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、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)代社會科學技術的快速發(fā)展，無人機已經(jīng)應用于社會的各個領域，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 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角度，控制信號為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）波。舵機的搖臂通過連桿與舵面、油門等設備連接，故舵機的偏轉角度與舵面、油門等設備實際偏轉的角度有偏差；再者，舵面和油門轉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指令的偏轉角度超出范圍，進而引發(fā)危險；因此需要對舵機進行人工標定，使舵機偏轉的角度和舵面實際偏轉的角度一致，超出范圍的偏轉指令按照最大角度的偏轉進行處理。

舵機的轉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動角度范圍內(nèi)進行持續(xù)的轉動，測試舵機的轉動是否正常。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。可為每路舵機單獨供電進行測試；2）標定。通過地面站操控設備，可對舵機進行標定；3）轉動。通過地面站操控設備，可使舵機進行轉動測試，轉動時間為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，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，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。

控制軟件根據(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和波段開關。電源開關控制測試設備的上電、斷電；波段開關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個舵機的標定和轉動控制。舵機控制軟件結構框圖如圖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 舵機控制軟件結構框圖

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5300mAh，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、轉動功能和監(jiān)測功能共五部分功能試驗。試驗結果見表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；列出七個舵機轉動試驗結果數(shù)據(jù)和七個舵機測試功能試驗結果數(shù)據(jù)。

表3 試驗結果

舵機標定試驗結果見表4，舵機標定準確性的檢驗結果見表5。

表4 舵機標定試驗結果

表5 舵機標定準確性的檢驗結果

舵機轉動功能試驗結果見表6。

表6 舵機轉動功能試驗結果

舵機監(jiān)測功能試驗結果見表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)測功能試驗結果

4 結論

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。