楊世君

摘 要：隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括航拍和測繪等，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成了不可或缺的技術(shù)保障手段。在整個工作過程中，無人機(jī)完成的工作主要就是測試數(shù)據(jù)的采集，包括圖片、視頻和地理測繪數(shù)據(jù)等內(nèi)容，設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了無人機(jī)的硬件和軟件應(yīng)用系統(tǒng)，決定了整個數(shù)據(jù)采集工作功能的穩(wěn)定性和有效性，是目前相關(guān)業(yè)務(wù)領(lǐng)域比較關(guān)注的重點內(nèi)容。本文結(jié)合無人機(jī)測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本情況，詳細(xì)分析了各環(huán)節(jié)設(shè)計的情況，對實際的無人機(jī)設(shè)計及使用有較強(qiáng)的針對性和實效性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；測試；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設(shè)計

目前，我國無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得非常大的進(jìn)步，一些關(guān)鍵技術(shù)處于世界領(lǐng)先的地位，可完成一些較高難度的數(shù)據(jù)獲取任務(wù)，無人機(jī)的飛行系統(tǒng)也更趨復(fù)雜，同時，其在任務(wù)完成過程中發(fā)生故障的情況也會越來越高。為有效降低無人機(jī)運(yùn)行中發(fā)生故障的概率，需要對無人機(jī)在研發(fā)階段通過性能測試，才能認(rèn)定該研發(fā)工作的徹底完成。利用無人機(jī)參數(shù)的實際測量，可取得該型無人機(jī)核心設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這對于提升無人機(jī)的整體性能，以及對無人機(jī)的故障進(jìn)行診斷，都有非常重要的價值。

1 無人機(jī)的設(shè)計需求及方案

1.1 設(shè)計的基本需求

測量無人機(jī)運(yùn)行信號的主要內(nèi)容包括對電流、電壓、脈沖頻率信號、開關(guān)量信號、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接口信號等的測試。具體來說，對無人機(jī)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的系統(tǒng)其功能主要分為如下幾個部分：

一是信號的調(diào)理部分。按照無人機(jī)傳感器所具有的電特性，以及輸出開關(guān)信號實施調(diào)理控制電路的結(jié)構(gòu)特點和性能指標(biāo)，對外加電壓的電平限幅與轉(zhuǎn)換、強(qiáng)弱電隔離、電流以及電壓的轉(zhuǎn)換、電動阻抗變換、電感濾波等。

二是數(shù)據(jù)的采集部分。數(shù)據(jù)采集部分主要包括電壓信號采集、電流信號采集、頻率信號采集、開關(guān)量信號采集，并且還要進(jìn)一步設(shè)計包括RS 202接口、RS 455接口、USB接口等部分，實現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字信號的采集傳輸功能。

三是無線數(shù)據(jù)的收發(fā)部分。無線數(shù)據(jù)的收發(fā)是進(jìn)行無人機(jī)無線控制的關(guān)鍵部位，其主要是用來做數(shù)據(jù)采集端及上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能。通過無線通信技術(shù)控制無人機(jī)，可有效增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信手段的靈活性。

1.2 設(shè)計方案的選擇和優(yōu)化

無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括兩個部分：即數(shù)據(jù)采集傳輸部分以及終端處理部分。其中，數(shù)據(jù)采集部分的硬件設(shè)施被安置在無人機(jī)的實際測試端，而終端處理部分則安裝在控制范圍內(nèi)某適宜的地面位置，來完成數(shù)據(jù)接收以及顯示等功能。在具體實現(xiàn)功能的過程中，置于無人機(jī)測試端的數(shù)據(jù)采集裝置，會接收到通過終端計算機(jī)應(yīng)用軟件以及射頻發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)指令信息，數(shù)據(jù)采集板卡會直接接收這些采集命令的數(shù)據(jù)包，通過上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送操作命令以實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)采集功能，并同時會將所采集到的各種數(shù)據(jù)實時傳送給上位機(jī)端，實時進(jìn)行顯示、存儲，任務(wù)完成后，再繼續(xù)之后的數(shù)據(jù)回放以及數(shù)據(jù)分析等工作內(nèi)容。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

系統(tǒng)硬件是無人機(jī)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，是實現(xiàn)功能的前提保障，硬件系統(tǒng)的性能差異，決定了無人機(jī)系統(tǒng)的整體功能和完成具體任務(wù)的能力。下面將就兩個方面對無人機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計進(jìn)行重點討論。

2.1 無線收發(fā)模塊的設(shè)計

無人機(jī)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)射與接收功能，主要是利用美國TI公司研發(fā)生產(chǎn)的C1001射頻芯片，該芯片通過內(nèi)置的連接數(shù)據(jù)采集端以及計算機(jī)相關(guān)接口端，實現(xiàn)了這兩端無阻礙的數(shù)據(jù)通信功能，當(dāng)上位機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集指令時，會將采集數(shù)據(jù)的參數(shù)發(fā)送同時執(zhí)行采集數(shù)據(jù)回傳功能。按照STM32F103VE模塊控制器所收集到的數(shù)據(jù)，整個采集板卡會利用G端口及S總線接口與C1001進(jìn)行連接，實現(xiàn)了對射頻芯片內(nèi)置寄存器的實時讀寫和狀態(tài)情況監(jiān)測。

2.2 信號調(diào)制電路的設(shè)計

（1）對系統(tǒng)內(nèi)電壓信號的調(diào)制。該設(shè)計中通常都會選擇雙電源的方式供電，并使用交直流電源模塊MDB12 D12來產(chǎn)生12V的直流電壓，系統(tǒng)中選擇了TL421生成電壓參考的基準(zhǔn)電平，TL421是廣泛使用于信號調(diào)制設(shè)計領(lǐng)域的高精度可控穩(wěn)壓電源，實際控制的電壓精度保持在0.5%的范圍浮動，能夠為電壓調(diào)制提供電壓基準(zhǔn)參考電勢。本次應(yīng)用中，主要使用TL421產(chǎn)生的3V電壓，并需要將其轉(zhuǎn)換成-3V，以此來為后續(xù)的電壓平移并作為衰減電路的輸入電平，為了降低被采集信號中高頻信號的干擾以及抗混疊，對信號調(diào)理通道中加入一個低通濾波器，使用運(yùn)放構(gòu)成一個壓控電壓源低通濾波器。

（2）對系統(tǒng)內(nèi)電流信號的調(diào)制。對于系統(tǒng)電流信號的信號進(jìn)行調(diào)制，通常情況下會選用0.1%精度的電阻進(jìn)行分壓，來得到實際所需的電壓信號。電流輸出型傳感器輸出信號通常范圍在4至20mA，所以選擇150Ω的高精度電阻將系統(tǒng)電流信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成0.6至3V的電壓信號，通過ADC進(jìn)行采集。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是應(yīng)用功能的具體設(shè)定，通過對無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行和工作狀態(tài)的調(diào)整，實現(xiàn)預(yù)期的任務(wù)要求。在實際的設(shè)計過程中，主要考慮三個方面的設(shè)計要素：

3.1 數(shù)據(jù)采集的主程序設(shè)計

主控制器上電初始化設(shè)計主要用于實現(xiàn)對外設(shè)以及內(nèi)核模塊的綜合配置應(yīng)用，具體而言，主控制器的系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線其時鐘選擇是以頻率為8MHz的辣子外部的晶振作為整個系統(tǒng)時鐘，再利用系統(tǒng)內(nèi)部的鎖相環(huán)設(shè)置將倍頻調(diào)整到72MHz。對時鐘進(jìn)行初始化時，此時系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的時鐘頻率以及高速總線的時鐘頻率均為72MHz。而高速總線得以掛接的外設(shè)，包括通用輸入輸出端口、ADC設(shè)備，因為ADC設(shè)備的輸入時鐘不可以大于14MHz，所以，實際的ADC時鐘分頻確定為12MHz。

3.2 電壓信號數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收傳感器或變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號，如-10-10V的電壓信號，4-20mA電流信號。這些模擬信號通過信號調(diào)理轉(zhuǎn)換為0-3V的電壓信號，由控制器的12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過SPI接口的無線射頻模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。將多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過DMA存儲到SRAM中，并將這些數(shù)據(jù)求平均，可以使采樣值更加精確。

3.3 脈沖頻率信號采集程序設(shè)計

以測量無人機(jī)轉(zhuǎn)速為例，選用的是光電傳感器，其測試碼盤有30個齒輪。實際設(shè)計中，使用STM32F103VE的通用定時器功能進(jìn)行脈沖頻率信號的采集。將定時器管腳選擇為上升沿觸發(fā)，當(dāng)上升沿信號觸發(fā)時，計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)下一個上升沿到來時，在中斷程序中記下定時器的計數(shù)值，根據(jù)定時器工作時鐘頻率，可以計算出外界輸入信號的頻率。

4 結(jié)束語

綜上所述，為確保無人機(jī)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，要專門針對無人機(jī)系統(tǒng)的各功能模塊進(jìn)行必要的測試工作，這一過程中，要強(qiáng)化對系統(tǒng)的總體、硬件、軟件等系統(tǒng)的設(shè)計，加強(qiáng)對軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試，實現(xiàn)預(yù)期的測試系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)。經(jīng)實踐檢驗，該調(diào)試系統(tǒng)的運(yùn)行非常穩(wěn)定，而各項功能也都可以正常完成，通過這一設(shè)計，可解決包括旋轉(zhuǎn)測試以及短距離測試涉及到的數(shù)據(jù)傳輸問題。這是一種非?？扇〉挠幸鎳L試，對實際應(yīng)用中無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的完善有很好的參考價值。

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