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)也逐漸成為一個新的商業(yè)熱點，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)計過程中調(diào)試效率的關(guān)鍵。本文將對四旋翼無人機(jī)的三個關(guān)鍵部分的測試進(jìn)行實測介紹。

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，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)計還是調(diào)試過程都占據(jù)了大量的時間。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。

飛控測試包含的測試內(nèi)容如下：

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將高度信息反饋給飛控，光流模塊也會定時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，返回數(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。每個字節(jié)后必須跟一個響應(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，SDA發(fā)生從高到低的翻轉(zhuǎn)

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

第9個比特是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)出的最后一個字節(jié)時產(chǎn)生一個響應(yīng)，向從機(jī)發(fā)送器通知數(shù)據(jù)結(jié)束。

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個引腳(DB-9) 或是25個引腳 (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。控制電路會定時給超聲定高模塊發(fā)送讀數(shù)命令，之后各個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(even)，2位停止位，無流控。幀間隔為14ms (analog mode) 或 7ms (highspeed mode) 。每幀25個字節(jié),順序如下: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)會實時將無人機(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。

遙控器

遙控器測試包含以下三個方面：

1.無線頻率

2.占用帶寬

3.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

遙控信號占用帶寬測試

遙控信號通道功率測試

電機(jī)測試

電機(jī)測試主要包含以下方面：

1. PWM調(diào)速

2.穩(wěn)定性

無人機(jī)多個電機(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，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。