近幾年，多旋翼無人機(jī)在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如視頻拍攝、輸電線路勘測、安防監(jiān)控等。多旋翼無人機(jī)也逐漸成為一個(gè)新的商業(yè)熱點(diǎn)，引起了專業(yè)人士、業(yè)余愛好者和高校師生等眾多群體的關(guān)注。而多旋翼無人機(jī)組件性能的測試是保證其設(shè)計(jì)過程中調(diào)試效率的關(guān)鍵。本文會對四旋翼無人機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵部分的測試進(jìn)行實(shí)測介紹。

一、飛控測試

飛控板的作用是從接收機(jī)接收控制信號，轉(zhuǎn)換為4個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速信息后，通過飛控板上的陀螺儀對四軸飛行狀態(tài)進(jìn)行快速調(diào)整，控制飛行器的平衡狀態(tài)。主要作用是給多旋翼飛機(jī)增穩(wěn)。比如做懸停動作時(shí)，四軸無人機(jī)需要飛控不斷調(diào)整四軸電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其平衡穩(wěn)定保持懸停狀態(tài)。

飛控是四旋翼無人機(jī)的核心控制部分。因其較高的精度控制要求及多種總線通信信號的處理要求，使其無論在設(shè)計(jì)還是調(diào)試過程都占據(jù)了大量的時(shí)間。通常無人機(jī)組裝過程中對飛控的調(diào)試占據(jù)了90%以上的時(shí)間。因而對其使用測試儀器進(jìn)行測試可以提高調(diào)試效率。

飛控測試包含以下測試內(nèi)容

I2C總線

飛控板與各控制部分間通信都是采用總線。如定高超聲波模塊會定時(shí)將高度信息反饋給飛控，光流模塊也會定時(shí)將掃描到的地面位置信息反饋給飛控進(jìn)而對比得到位置變化信息。這些通信采用的都是I2C總線，在調(diào)試過程可以通過示波器測試指令發(fā)送的正確性，返回?cái)?shù)據(jù)的傳輸正確性及信號本身的傳輸質(zhì)量，快速檢查通信質(zhì)量。

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。通過串行數(shù)據(jù)（SDA）線和串行時(shí)鐘（SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息。支持7位和10位尋址模式。

I2C總線有三種數(shù)據(jù)傳輸速度：標(biāo)準(zhǔn)的是100Kbps，快速模式為400Kbps，高速模式為3.4Mbps。發(fā)送到SDA 線上的每個(gè)字節(jié)必須為8 位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位（MSB）。

I2C的包起始信息- SCL為高時(shí)，SDA發(fā)生從高到低的翻轉(zhuǎn)

I2C的停止?fàn)顟B(tài)– SCL為高時(shí)，SDA發(fā)生從低到高的翻轉(zhuǎn)

第9個(gè)比特是Master 發(fā)出的ACK(響應(yīng))，要求傳輸中主機(jī)接收器必須通過在從機(jī)發(fā)出的最后一個(gè)字節(jié)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)，向從機(jī)發(fā)送器通知數(shù)據(jù)結(jié)束。

7-bit I2C總線禎結(jié)構(gòu)

通過示波器可對I2C總線信號進(jìn)行觀測并解碼查看返回高度信息。

超聲波定位信息通信解碼

光流定位信息通信解碼

RS232總線

其他通信部分還會采用串口通信。如定高超聲波控制板與超聲波模塊間采用RS232進(jìn)行通信。

RS232是異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口，是目前最常用的一種串行通訊接口。規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50,75,100,150,300,600,1200,2400,4800,9600,19200波特。通常以9個(gè)引腳(DB-9) 或是25個(gè)引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)。工業(yè)控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三條線。其結(jié)構(gòu)如下：

–1個(gè)起始比特

–每字符7或8數(shù)據(jù)比特

–任意奇偶比特

–1或2個(gè)截至比特

–與其它串行總線不同（采用負(fù)邏輯）高電平為邏輯”0”,低電平為邏輯”1”

通過示波器可測試超聲定高模塊與控制電路間的RS232通信質(zhì)量?？刂齐娐窌〞r(shí)給超聲定高模塊發(fā)送讀數(shù)命令，之后各個(gè)超聲定高模塊會將各自當(dāng)前高度值傳回給控制電路分析。所以可以從示波器解碼出來的RS232 TX和RX信息看出之間的觸發(fā)關(guān)系及對應(yīng)的高度信息是否正確。

S-bus總線

S-BUS總線為futaba使用的串行通信協(xié)議。實(shí)際上為串口通信。主要用在接收機(jī)接收遙控器控制信號后與飛控間通信。串口配置為波特率100kbps，8位數(shù)據(jù)，偶校驗(yàn)(even)，2位停止位，無流控。幀間隔為14ms (analog mode) 或 7ms (highspeed mode) 。每幀25個(gè)字節(jié),順序如下

起始字節(jié)startbyte = 11110000b (0xF0)，但實(shí)際上用STM32收到的是0x0F。中間22個(gè)字節(jié)就是16個(gè)通道的數(shù)據(jù)。data1為ch1的低8位，data2的低3位為ch1的高三位，data2的高5位是ch2的低5位，data3的低6位是ch2的高6位，以此類推。

data 1-22= [ch1, 11bit][ch2, 11bit] .... [ch16, 11bit] (ch# = 0 bis 2047)

通過示波器的解碼功能，可定位通道控制信息。

數(shù)傳通信

四旋翼無人機(jī)會實(shí)時(shí)將無人機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)通過無線信號發(fā)送給APP控制端。此外一些攜帶攝像機(jī)或照相機(jī)的無人機(jī)也會通過無線信號進(jìn)行圖傳。所以可通過頻譜分析儀測試無線傳輸信號的頻率范圍及功率大小。通過在頻譜分析儀接收端連接頻率匹配的天線，在數(shù)傳無線信號工作時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，通過調(diào)節(jié)無人機(jī)的距離可測試接收功率與距離的關(guān)系。

二、遙控器

遙控器測試包含以下三個(gè)方面：

無線頻率

占用帶寬

發(fā)射功率

遙控器信號質(zhì)量的好壞直接決定著對四旋翼無人機(jī)的飛行操控性。所以在設(shè)計(jì)和問題排查階段對遙控器發(fā)出的無線信號頻率穩(wěn)定度，頻率偏差，占用帶寬，通道功率等進(jìn)行標(biāo)測，可確保遙控信號的質(zhì)量和問題的定位。

此部分可以通過頻譜分析儀配置頻率匹配的天線進(jìn)行測試。

遙控信號占用帶寬的測試用來確認(rèn)不同信道間是否會產(chǎn)生干擾和竄擾。信道功率用來確認(rèn)發(fā)射功耗情況。

遙控信號占用帶寬測試

遙控信號通道功率測試

三、電機(jī)測試

電機(jī)測試主要包含以下方面：

PWM調(diào)速

穩(wěn)定性

多旋翼無人機(jī)多個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否均勻，穩(wěn)定決定著飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性。無刷直流電機(jī)由于啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，體積小，噪聲小等多種優(yōu)點(diǎn)，使其成為多旋翼無人機(jī)的首選發(fā)動機(jī)。

電機(jī)的調(diào)速是通過控制電路控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間決定的。多旋翼無人機(jī)的調(diào)速一般是采用調(diào)節(jié)三相全橋電路的開關(guān)管的導(dǎo)通信號占空比來實(shí)現(xiàn)的。其控制信號有PWM, PPM, PCM。

可以通過函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生占空比與速度可調(diào)的PWM波形，測試電機(jī)可調(diào)范圍及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。