無人機測試數據采集系統設計

楊世君

摘 要：隨著無人機技術的成熟和發展，目前已經被廣泛應用于多個領域，包括航拍和測繪等，相關領域內，無人機技術已經成了不可或缺的技術保障手段。在整個工作過程中，無人機完成的工作主要就是測試數據的采集，包括圖片、視頻和地理測繪數據等內容，設備的數據采集系統整合了無人機的硬件和軟件應用系統，決定了整個數據采集工作功能的穩定性和有效性，是目前相關業務領域比較關注的重點內容。本文結合無人機測試數據采集系統的基本情況，詳細分析了各環節設計的情況，對實際的無人機設計及使用有較強的針對性和實效性。

關鍵詞：無人機；測試；數據采集系統；設計

目前，我國無人機技術已經取得非常大的進步，一些關鍵技術處于世界領先的地位，可完成一些較高難度的數據獲取任務，無人機的飛行系統也更趨復雜，同時，其在任務完成過程中發生故障的情況也會越來越高。為有效降低無人機運行中發生故障的概率，需要對無人機在研發階段通過性能測試，才能認定該研發工作的徹底完成。利用無人機參數的實際測量，可取得該型無人機核心設備的運行狀態，這對于提升無人機的整體性能，以及對無人機的故障進行診斷，都有非常重要的價值。

1 無人機的設計需求及方案

1.1 設計的基本需求

測量無人機運行信號的主要內容包括對電流、電壓、脈沖頻率信號、開關量信號、通信協議標準接口信號等的測試。具體來說，對無人機測試數據進行采集的系統其功能主要分為如下幾個部分：

一是信號的調理部分。按照無人機傳感器所具有的電特性，以及輸出開關信號實施調理控制電路的結構特點和性能指標，對外加電壓的電平限幅與轉換、強弱電隔離、電流以及電壓的轉換、電動阻抗變換、電感濾波等。

二是數據的采集部分。數據采集部分主要包括電壓信號采集、電流信號采集、頻率信號采集、開關量信號采集，并且還要進一步設計包括RS 202接口、RS 455接口、USB接口等部分，實現無人機系統的數字信號的采集傳輸功能。

三是無線數據的收發部分。無線數據的收發是進行無人機無線控制的關鍵部位，其主要是用來做數據采集端及上位機的數據通信功能。通過無線通信技術控制無人機，可有效增加系統數據通信手段的靈活性。

1.2 設計方案的選擇和優化

無人機數據采集系統主要包括兩個部分：即數據采集傳輸部分以及終端處理部分。其中，數據采集部分的硬件設施被安置在無人機的實際測試端，而終端處理部分則安裝在控制范圍內某適宜的地面位置，來完成數據接收以及顯示等功能。在具體實現功能的過程中，置于無人機測試端的數據采集裝置，會接收到通過終端計算機應用軟件以及射頻發射系統發送來的采集數據指令信息，數據采集板卡會直接接收這些采集命令的數據包，通過上位機進行發送操作命令以實現預先設定的數據采集功能，并同時會將所采集到的各種數據實時傳送給上位機端，實時進行顯示、存儲，任務完成后，再繼續之后的數據回放以及數據分析等工作內容。

2 系統硬件的設計

系統硬件是無人機系統的物理基礎，是實現功能的前提保障，硬件系統的性能差異，決定了無人機系統的整體功能和完成具體任務的能力。下面將就兩個方面對無人機系統硬件設計進行重點討論。

2.1 無線收發模塊的設計

無人機的無線數據采集系統的數據發射與接收功能，主要是利用美國TI公司研發生產的C1001射頻芯片，該芯片通過內置的連接數據采集端以及計算機相關接口端，實現了這兩端無阻礙的數據通信功能，當上位機執行數據采集指令時，會將采集數據的參數發送同時執行采集數據回傳功能。按照STM32F103VE模塊控制器所收集到的數據，整個采集板卡會利用G端口及S總線接口與C1001進行連接，實現了對射頻芯片內置寄存器的實時讀寫和狀態情況監測。

2.2 信號調制電路的設計

（1）對系統內電壓信號的調制。該設計中通常都會選擇雙電源的方式供電，并使用交直流電源模塊MDB12 D12來產生12V的直流電壓，系統中選擇了TL421生成電壓參考的基準電平，TL421是廣泛使用于信號調制設計領域的高精度可控穩壓電源，實際控制的電壓精度保持在0.5%的范圍浮動，能夠為電壓調制提供電壓基準參考電勢。本次應用中，主要使用TL421產生的3V電壓，并需要將其轉換成-3V，以此來為后續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中高頻信號的干擾以及抗混疊，對信號調理通道中加入一個低通濾波器，使用運放構成一個壓控電壓源低通濾波器。

（2）對系統內電流信號的調制。對于系統電流信號的信號進行調制，通常情況下會選用0.1%精度的電阻進行分壓，來得到實際所需的電壓信號。電流輸出型傳感器輸出信號通常范圍在4至20mA，所以選擇150Ω的高精度電阻將系統電流信號進一步轉換成0.6至3V的電壓信號，通過ADC進行采集。

3 系統的軟件設計

系統軟件是應用功能的具體設定，通過對無人機系統運行和工作狀態的調整，實現預期的任務要求。在實際的設計過程中，主要考慮三個方面的設計要素：

3.1 數據采集的主程序設計

主控制器上電初始化設計主要用于實現對外設以及內核模塊的綜合配置應用，具體而言，主控制器的系統數據總線其時鐘選擇是以頻率為8MHz的辣子外部的晶振作為整個系統時鐘，再利用系統內部的鎖相環設置將倍頻調整到72MHz。對時鐘進行初始化時，此時系統數據總線的時鐘頻率以及高速總線的時鐘頻率均為72MHz。而高速總線得以掛接的外設，包括通用輸入輸出端口、ADC設備，因為ADC設備的輸入時鐘不可以大于14MHz，所以，實際的ADC時鐘分頻確定為12MHz。

3.2 電壓信號數據采集程序設計

數據采集系統接收傳感器或變送器輸出的標準信號，如-10-10V的電壓信號，4-20mA電流信號。這些模擬信號通過信號調理轉換為0-3V的電壓信號，由控制器的12位ADC轉換為數字量，再通過SPI接口的無線射頻模塊將采集數據發送到PC機。將多次轉換的結果通過DMA存儲到SRAM中，并將這些數據求平均，可以使采樣值更加精確。

3.3 脈沖頻率信號采集程序設計

以測量無人機轉速為例，選用的是光電傳感器，其測試碼盤有30個齒輪。實際設計中，使用STM32F103VE的通用定時器功能進行脈沖頻率信號的采集。將定時器管腳選擇為上升沿觸發，當上升沿信號觸發時，計數器開始計數，當下一個上升沿到來時，在中斷程序中記下定時器的計數值，根據定時器工作時鐘頻率，可以計算出外界輸入信號的頻率。

4 結束語

綜上所述，為確保無人機系統工作的安全性和可靠性，要專門針對無人機系統的各功能模塊進行必要的測試工作，這一過程中，要強化對系統的總體、硬件、軟件等系統的設計，加強對軟硬件系統的調試，實現預期的測試系統設計目標。經實踐檢驗，該調試系統的運行非常穩定，而各項功能也都可以正常完成，通過這一設計，可解決包括旋轉測試以及短距離測試涉及到的數據傳輸問題。這是一種非常可取的有益嘗試，對實際應用中無人機數據采集系統設計的完善有很好的參考價值。

參考文獻

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