在小型無人機(jī)系統(tǒng)中，舵機(jī)是一個(gè)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(huì)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(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)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(jiǎn)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(cè)試系統(tǒng)可完成舵機(jī)供電、標(biāo)定、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試、工作電壓和電流的監(jiān)測(cè)。在無人機(jī)研制生產(chǎn)階段，可以使用舵機(jī)測(cè)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(cè)試階段，可使用舵機(jī)測(cè)試系統(tǒng)完成舵機(jī)的標(biāo)定和轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試，保證舵機(jī)滿足控制要求；在飛行系統(tǒng)測(cè)試中，可使用舵機(jī)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)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 舵機(jī)測(cè)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(hào)線。電源線為舵機(jī)供電；信號(hào)線控制舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，控制信號(hào)為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）波。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(dòng)的角度在一定范圍內(nèi)，需要處理控制信號(hào)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(xiǎn)；因此需要對(duì)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(dòng)測(cè)試可以驗(yàn)證舵機(jī)是否可以持續(xù)接收控制信號(hào)在舵機(jī)標(biāo)定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)試舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是否正常。監(jiān)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)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(gè)舵機(jī)。舵機(jī)測(cè)試系統(tǒng)由舵機(jī)測(cè)試設(shè)備、示波器和地面站操控設(shè)備組成。舵機(jī)測(cè)試系統(tǒng)具備以下功能：1）供電。可為每路舵機(jī)單獨(dú)供電進(jìn)行測(cè)試；2）標(biāo)定。通過地面站操控設(shè)備，可對(duì)舵機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；3）轉(zhuǎn)動(dòng)。通過地面站操控設(shè)備，可使舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為2.5min；4）監(jiān)測(cè)。使用示波器可監(jiān)測(cè)工作舵機(jī)的實(shí)時(shí)電壓和電流。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 舵機(jī)測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備為舵機(jī)提供電源，完成舵機(jī)控制信號(hào)的處理、存儲(chǔ)和傳輸。測(cè)試設(shè)備設(shè)置一個(gè)電源開關(guān)，控制測(cè)試設(shè)備的上電、斷電；舵機(jī)盒上給每個(gè)舵機(jī)供電設(shè)置單獨(dú)的開關(guān)，人工開啟需測(cè)試的單個(gè)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(cè)試的啟停，測(cè)試過程中通過示波器監(jiān)測(cè)該路舵機(jī)的工作電壓、電流，根據(jù)監(jiān)測(cè)值及觀察舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況判定該路舵機(jī)的完好性，完成測(cè)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(cè)試設(shè)備主要由舵機(jī)測(cè)試盒、外部格式6S容量為5300mAh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(chǔ)和傳輸功能；可控制相應(yīng)的舵機(jī)完成功能測(cè)試；能為舵機(jī)提供電源；具有開關(guān)控制功能，控制測(cè)試設(shè)備的上電、斷電；控制被測(cè)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(cè)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(cè)試盒

（1）硬件設(shè)計(jì)

舵機(jī)測(cè)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(gè)電壓數(shù)碼顯示表和連接器，舵機(jī)測(cè)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(cè)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(hào)的處理、存儲(chǔ)和傳輸功能，控制舵機(jī)完成相應(yīng)的功能測(cè)試。連接器通過配套電纜完成測(cè)試盒與機(jī)載舵機(jī)的電氣連接。

舵機(jī)測(cè)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(cè)試設(shè)備的上電、斷電；波段開關(guān)控制七個(gè)舵機(jī)分別上電、斷電。

圖1 舵機(jī)測(cè)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(dòng)和測(cè)試等功能，舵機(jī)測(cè)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(duì)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(gè)舵機(jī)的標(biāo)定和轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)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5300mAh，尺寸為57mm×43mm×138mm。

3）配套電纜

電纜完成舵機(jī)測(cè)試盒與被測(cè)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(cè)，主要組成見表2。示波器使用電壓探頭監(jiān)測(cè)舵機(jī)的工作電壓，使用電流探頭監(jiān)測(cè)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(tái)、采用C++語言開發(fā)。操控軟件界面盡量簡(jiǎn)潔、功能實(shí)現(xiàn)盡量采用QT開發(fā)平臺(tái)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(cè)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(cè)試功能完成舵機(jī)的標(biāo)定和舵面測(cè)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(cè)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(cè)試盒與被測(cè)舵機(jī)連接，將地面站操控設(shè)備與舵機(jī)測(cè)試盒連接；使用6S電池為舵機(jī)測(cè)試盒供電。

圖5 地面站操控軟件界面

圖6 舵機(jī)測(cè)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(dòng)功能和監(jiān)測(cè)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(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和七個(gè)舵機(jī)測(cè)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(dòng)功能試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功能試驗(yàn)結(jié)果

舵機(jī)監(jiān)測(cè)功能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

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

表7 舵機(jī)監(jiān)測(cè)功能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文使用舵機(jī)測(cè)試設(shè)備、外部電池和示波器完成舵機(jī)測(cè)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(dòng)測(cè)試、工作電壓和電流的監(jiān)測(cè)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，舵機(jī)測(cè)試系統(tǒng)滿足舵機(jī)功能測(cè)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(duì)舵機(jī)測(cè)試設(shè)備的需求。