張曉磊 孫奕威 魏春雙 任少鵬

小型無人機(jī)舵機(jī)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(jī)項(xiàng)目研制生產(chǎn)和鑒定試驗(yàn)階段，舵機(jī)測試系統(tǒng)可用于總裝過程中舵機(jī)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(jī)的狀態(tài)，維護(hù)無人機(jī)安全。本文研究的舵機(jī)測試系統(tǒng)由舵機(jī)測試設(shè)備、示波器、地面站操控設(shè)備和電源組成，可完成舵機(jī)的供電、標(biāo)定、轉(zhuǎn)動測試，以及工作電壓和電流的監(jiān)測。經(jīng)試驗(yàn)表明，該舵機(jī)測試系統(tǒng)可有效完成對舵機(jī)狀態(tài)的檢查，保證無人機(jī)的安全。

無人機(jī)；舵機(jī)；測試；安全

0 引言

在小型無人機(jī)系統(tǒng)中，舵機(jī)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(jī)飛行控制回路的重要組成。舵機(jī)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(jìn)而控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)，是保證無人機(jī)完成飛行任務(wù)和飛行安全的重要器件。隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域，同時對無人機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)也提出了更高的要求，舵機(jī)以其精度高、質(zhì)量輕、功耗低、體積小、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)在無人機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。在小型無人機(jī)系統(tǒng)中，使用舵機(jī)測試系統(tǒng)可完成舵機(jī)供電、標(biāo)定、轉(zhuǎn)動測試、工作電壓和電流的監(jiān)測。在無人機(jī)研制生產(chǎn)階段，可以使用舵機(jī)測試系統(tǒng)調(diào)整舵機(jī)搖臂，確保舵機(jī)行程滿足使用要求，避免舵機(jī)安裝在機(jī)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(jī)測試系統(tǒng)完成舵機(jī)的標(biāo)定和轉(zhuǎn)動測試，保證舵機(jī)滿足控制要求；在飛行系統(tǒng)測試中，可使用舵機(jī)測試系統(tǒng)對舵機(jī)的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，保證舵機(jī)狀態(tài)良好，確保無人機(jī)安全[1-7]。

1 舵機(jī)測試系統(tǒng)

小型無人機(jī)舵機(jī)的電氣接口含有三根線：電源正、電源負(fù)和信號線。電源線為舵機(jī)供電；信號線控制舵機(jī)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(jī)的搖臂通過連桿與舵面、油門等設(shè)備連接，故舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度與舵面、油門等設(shè)備實(shí)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(jìn)而引發(fā)危險；因此需要對舵機(jī)進(jìn)行人工標(biāo)定，使舵機(jī)偏轉(zhuǎn)的角度和舵面實(shí)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(jìn)行處理。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動測試可以驗(yàn)證舵機(jī)是否可以持續(xù)接收控制信號在舵機(jī)標(biāo)定的轉(zhuǎn)動角度范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)的轉(zhuǎn)動，測試舵機(jī)的轉(zhuǎn)動是否正常。監(jiān)測舵機(jī)的工作電壓和電流可以檢驗(yàn)舵機(jī)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(jī)測試系統(tǒng)測試無人機(jī)的左外副翼舵機(jī)、右外副翼舵機(jī)、左內(nèi)副翼舵機(jī)、右內(nèi)副翼舵機(jī)、左方向舵機(jī)、右方向舵機(jī)和油門舵機(jī)共7個舵機(jī)。舵機(jī)測試系統(tǒng)由舵機(jī)測試設(shè)備、示波器和地面站操控設(shè)備組成。舵機(jī)測試系統(tǒng)具備以下功能：

1）供電?？蔀槊柯范鏅C(jī)單獨(dú)供電進(jìn)行測試。

2）標(biāo)定。通過地面站操控設(shè)備，可對舵機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

3）轉(zhuǎn)動。通過地面站操控設(shè)備，可使舵機(jī)進(jìn)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(jī)的實(shí)時電壓和電流。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 舵機(jī)測試設(shè)備

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

舵機(jī)測試設(shè)備主要由舵機(jī)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(jì)算機(jī)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(yīng)的舵機(jī)完成功能測試；能為舵機(jī)提供電源；具有開關(guān)控制功能，控制測試設(shè)備的上電、斷電；控制被測舵機(jī)分別上電、斷電；顯示舵機(jī)的供電電壓和外部6S電池的電壓，進(jìn)行電壓的輔助監(jiān)視；面板上設(shè)置舵機(jī)工作電壓的輸出端，以便于示波器持續(xù)監(jiān)測舵機(jī)的工作電壓；具備舵機(jī)供電過電壓保護(hù)，如果舵機(jī)供電超過16V，立即切斷舵機(jī)供電。

1）舵機(jī)測試盒

（1）硬件設(shè)計(jì)

舵機(jī)測試盒利用盒體集成舵機(jī)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(jī)測試盒組成如圖1所示。12V穩(wěn)壓模塊（SPD100—24S12—D）為舵機(jī)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(jī)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(jī)的供電電壓和外部6S電池的電壓。控制軟件根據(jù)舵機(jī)測試需求開發(fā)，舵機(jī)控制板接收地面站操控計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送的標(biāo)定、控制指令，然后舵機(jī)控制板根據(jù)控制指令完成舵機(jī)標(biāo)定、控制信號的處理、存儲和傳輸功能，控制舵機(jī)完成相應(yīng)的功能測試。連接器通過配套電纜完成測試盒與機(jī)載舵機(jī)的電氣連接。

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

圖1 舵機(jī)測試盒的組成

（2）軟件設(shè)計(jì)

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

圖2 舵機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 舵機(jī)控制軟件流程

2）6S電池

由外部6S電池直接為舵機(jī)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(jī)測試盒與被測舵機(jī)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(jī)運(yùn)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(jī)的工作電壓，使用電流探頭監(jiān)測舵機(jī)的工作電流。

表2 示波器組成

2.3 地面站操控設(shè)備

1）硬件設(shè)計(jì)

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

2）軟件設(shè)計(jì)

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(shí)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(shè)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(shè)備與舵機(jī)測試盒連接后，可通過串口設(shè)置功能設(shè)置參數(shù)，通過舵機(jī)標(biāo)定、舵機(jī)和舵面測試功能完成舵機(jī)的標(biāo)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(jī)測試操控命令流程如圖6所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

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

圖5 地面站操控軟件界面

圖6 舵機(jī)測試操控命令流程

試驗(yàn)包括電壓保護(hù)功能、供電功能、標(biāo)定功能、轉(zhuǎn)動功能和監(jiān)測功能共五部分功能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

完整試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，此處具體列出右外副翼舵機(jī)標(biāo)定功能試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，其余舵機(jī)標(biāo)定功能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與此類似；列出七個舵機(jī)轉(zhuǎn)動試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和七個舵機(jī)測試功能試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

舵機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果見表4，舵機(jī)標(biāo)定準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 舵機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

表5 舵機(jī)標(biāo)定準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)結(jié)果

舵機(jī)轉(zhuǎn)動功能試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 舵機(jī)轉(zhuǎn)動功能試驗(yàn)結(jié)果

舵機(jī)監(jiān)測功能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，舵機(jī)測試系統(tǒng)滿足舵機(jī)功能測試的要求，試驗(yàn)結(jié)果正常，可使用舵機(jī)測試系統(tǒng)進(jìn)行舵機(jī)的測試。

表7 舵機(jī)監(jiān)測功能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文使用舵機(jī)測試設(shè)備、外部電池和示波器完成舵機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)供電、標(biāo)定、轉(zhuǎn)動測試、工作電壓和電流的監(jiān)測。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，舵機(jī)測試系統(tǒng)滿足舵機(jī)功能測試的要求，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低的特點(diǎn)，滿足小型無人機(jī)對舵機(jī)測試設(shè)備的需求。

[1] 蘇奎峰, 常天慶, 呂強(qiáng), 等. TMS320X28335DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2016.

[2] 孫鑫. VC++深入詳解[M]. 3版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2019.

[3] 蘇奎峰, 呂強(qiáng), 常天慶, 等. TMS320X281XDSP原理及C程序開發(fā)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

[4] 陳千懿, 高立克, 陳紹南, 等. 應(yīng)用于無人機(jī)無線充電的輕量化磁耦合結(jié)構(gòu)[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(5): 15-20.

[5] 段玉戈. 基于AT89C2051智能窗戶控制裝置的設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(5): 58-62.

[6] 竺慶茸. 雙有源橋DC-DC的調(diào)制方式的研究[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(7): 53-56.

[7] 梁新田. 基于DSP的多功能測控儀表的設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(7): 93-96.

[8] 員翠平, 劉樹林, 趙倩, 等. 功率PMOS管的有源泄放驅(qū)動電路研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(增刊2): 528-533.

[9] 劉建強(qiáng), 劉傳鐸, 王軼歐, 等. 單相PWM整流器IGBT及直流側(cè)電容故障診斷方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(增刊1) : 244-257.

[10] 顧長彬, 王琛琛, 王堃, 等. 單相PWM整流器虛擬矢量控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(增刊1): 202-211.

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(shè)備的研發(fā)工作。