，旋翼无人机因其性能稳定、携带方便等诸多特点被广泛应用于农药喷洒、播种[1-2]。因此，无人机日常保养维护和维修成为无人机从业人员及无人机应用技术专业学生需要掌握的必备技能[3-5]。笔者分别从电源、分电板、电调、电机、飞行控制器等无人机组成部件入手，详细分析各部件的特点及工作原理，以及常见故障的维修。

1 电源及日常维护

农林植保大都使用的是旋翼无人机[6]，通常使用锂电池作为整机的电源，锂电池应根据整机重量，选取3～6芯（专业术语是3S～6S）。单芯电池的标称电压值为3.7 V，最高电压为4.2 V，以4S为例，可提供的最大值为4×4.2 V=16.8 V。锂电池的充电都是采用专门的充电设备，需要注意的是锂电池在日常维护过程中，需要让其电压维持在3.8 V左右最佳，也就是说当电池长期不使用时，应该将其充电或放电到这个电压值，不能太高也不能太低，而且原则上两个月之内一定要充放电1次，不然电池的寿命将大大降低。这是很多无人机使用人员容易忽视的问题。

电池常见的故障有过充、过放和单芯损坏。电池鼓包的话意味着过充或存储电压长期过高，过放的电池只要用平衡充充电一般都能够激活，一般选择0.5 A左右的小电流缓慢充电，然后到达3.7 V左右再换1.0 A电流或较大电流，具体要看电池铭牌上标注的充电倍数。如果过放的电池电压监测不到，有时也会将一块好的电池和这个过放的电池同时接到平衡充并联的充电接口上，同样可以起到修复的作用。由于大多数企业和公司配套提供的电池充电器都为并联型充电器，其电池管理及充电性能虽然较好，但是当单片电池的电压降低到2 V及以下时，其默认的设置是根本不检测也不对该芯电池充电。在这种情况下，可使用串联型平衡充，如iMAX-B6，在设置成单芯充电模式后，对其充电3 min左右，即可激活该电池，使其电压恢复到3.6 V左右，之后采用原有并联型充电器对整个锂电池充电即可。如非必要，原则上尽量不要用稳压电源直接对充，切记，用一块好的电池去对充一块过放的电池原则上是不允许的[7-8]。

2 分电板的常见故障及维修

目前，旋翼无人机的分电板主要有两种。一种是单纯的分电功能，即将输入的电源信号以并联的形式直接分配出多路，不包括电源管理、电压电流监测功能；另一种是带电压电流检测功能的分压电板，可以将锂电池的电压分配给各个支路的同时，也将电压电流信号传输给飞行控制器，供飞控监测，这类模块也被称为电源管理模块。

分电板故障的原因多半是短路导致的分电板击穿问题。一般将短路原因处理后，找到击穿点加以修复就好。如果在击穿点修复好后，还是出现故障，则要对分电板进行断电或带电检测，检测的依据就是分电板上的芯片组。常用的分电板通常包括一块电流检测芯片，如INA169和1片DC-DC降压芯片MP4560， INA169在分电板中的功能是用于检测电源电流大小并将其传递给飞控Power接口的电流接线端，其外围电路简单，部件少，坏的可能性不大。MP4560芯片5 V输出的典型应用原理图如图1所示。

图1 MP4560芯片5 V输出的典型应用原理图

通过原理图和分电板实物或PCB板对比，不难看出两者的一致性，有了这个作为参考，在进行故障点检测时，将会轻松很多，如果Vin无电压输入，则先测量分电板给输入输出口电压是否正常；如VIN正常，VOUT无输出，则断电情况下，用万用表测量各引外围器件有无损坏即可。

需要注意的是，在路测量时电阻的阻值一般比标称值要小。而对于电容的检测一般是先观察元件表面是否有异样，如有异样再取下检测。容量1UF以上的电容可以用指针万用表欧姆档检测其好坏，容量太低则无法看到指针偏转，需要用数字万用表电容档进行测量。

锂电池通常通过配上成对的T插或XT公母头和分电板连接。分电板的作用则是将电池提供的电源分为多路分别给各个电调供电，并且在电流承受能力和分压稳定性方面都有一定的要求。在进行分电板的焊接过程中，有两个地方需要注意，一是正负极不能焊反；二是焊在分电板上的裸露铜线不宜太长。另外需要注意的是由于很多无人机的支架都采用碳纤板，不宜使分电板直接和碳纤板接触，以免发生短路。为了维修和调试方便，电调和分电板以及电机和电调的连接，中间通常都是通过导线加香蕉头的形式连接的。需要特别注意的是，只要是有金属接头的地方，都应该加上热缩管，并且要让热缩管完全包裹住裸露在外的金属部分[9-10]。如在无人机通电测试过程中，出现电机冒烟，或单一电机不转动，请立即断电，检查上述问题。

3 遥控器和接收机概述

不同的遥控器在调制方式、频段和模式上都不同，常用的调制方式有FHSS、GFSK、QPSK等，所以通常成对购买同一品牌的遥控器和接收机。如果后期某一设备彻底损坏，则要根据上述提到的两个指标进行更换或配对。在进行遥控器和接收机的调试工作前，首要完成的任务就是对频，不同遥控器的对频方式都大同小异，一般都是供电后按住接收机上的一个按钮3 s左右，然后再把发射机（遥控器）的电源打开，所不同的是，有的发射机在开机的同时要按一个印有bind key字样的对频按钮，有的接收机在对频的时候要在其POWER通道加上一个对频导线。除此以外，还需要打开遥控器，完成一下飞行模型的设置和选择，选择安装的多旋翼模型即可，至于其他方向舵、油门舵的设置都可以在后续慢慢研究和调整。

4 电调及常见故障维修

电调的作用是实现对无刷直流电机的驱动和控制。它接收来自飞控发出的指令信号，继而针对性地调节对应电机的转速。电调主要由单片机主控电路、驱动电路及场效应管桥组成。驱动电路和对应的场效应管桥臂一般有3条支路，其中的一条如图2所示。图中的IR2301为高压高速功率MOSFET驱动器，其输入端为HIN和LIN，和单片机连接，接收单片机的控制指令，HO和LO是对应的两个输出端，用于控制后面两个N沟道场效应管的导通和截止，后面的场效应管工作在开关状态，TOLOAD端用于连接无刷直流电机的一根相线。如图2所示的3条这样的支路分别与电机的三根相线连接，通过控制6个MOSFET管的导通和截止情况，来确定电机的哪一组或几组线圈得电，从而控制电机转动及实现转速控制。

图2 电调驱动电路

电调如果出现故障，多半是后面的场效应管的单个或一组烧坏（击穿或短路），也有IR2301驱动损坏的情况，可通过外观观察或使用万用表欧姆档进行简单的测量即可确定，之后进行相应的更换就行。由于电调的集成度较高，场效应管为贴片式，体积很小，所以在更换时注意控制好热风枪的距离和温度，并建议采用低温锡。当无人机的某个单臂的无刷直流电机无法运行时，为了验证是电机还是电调的故障，有时候也会在断开电机的情况下，直接用万用表的电阻档去测量电调的三个输出接线端子，会发现任意两个接线端的输出电阻相等，并基本在20K左右（不同电调有偏差），通过该方法也可初步地判断是电调还是电机故障。

5 无刷直流电机及其维修

旋翼无人机一般为锂电池驱动，普遍使用直流无刷电机作为动力源，其输入信号是直流，工作在交流状态。电机分为内转子和外转子两种，植保旋翼型无人机上采用外转子电机居多。

电机出现故障多半是线圈绕组损坏居多，由于直接更换整个电机，费用较高，通常都是通过拆卸电机，对其进行重新绕线的方式来维修。如果单纯地进行原有电机的修复而非改装的情况下，只要用游标卡尺对原始电机的绕组线径进行精准测量，并记录好原始电机股数和匝数即可。如果能选购同种材质同等粗细的漆包线来维修，将会简单许多。在没有相同粗细的漆包线的情况下，则需要经过一定的计算进行替换，相对复杂，计算公式如下：

上式中，X1表示原始电机的股数、T1表示原始电机的匝数，X2、T2则分别为替换后的电机的股数。从上式可以看出，等式的两边实际上是更换前后的绕线的等效横截面积。需要注意的是，如果要保证原有的KV值不变，那么一般要求匝数不变（T1=T2），通过调节股数，让等式两边相等来实现。需要注意的是在线径不变的情况下，减少线圈的匝数，对应的增加线圈的股数，将使得电机的KV值增加，反之电机的KV值减小。

在进行电机绕线时，需要确定对待维修电机的相线接法，是三角形还是星型（Y）接法。在拆卸原电机绕组的时候可以观察各相线是头尾依次相接，还是尾巴接一起。

6 无人机的飞控

无人机飞控是无人机飞行控制系统的简称，可以简单地看作是由单片机和多个传感器模块组成。传感器包括负责检测无人机运动姿态的陀螺仪、负责测量大地磁场建立航向的罗盘磁力计、负责间接测量飞行器高度的气压计。最简单的飞控可以用51单片机来实现，通常用于玩具型航模飞机，在运算速度和能力、存储空间方面都显得相对弱一些。基于AVR单片机的Arduino开源平台的出现，为成熟飞控的出现奠定了基础。业界所熟悉的APM飞控就是基于此平台开发出来的，通过外接GPS模块，再配上地面站系统，可以较好地实现航线规划和自动返航。但是由于其上的单片机仍然是8位的，限制了其进一步的发展。基于STM32系列的32位单片机（ARM）凭借其强大的存储空间、运算速度和综合性能被应用于高性能的飞控开发，目前，业界比较成熟的开源飞控PX4/PIXHAWK则是基于该单片机作为主控制芯片开发而来的。

农林植保类无人机更多的是使用商业飞控，其集成度相对较高，一旦损坏，其维修的技术需求较高，一般整体更换。值得一提的是，现在出现了“极飞”“大疆创新”公司生产的将飞控、分电板、电调等全部部件集成在一块板子上的情况，其更换成本将是极高的，这一类设备一旦过了保修期的话，在判断电路板没有折断的情况下可以进行检修，一般接口松动、芯片松动的情况下都可以通过手动加焊进行修复。这类飞控板上有很多黄色的镀铜小圆点，这些点是一些关键的测试点，需要维修人员好好利用。