張曉磊 孫奕威 魏春雙 任少鵬

小型無人機舵機測試系統(tǒng)的研究

張曉磊 孫奕威 魏春雙 任少鵬

（中船重工?？罩悄苎b備有限公司，北京 100176）

在小型無人機項目研制生產(chǎn)和鑒定試驗階段，舵機測試系統(tǒng)可用于總裝過程中舵機搖臂的調(diào)整、總裝后的系統(tǒng)測試及飛行后的系統(tǒng)測試，以檢查舵機的狀態(tài)，維護無人機安全。本文研究的舵機測試系統(tǒng)由舵機測試設備、示波器、地面站操控設備和電源組成，可完成舵機的供電、標定、轉(zhuǎn)動測試，以及工作電壓和電流的監(jiān)測。經(jīng)試驗表明，該舵機測試系統(tǒng)可有效完成對舵機狀態(tài)的檢查，保證無人機的安全。

無人機；舵機；測試；安全

0 引言

在小型無人機系統(tǒng)中，舵機是一個重要部件，既是控制舵面和油門的執(zhí)行部件，又是無人機飛行控制回路的重要組成。舵機根據(jù)接收的飛控指令調(diào)整副翼、尾翼等舵面的偏轉(zhuǎn)、油門的大小，進而控制無人機的飛行姿態(tài)，是保證無人機完成飛行任務和飛行安全的重要器件。隨著現(xiàn)代社會科學技術(shù)的快速發(fā)展，無人機已經(jīng)應用于社會的各個領(lǐng)域，同時對無人機的各項性能指標也提出了更高的要求，舵機以其精度高、質(zhì)量輕、功耗低、體積小、操作簡單等優(yōu)點在無人機中得到了廣泛應用。在小型無人機系統(tǒng)中，使用舵機測試系統(tǒng)可完成舵機供電、標定、轉(zhuǎn)動測試、工作電壓和電流的監(jiān)測。在無人機研制生產(chǎn)階段，可以使用舵機測試系統(tǒng)調(diào)整舵機搖臂，確保舵機行程滿足使用要求，避免舵機安裝在機翼后出現(xiàn)行程不足的情況；在總裝后的系統(tǒng)測試階段，可使用舵機測試系統(tǒng)完成舵機的標定和轉(zhuǎn)動測試，保證舵機滿足控制要求；在飛行系統(tǒng)測試中，可使用舵機測試系統(tǒng)對舵機的設備狀態(tài)進行檢查，保證舵機狀態(tài)良好，確保無人機安全[1-7]。

1 舵機測試系統(tǒng)

小型無人機舵機的電氣接口含有三根線：電源正、電源負和信號線。電源線為舵機供電；信號線控制舵機的偏轉(zhuǎn)角度，控制信號為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）波[8-10]。舵機的搖臂通過連桿與舵面、油門等設備連接，故舵機的偏轉(zhuǎn)角度與舵面、油門等設備實際偏轉(zhuǎn)的角度有偏差；再者，舵面和油門轉(zhuǎn)動的角度在一定范圍內(nèi)，需要處理控制信號以防舵面和油門偏轉(zhuǎn)指令的偏轉(zhuǎn)角度超出范圍，進而引發(fā)危險；因此需要對舵機進行人工標定，使舵機偏轉(zhuǎn)的角度和舵面實際偏轉(zhuǎn)的角度一致，超出范圍的偏轉(zhuǎn)指令按照最大角度的偏轉(zhuǎn)進行處理。舵機的轉(zhuǎn)動測試可以驗證舵機是否可以持續(xù)接收控制信號在舵機標定的轉(zhuǎn)動角度范圍內(nèi)進行持續(xù)的轉(zhuǎn)動，測試舵機的轉(zhuǎn)動是否正常。監(jiān)測舵機的工作電壓和電流可以檢驗舵機內(nèi)部電器是否有損傷，是否有短路、斷路等非正常工作狀態(tài)。

本文中舵機測試系統(tǒng)測試無人機的左外副翼舵機、右外副翼舵機、左內(nèi)副翼舵機、右內(nèi)副翼舵機、左方向舵機、右方向舵機和油門舵機共7個舵機。舵機測試系統(tǒng)由舵機測試設備、示波器和地面站操控設備組成。舵機測試系統(tǒng)具備以下功能：

1）供電?？蔀槊柯范鏅C單獨供電進行測試。

2）標定。通過地面站操控設備，可對舵機進行標定。

3）轉(zhuǎn)動。通過地面站操控設備，可使舵機進行轉(zhuǎn)動測試，轉(zhuǎn)動時間為2.5min。

4）監(jiān)測。使用示波器可監(jiān)測工作舵機的實時電壓和電流。

2 系統(tǒng)設計

2.1 舵機測試設備

測試設備為舵機提供電源，完成舵機控制信號的處理、存儲和傳輸。測試設備設置一個電源開關(guān)，控制測試設備的上電、斷電；舵機盒上給每個舵機供電設置單獨的開關(guān)，人工開啟需測試的單個舵機電源后，在地面站軟件的操控下，完成該舵機的標定和舵機測試的啟停，測試過程中通過示波器監(jiān)測該路舵機的工作電壓、電流，根據(jù)監(jiān)測值及觀察舵機轉(zhuǎn)動情況判定該路舵機的完好性，完成測試后舵機回到零位或怠速位后，人工關(guān)閉該舵機的供電。

舵機測試設備主要由舵機測試盒、外部格式6S容量為5 300mA·h電池和配套電纜組成，具有以下功能：能接收地面站操控計算機發(fā)送的控制指令；具備控制指令的處理、存儲和傳輸功能；可控制相應的舵機完成功能測試；能為舵機提供電源；具有開關(guān)控制功能，控制測試設備的上電、斷電；控制被測舵機分別上電、斷電；顯示舵機的供電電壓和外部6S電池的電壓，進行電壓的輔助監(jiān)視；面板上設置舵機工作電壓的輸出端，以便于示波器持續(xù)監(jiān)測舵機的工作電壓；具備舵機供電過電壓保護，如果舵機供電超過16V，立即切斷舵機供電。

1）舵機測試盒

（1）硬件設計

舵機測試盒利用盒體集成舵機控制板、12V穩(wěn)壓模塊（SPD100—24S12—D）、比較器和比較器供電穩(wěn)壓模塊（SPD20—24S12）、2個電壓數(shù)碼顯示表和連接器，舵機測試盒組成如圖1所示。12V穩(wěn)壓模塊（SPD100—24S12—D）為舵機供電。比較器判斷12V穩(wěn)壓模塊（SPD100—24S12—D）的輸出電壓，如果其輸出電壓小于11V或者大于16V，比較器切斷電壓輸出，停止為舵機供電，供電穩(wěn)壓模塊（SPD20— 24S12）為比較器供電。電壓數(shù)碼顯示表顯示處于工作狀態(tài)中舵機的供電電壓和外部6S電池的電壓?？刂栖浖鶕?jù)舵機測試需求開發(fā)，舵機控制板接收地面站操控計算機通過串口發(fā)送的標定、控制指令，然后舵機控制板根據(jù)控制指令完成舵機標定、控制信號的處理、存儲和傳輸功能，控制舵機完成相應的功能測試。連接器通過配套電纜完成測試盒與機載舵機的電氣連接。

舵機測試盒上設置電源開關(guān)和波段開關(guān)。電源開關(guān)控制測試設備的上電、斷電；波段開關(guān)控制七個舵機分別上電、斷電。

圖1 舵機測試盒的組成

（2）軟件設計

舵機控制軟件主要完成舵機的標定、舵機標定參數(shù)查詢、舵機標定參數(shù)保存、舵機控制、舵機循環(huán)轉(zhuǎn)動和測試等功能，舵機測試盒與舵機、地面操控軟件通過RS 422協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對小型無人機的左外副翼舵機、右外副翼舵機、左內(nèi)副翼舵機、右內(nèi)副翼舵機、左方向舵機、右方向舵機和油門舵機共7個舵機的標定和轉(zhuǎn)動控制。舵機控制軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。舵機控制軟件根據(jù)舵機測試任務需求開發(fā)，舵機控制軟件流程如圖3 所示。

圖2 舵機控制軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 舵機控制軟件流程

2）6S電池

由外部6S電池直接為舵機控制板、電壓數(shù)碼顯示表和12V穩(wěn)壓模塊供電，電池容量為5 300mA·h，尺寸為57mm×43mm×138mm。

3）配套電纜

電纜完成舵機測試盒與被測舵機的電氣連接，電纜共有三根。配套電纜信息見表1。

表1 配套電纜信息

2.2 示波器

示波器完成舵機運行過程中的電壓、電流監(jiān)測，主要組成見表2。示波器使用電壓探頭監(jiān)測舵機的工作電壓，使用電流探頭監(jiān)測舵機的工作電流。

表2 示波器組成

2.3 地面站操控設備

1）硬件設計

地面站操控設備使用聯(lián)想加固筆記本R2000T，運行Win7系統(tǒng)，使用異步422串口線與舵機控制盒連接。

2）軟件設計

地面站操控軟件基于QT開發(fā)平臺、采用C++語言開發(fā)。操控軟件界面盡量簡潔、功能實現(xiàn)盡量采用QT開發(fā)平臺的庫文件，減小開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期。該操控軟件基于QHBoxLayout、QTableView、QLabel、QSerialPortInfo等庫文件開發(fā)，通過Tab鍵切換界面、按鍵調(diào)出串口設置界面，界面采用網(wǎng)格布局、行布局方式，使用異步422串口與外部通信。

地面站操控軟件各功能模塊如圖4所示。將地面站操控設備與舵機測試盒連接后，可通過串口設置功能設置參數(shù)，通過舵機標定、舵機和舵面測試功能完成舵機的標定和舵面測試。

圖4 地面站操控軟件各功能模塊

地面站操控軟件界面如圖5所示。

舵機測試操控命令流程如圖6所示。

3 試驗結(jié)果

首先使用配套電纜將舵機測試盒與被測舵機連接，將地面站操控設備與舵機測試盒連接；使用6S電池為舵機測試盒供電。

圖5 地面站操控軟件界面

圖6 舵機測試操控命令流程

試驗包括電壓保護功能、供電功能、標定功能、轉(zhuǎn)動功能和監(jiān)測功能共五部分功能試驗。試驗結(jié)果見表3。

完整試驗數(shù)據(jù)量較大，此處具體列出右外副翼舵機標定功能試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，其余舵機標定功能試驗數(shù)據(jù)與此類似；列出七個舵機轉(zhuǎn)動試驗結(jié)果數(shù)據(jù)和七個舵機測試功能試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。

表3 試驗結(jié)果

舵機標定試驗結(jié)果見表4，舵機標定準確性的檢驗結(jié)果見表5。

表4 舵機標定試驗結(jié)果

表5 舵機標定準確性的檢驗結(jié)果

舵機轉(zhuǎn)動功能試驗結(jié)果見表6。

表6 舵機轉(zhuǎn)動功能試驗結(jié)果

舵機監(jiān)測功能試驗結(jié)果見表7。

經(jīng)過試驗驗證，舵機測試系統(tǒng)滿足舵機功能測試的要求，試驗結(jié)果正常，可使用舵機測試系統(tǒng)進行舵機的測試。

表7 舵機監(jiān)測功能試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文使用舵機測試設備、外部電池和示波器完成舵機測試系統(tǒng)的設計，可實現(xiàn)舵機供電、標定、轉(zhuǎn)動測試、工作電壓和電流的監(jiān)測。經(jīng)過試驗驗證，舵機測試系統(tǒng)滿足舵機功能測試的要求，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低的特點，滿足小型無人機對舵機測試設備的需求。

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Research on the test system of steering gear for small unmanned aerial vehicle

ZHANG Xiaolei SUN Yiwei WEI Chunshuang REN Shaopeng

(CSSC Aeromarine Intelligent Equipment Co., Ltd, Beijing 100176)

In the development and qualification stage of small unmanned aerial vehicle (UAV) project, the test system of steering gear is used to adjust the rocker arm of steering gear in the process of assembly, test the system after final assembly and test the system after flight, so as to checking the status of the steering gear and ensuring the safety of UAV. The test system of steering gear consists of steering gear test equipment, oscilloscope and ground station control equipment, which can accomplish the power supply, calibration, rotation test, monitoring the working voltage and current of steering gear. The experiment shows that the test system of steering gear can check the status of the steering gear effectively and make sure the safety of the UAV.

unmanned aerial vehicle (UAV); steering gear; test; safety

2020-12-22

2021-03-15

張曉磊（1984—），男，河北省保定市人，碩士，工程師，主要從事航空電氣電子信息設備的研發(fā)工作。