在小型无人机系统中，舵机是一个重要部件，既是控制舵面和油门的执行部件，又是无人机飞行控制回路的重要组成。舵机根据接收的飞控指令调整副翼、尾翼等舵面的偏转、油门的大小，进而控制无人机的飞行姿态，是保证无人机完成飞行任务和飞行安全的重要器件。

随着现代社会科学技术的快速发展，无人机已经应用于社会的各个领域，同时对无人机的各项性能指标也提出了更高的要求，舵机以其精度高、质量轻、功耗低、体积小、操作简单等优点在无人机中得到了广泛应用。

在小型无人机系统中，使用舵机测试系统可完成舵机供电、标定、转动测试、工作电压和电流的监测。在无人机研制生产阶段，可以使用舵机测试系统调整舵机摇臂，确保舵机行程满足使用要求，避免舵机安装在机翼后出现行程不足的情况；在总装后的系统测试阶段，可使用舵机测试系统完成舵机的标定和转动测试，保证舵机满足控制要求；在飞行系统测试中，可使用舵机测试系统对舵机的设备状态进行检查，保证舵机状态良好，确保无人机安全。

1 舵机测试系统

小型无人机舵机的电气接口含有三根线：电源正、电源负和信号线。电源线为舵机供电；信号线控制舵机的偏转角度，控制信号为脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）波。舵机的摇臂通过连杆与舵面、油门等设备连接，故舵机的偏转角度与舵面、油门等设备实际偏转的角度有偏差；再者，舵面和油门转动的角度在一定范围内，需要处理控制信号以防舵面和油门偏转指令的偏转角度超出范围，进而引发危险；因此需要对舵机进行人工标定，使舵机偏转的角度和舵面实际偏转的角度一致，超出范围的偏转指令按照最大角度的偏转进行处理。

舵机的转动测试可以验证舵机是否可以持续接收控制信号在舵机标定的转动角度范围内进行持续的转动，测试舵机的转动是否正常。监测舵机的工作电压和电流可以检验舵机内部电器是否有损伤，是否有短路、断路等非正常工作状态。

本文中舵机测试系统测试无人机的左外副翼舵机、右外副翼舵机、左内副翼舵机、右内副翼舵机、左方向舵机、右方向舵机和油门舵机共7个舵机。舵机测试系统由舵机测试设备、示波器和地面站操控设备组成。舵机测试系统具备以下功能：1）供电。可为每路舵机单独供电进行测试；2）标定。通过地面站操控设备，可对舵机进行标定；3）转动。通过地面站操控设备，可使舵机进行转动测试，转动时间为2.5min；4）监测。使用示波器可监测工作舵机的实时电压和电流。

2 系统设计

2.1 舵机测试设备

测试设备为舵机提供电源，完成舵机控制信号的处理、存储和传输。测试设备设置一个电源开关，控制测试设备的上电、断电；舵机盒上给每个舵机供电设置单独的开关，人工开启需测试的单个舵机电源后，在地面站软件的操控下，完成该舵机的标定和舵机测试的启停，测试过程中通过示波器监测该路舵机的工作电压、电流，根据监测值及观察舵机转动情况判定该路舵机的完好性，完成测试后舵机回到零位或怠速位后，人工关闭该舵机的供电。

舵机测试设备主要由舵机测试盒、外部格式6S容量为5300mAh电池和配套电缆组成，具有以下功能：能接收地面站操控计算机发送的控制指令；具备控制指令的处理、存储和传输功能；可控制相应的舵机完成功能测试；能为舵机提供电源；具有开关控制功能，控制测试设备的上电、断电；控制被测舵机分别上电、断电；显示舵机的供电电压和外部6S电池的电压，进行电压的辅助监视；面板上设置舵机工作电压的输出端，以便于示波器持续监测舵机的工作电压；具备舵机供电过电压保护，如果舵机供电超过16V，立即切断舵机供电。

1）舵机测试盒

（1）硬件设计

舵机测试盒利用盒体集成舵机控制板、12V稳压模块（SPD100—24S12—D）、比较器和比较器供电稳压模块（SPD20—24S12）、2个电压数码显示表和连接器，舵机测试盒组成如图1所示。

12V稳压模块（SPD100—24S12—D）为舵机供电。比较器判断12V稳压模块（SPD100—24S12—D）的输出电压，如果其输出电压小于11V或者大于16V，比较器切断电压输出，停止为舵机供电，供电稳压模块（SPD20— 24S12）为比较器供电。电压数码显示表显示处于工作状态中舵机的供电电压和外部6S电池的电压。

控制软件根据舵机测试需求开发，舵机控制板接收地面站操控计算机通过串口发送的标定、控制指令，然后舵机控制板根据控制指令完成舵机标定、控制信号的处理、存储和传输功能，控制舵机完成相应的功能测试。连接器通过配套电缆完成测试盒与机载舵机的电气连接。

舵机测试盒上设置电源开关和波段开关。电源开关控制测试设备的上电、断电；波段开关控制七个舵机分别上电、断电。

图1 舵机测试盒的组成

（2）软件设计

舵机控制软件主要完成舵机的标定、舵机标定参数查询、舵机标定参数保存、舵机控制、舵机循环转动和测试等功能，舵机测试盒与舵机、地面操控软件通过RS 422协议进行数据通信，实现对小型无人机的左外副翼舵机、右外副翼舵机、左内副翼舵机、右内副翼舵机、左方向舵机、右方向舵机和油门舵机共7个舵机的标定和转动控制。舵机控制软件结构框图如图2所示。舵机控制软件根据舵机测试任务需求开发，舵机控制软件流程如图3 所示。

图2 舵机控制软件结构框图

图3 舵机控制软件流程

2）6S电池

由外部6S电池直接为舵机控制板、电压数码显示表和12V稳压模块供电，电池容量为5300mAh，尺寸为57mm×43mm×138mm。

3）配套电缆

电缆完成舵机测试盒与被测舵机的电气连接，电缆共有三根。配套电缆信息见表1。

表1 配套电缆信息

2.2 示波器

示波器完成舵机运行过程中的电压、电流监测，主要组成见表2。示波器使用电压探头监测舵机的工作电压，使用电流探头监测舵机的工作电流。

表2 示波器组成

2.3 地面站操控设备

1）硬件设计

地面站操控设备使用联想加固笔记本R2000T，运行Win7系统，使用异步422串口线与舵机控制盒连接。

2）软件设计

地面站操控软件基于QT开发平台、采用C++语言开发。操控软件界面尽量简洁、功能实现尽量采用QT开发平台的库文件，减小开发难度、缩短开发周期。该操控软件基于QHBoxLayout、QTableView、QLabel、QSerialPortInfo等库文件开发，通过Tab键切换界面、按键调出串口设置界面，界面采用网格布局、行布局方式，使用异步422串口与外部通信。

地面站操控软件各功能模块如图4所示。将地面站操控设备与舵机测试盒连接后，可通过串口设置功能设置参数，通过舵机标定、舵机和舵面测试功能完成舵机的标定和舵面测试。

图4 地面站操控软件各功能模块

地面站操控软件界面如图5所示。舵机测试操控命令流程如图6所示。

3 试验结果

首先使用配套电缆将舵机测试盒与被测舵机连接，将地面站操控设备与舵机测试盒连接；使用6S电池为舵机测试盒供电。

图5 地面站操控软件界面

图6 舵机测试操控命令流程

试验包括电压保护功能、供电功能、标定功能、转动功能和监测功能共五部分功能试验。试验结果见表3。完整试验数据量较大，此处具体列出右外副翼舵机标定功能试验结果数据，其余舵机标定功能试验数据与此类似；列出七个舵机转动试验结果数据和七个舵机测试功能试验结果数据。

表3 试验结果

舵机标定试验结果见表4，舵机标定准确性的检验结果见表5。

表4 舵机标定试验结果

表5 舵机标定准确性的检验结果

舵机转动功能试验结果见表6。

表6 舵机转动功能试验结果

舵机监测功能试验结果见表7。

经过试验验证，舵机测试系统满足舵机功能测试的要求，试验结果正常，可使用舵机测试系统进行舵机的测试。

表7 舵机监测功能试验结果

4 结论

本文使用舵机测试设备、外部电池和示波器完成舵机测试系统的设计，可实现舵机供电、标定、转动测试、工作电压和电流的监测。经过试验验证，舵机测试系统满足舵机功能测试的要求，具有体积小、质量轻、功耗低的特点，满足小型无人机对舵机测试设备的需求。