龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
基于技能大赛的物流无人机DIY设计研究
作者：黄芳艳 刘永福 林镇滔 胡嘉就 陈德朝 来源：《科学与财富》2019年第14期
摘 要：本文首先介绍了技能大赛对高职教育的意义，然后介绍了无人机应用技术专业是新兴专业，物流应用是无人机发展的新领域。在某无人机技能大赛中，增加了物流应用模块，要求DIY无人机。本文按照物流无人机的技术要求，从无人机的组成部分机架、螺旋桨、电池、电机、电调、飞控、遥控器和接收机等方面来研究如何挑选出既符合比赛要求，又性能好且性价比高的无人机。本文对物流无人机的DIY设计具有一定的指导意义。 关键词：技能大赛；无人机；DIY设计；物流应用 前言
近几年，党中央、国务院高度重视职业教育的发展，职业教育迎来了前所未有的发展机遇。高职院校强调“工学结合”、“以就业为导向”、“重视综合素质培养”、“强化技能”[1]。技能大赛作为职业教育改革的重要制度设计与创新，成为检验高职院校人才培养质量的重要标志。技能大赛紧扣市场人才需求，提倡“以赛促教、以赛促学、以赛促练、以赛促改、以赛促建”[2]，对提升学生的技术技能水平，提升教师的教学水平和专业技能，充分展示学校教育教学成果，提高学校的教学质量和办学水平，均有重要的意义。
随着科技的不断发展，无人机的价格不断降低，操作越来越人性化，应用领域日益广泛，包括影视航拍、农林植保、电力巡线、航空测绘、安防等。近几年，我国物流行业发展迅速，但是服务质量差、物流效率低等问题成为限制我国物流发展的瓶颈[3]。为了解决传统投递方式难以满足服务需求问题，为了解决偏远山区、交通不便农村的物流配送问题，为了减少人才、财力的投入，顺丰、京东、中通等快递物流企业纷纷布局物流无人机，物流配送成为无人机应用的新领域。
近几年，无人机操控飞行员成为市场迫切需求的人才，国内一些高职院校开始开办无人机应用技术专业。为了提高职业院校的教学质量和人才培养质量，国内开始举办无人机方面的比赛。在某无人机创新技能大赛中，包含了物流应用模块，要求参赛选手使用DIY无人机完成货物装吊投递任务。
一、物流应用无人机的技术要求
无人机从起降台起飞，飞到装吊区吊起货物，穿越不同形状的障碍物，到达投放区投递货物，完成所有装吊投递过程后回到起降台降落，根据配送货物的重量和时间进行计分。DIY的物流无人机必须满足以下的技术要求： ①飞控：统一采用PIXHAWK飞控；
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
②飞行器机型：DIY电动4轴旋翼机，双片桨，轴距 ≤550mm； ③飞行器重量：起飞重量不超过4kg； ④电池：不超过4S，5200mAh，40C； ⑤遥控器：遥控频段2.4GHz；
⑥辅助处理器：飞控及遥控器上不得配置记录并回放摇杆操控动作的功能；
⑦不能使用 GPS、超声波等辅助传感器，不能使用定点、定高模式，只能使用手动或自稳模式飞行。
⑧自制合适的挂钩，不可使用电动挂钩。 二、物流无人机DIY设计
物流无人机DIY设计包括机架、脚架、螺旋桨、电机、电调、电池、飞控、遥控器、接收机以及挂钩等设计。
1.机架、脚架和螺旋桨的设计
机架，就是指飞行器的基本框架，是无人机的承载平台，用来装载电池、电机、电调、螺旋桨、飞控、各种外设等。机架的选取可以从自身重量、坚固程度、安装元器件方便程度等方面来考虑。按照大赛要求，DIY的无人机要能承受住一定重量的货物，且起飞重量不能超过4kg，所以机架结构强度要高且自身重量要尽可能轻。另外，机架的大小决定了螺旋桨的选取范围，而在其他条件都相同的情况下，螺旋桨桨叶尺寸越大，产生的动力会越大，那么能够承载的货物重量就会越重。因此，选择4轴碳纤维机架，机架轴距要接近550mm。
脚架是无人机与地面接触的部位，在无人机起飞、降落的时候对机身起缓冲作用，对机载设备起保护作用，要求其结构牢固、强度高。大赛要求无人机在起降台上进行起飞降落，如果无人机的脚架较大，那么在降落时会出现无人机不能完全落到起降台上的情况，严重时导致无人机失去平衡发生坠机，而坠机会扣除相应的分数。此外，大尺寸的脚架在无人机装吊投递重物的时候，很容易碰倒货篮，而碰倒的货物不计入最后的投递重量。因此，选择强度高、尺寸稍微小一点的脚架。购买的机架自带有脚架，但是脚架尺寸有点大，在实际飞行训练中，经常出现脚架碰倒货篮的情况。为了比赛中少出现这种问题，放弃使用自带的脚架，使用实训室已有的大疆F550脚架。
无人机依靠螺旋桨来产生拉力，螺旋桨的转速高低、直径大小，影响着拉力的大小，从而影响承载货物的重量。根据机架的大小，选购了13寸、14寸和15寸三种型号的螺旋桨。飞行过程中，相对的桨叶靠得越近，彼此产生的干扰也就越强，从而影响无人机的飞行稳定性。经
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
过反复的飞行测试，发现使用14寸、15寸螺旋桨的飞行效果和承重能力相差不大。因此，使用14寸、15寸螺旋槳，考虑飞行中无人机出现炸机螺旋桨容易损坏，购买了多套螺旋桨作为备用。
2.电池、电机和电调的设计
电池为无人机提供动力来源，选择时主要参看电池容量、放电倍率等参数。电池的容量影响无人机的续航时间，而比赛中更换电池的时间会计入最后的比赛时间，所以要尽量选择大容量的电池。电池的放电倍率影响电流的大小，影响电机的功率，从而影响无人机的载重能力，因此要尽量选择放电倍率靠近比赛要求的40C电池。根据电池的品牌以及以往飞行电池使用经验，最终选择花牌4s 5200mAH 35C电池，达普4s 5200mAH 35C电池作为备用。
电机的选择，主要参看电压、电流、拉力、KV值、功率、效率和尺寸等参数。大赛要求电池不超过4s，而4s电池提供的电压标压为14.8V，所以电机的电压选为14.8V。无人机整机重量决定了电机的拉力，电机拉力一般要大于整机重量的2.5倍，否则电机将处于高负荷运行，电机震动变大，影响无人机飞行稳定性甚至出现炸机。大赛要求整机重量小于等于4Kg，这样每个电机的最大拉力要接近2500g。KV值越高，扭力越小，只能带小桨，一般用在穿越机中，本文需要选择小KV值。机架的尺寸，决定了电机的尺寸。根据以上参数和性价比，最终选择飓风U4110 KV600电机。
电调，全称电子调速器，用来驱动电机，调节电机的转速。电调的选择主要考虑持续电流、支持电池节数等参数。载重越大，电机的拉力就越大，产生的电流也就越大。如果电调的电流太小，那么在飞行过程中会极易烧坏电调。根据行业人的经验，根据电机最大电流，预留30%来选择电调。
3.飞控、遥控器和接收机的设计
飞控，是飞行控制系统的简称，用来自动保持飞机正常飞行姿态，还会影响对摇杆操作的响应。如果飞控有进行软硬件升级，性能会提高，相应价格也会提高。大赛规定统一使用PIXHAWK飞控，飞行时只能使用手动或自稳模式，换句话说，飞控的参数不能修改，所以没有必要选择高配的飞控。根据品牌和以往飞行经验，选择性价比高的雷迅PixhackV3。 遥控器的通道数量越多，可以操作的动作也会越多，但相应价格也就越贵。大赛中要求不能配置记录并回放遥杆操控动作的功能，只能使用手动或自稳模式，所以对遥控器的要求不高，选择4通道遥控器就可以了。为了节约设计成本，直接选用了实训室已有的天地飞WFLY遥控器。
遥控器与接收机对频，发出的信号通过接收机传给飞控，飞控调节电调，电机工作。接收机的选择，主要参看通道数、工作电压、工作电流等参数。遥控器的通道数决定了接收机的通道数，所以选择通道数少的接收机就可以了。
基于技能大赛的物流无人机DIY设计研究
