無人機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊世君

摘 要：隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括航拍和測(cè)繪等，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成了不可或缺的技術(shù)保障手段。在整個(gè)工作過程中，無人機(jī)完成的工作主要就是測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，包括圖片、視頻和地理測(cè)繪數(shù)據(jù)等內(nèi)容，設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了無人機(jī)的硬件和軟件應(yīng)用系統(tǒng)，決定了整個(gè)數(shù)據(jù)采集工作功能的穩(wěn)定性和有效性，是目前相關(guān)業(yè)務(wù)領(lǐng)域比較關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。本文結(jié)合無人機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本情況，詳細(xì)分析了各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的情況，對(duì)實(shí)際的無人機(jī)設(shè)計(jì)及使用有較強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)效性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；測(cè)試；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得非常大的進(jìn)步，一些關(guān)鍵技術(shù)處于世界領(lǐng)先的地位，可完成一些較高難度的數(shù)據(jù)獲取任務(wù)，無人機(jī)的飛行系統(tǒng)也更趨復(fù)雜，同時(shí)，其在任務(wù)完成過程中發(fā)生故障的情況也會(huì)越來越高。為有效降低無人機(jī)運(yùn)行中發(fā)生故障的概率，需要對(duì)無人機(jī)在研發(fā)階段通過性能測(cè)試，才能認(rèn)定該研發(fā)工作的徹底完成。利用無人機(jī)參數(shù)的實(shí)際測(cè)量，可取得該型無人機(jī)核心設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)于提升無人機(jī)的整體性能，以及對(duì)無人機(jī)的故障進(jìn)行診斷，都有非常重要的價(jià)值。

1 無人機(jī)的設(shè)計(jì)需求及方案

1.1 設(shè)計(jì)的基本需求

測(cè)量無人機(jī)運(yùn)行信號(hào)的主要內(nèi)容包括對(duì)電流、電壓、脈沖頻率信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接口信號(hào)等的測(cè)試。具體來說，對(duì)無人機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的系統(tǒng)其功能主要分為如下幾個(gè)部分：

一是信號(hào)的調(diào)理部分。按照無人機(jī)傳感器所具有的電特性，以及輸出開關(guān)信號(hào)實(shí)施調(diào)理控制電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)，對(duì)外加電壓的電平限幅與轉(zhuǎn)換、強(qiáng)弱電隔離、電流以及電壓的轉(zhuǎn)換、電動(dòng)阻抗變換、電感濾波等。

二是數(shù)據(jù)的采集部分。數(shù)據(jù)采集部分主要包括電壓信號(hào)采集、電流信號(hào)采集、頻率信號(hào)采集、開關(guān)量信號(hào)采集，并且還要進(jìn)一步設(shè)計(jì)包括RS 202接口、RS 455接口、USB接口等部分，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)的采集傳輸功能。

三是無線數(shù)據(jù)的收發(fā)部分。無線數(shù)據(jù)的收發(fā)是進(jìn)行無人機(jī)無線控制的關(guān)鍵部位，其主要是用來做數(shù)據(jù)采集端及上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能。通過無線通信技術(shù)控制無人機(jī)，可有效增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信手段的靈活性。

1.2 設(shè)計(jì)方案的選擇和優(yōu)化

無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：即數(shù)據(jù)采集傳輸部分以及終端處理部分。其中，數(shù)據(jù)采集部分的硬件設(shè)施被安置在無人機(jī)的實(shí)際測(cè)試端，而終端處理部分則安裝在控制范圍內(nèi)某適宜的地面位置，來完成數(shù)據(jù)接收以及顯示等功能。在具體實(shí)現(xiàn)功能的過程中，置于無人機(jī)測(cè)試端的數(shù)據(jù)采集裝置，會(huì)接收到通過終端計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件以及射頻發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)指令信息，數(shù)據(jù)采集板卡會(huì)直接接收這些采集命令的數(shù)據(jù)包，通過上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送操作命令以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)采集功能，并同時(shí)會(huì)將所采集到的各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)端，實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，任務(wù)完成后，再繼續(xù)之后的數(shù)據(jù)回放以及數(shù)據(jù)分析等工作內(nèi)容。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件是無人機(jī)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)功能的前提保障，硬件系統(tǒng)的性能差異，決定了無人機(jī)系統(tǒng)的整體功能和完成具體任務(wù)的能力。下面將就兩個(gè)方面對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)討論。

2.1 無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

無人機(jī)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)射與接收功能，主要是利用美國(guó)TI公司研發(fā)生產(chǎn)的C1001射頻芯片，該芯片通過內(nèi)置的連接數(shù)據(jù)采集端以及計(jì)算機(jī)相關(guān)接口端，實(shí)現(xiàn)了這兩端無阻礙的數(shù)據(jù)通信功能，當(dāng)上位機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，會(huì)將采集數(shù)據(jù)的參數(shù)發(fā)送同時(shí)執(zhí)行采集數(shù)據(jù)回傳功能。按照STM32F103VE模塊控制器所收集到的數(shù)據(jù)，整個(gè)采集板卡會(huì)利用G端口及S總線接口與C1001進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻芯片內(nèi)置寄存器的實(shí)時(shí)讀寫和狀態(tài)情況監(jiān)測(cè)。

2.2 信號(hào)調(diào)制電路的設(shè)計(jì)

（1）對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電壓信號(hào)的調(diào)制。該設(shè)計(jì)中通常都會(huì)選擇雙電源的方式供電，并使用交直流電源模塊MDB12 D12來產(chǎn)生12V的直流電壓，系統(tǒng)中選擇了TL421生成電壓參考的基準(zhǔn)電平，TL421是廣泛使用于信號(hào)調(diào)制設(shè)計(jì)領(lǐng)域的高精度可控穩(wěn)壓電源，實(shí)際控制的電壓精度保持在0.5%的范圍浮動(dòng)，能夠?yàn)殡妷赫{(diào)制提供電壓基準(zhǔn)參考電勢(shì)。本次應(yīng)用中，主要使用TL421產(chǎn)生的3V電壓，并需要將其轉(zhuǎn)換成-3V，以此來為后續(xù)的電壓平移并作為衰減電路的輸入電平，為了降低被采集信號(hào)中高頻信號(hào)的干擾以及抗混疊，對(duì)信號(hào)調(diào)理通道中加入一個(gè)低通濾波器，使用運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)壓控電壓源低通濾波器。

（2）對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電流信號(hào)的調(diào)制。對(duì)于系統(tǒng)電流信號(hào)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，通常情況下會(huì)選用0.1%精度的電阻進(jìn)行分壓，來得到實(shí)際所需的電壓信號(hào)。電流輸出型傳感器輸出信號(hào)通常范圍在4至20mA，所以選擇150Ω的高精度電阻將系統(tǒng)電流信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成0.6至3V的電壓信號(hào)，通過ADC進(jìn)行采集。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是應(yīng)用功能的具體設(shè)定，通過對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行和工作狀態(tài)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的任務(wù)要求。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮三個(gè)方面的設(shè)計(jì)要素：

3.1 數(shù)據(jù)采集的主程序設(shè)計(jì)

主控制器上電初始化設(shè)計(jì)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)以及內(nèi)核模塊的綜合配置應(yīng)用，具體而言，主控制器的系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線其時(shí)鐘選擇是以頻率為8MHz的辣子外部的晶振作為整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，再利用系統(tǒng)內(nèi)部的鎖相環(huán)設(shè)置將倍頻調(diào)整到72MHz。對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行初始化時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的時(shí)鐘頻率以及高速總線的時(shí)鐘頻率均為72MHz。而高速總線得以掛接的外設(shè)，包括通用輸入輸出端口、ADC設(shè)備，因?yàn)锳DC設(shè)備的輸入時(shí)鐘不可以大于14MHz，所以，實(shí)際的ADC時(shí)鐘分頻確定為12MHz。

3.2 電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收傳感器或變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如-10-10V的電壓信號(hào)，4-20mA電流信號(hào)。這些模擬信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換為0-3V的電壓信號(hào)，由控制器的12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過SPI接口的無線射頻模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。將多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過DMA存儲(chǔ)到SRAM中，并將這些數(shù)據(jù)求平均，可以使采樣值更加精確。

3.3 脈沖頻率信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)

以測(cè)量無人機(jī)轉(zhuǎn)速為例，選用的是光電傳感器，其測(cè)試碼盤有30個(gè)齒輪。實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用STM32F103VE的通用定時(shí)器功能進(jìn)行脈沖頻率信號(hào)的采集。將定時(shí)器管腳選擇為上升沿觸發(fā)，當(dāng)上升沿信號(hào)觸發(fā)時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來時(shí)，在中斷程序中記下定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，根據(jù)定時(shí)器工作時(shí)鐘頻率，可以計(jì)算出外界輸入信號(hào)的頻率。

4 結(jié)束語

綜上所述，為確保無人機(jī)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，要專門針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的各功能模塊進(jìn)行必要的測(cè)試工作，這一過程中，要強(qiáng)化對(duì)系統(tǒng)的總體、硬件、軟件等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)軟硬件系統(tǒng)的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該調(diào)試系統(tǒng)的運(yùn)行非常穩(wěn)定，而各項(xiàng)功能也都可以正常完成，通過這一設(shè)計(jì)，可解決包括旋轉(zhuǎn)測(cè)試以及短距離測(cè)試涉及到的數(shù)據(jù)傳輸問題。這是一種非常可取的有益嘗試，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善有很好的參考價(jià)值。

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