CN104634600A - 民用无人机舵机自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种民用无人机舵机自动检测系统。本发明包括硬件部分、上位机软件部分和下位机软件部分。硬件部分包括机器视觉采集设备、数据采集卡、单片机、力矩加载模块、压力传感器、工作台。上位机软件部分由LabVIEW程序实现，LabVIEW程序包括串口初始化、图像与数据采集处理、通信动作执行。下位机软件部分完成舵机控制信号输出和力矩加载模块控制信号输出。本发明将高精度的数据采集设备、计算机和功能强大的软件相结合，实现了舵机静、动态性能的并行测试，能够更快速、高效、精确地测试舵机的性能参数。

Description

民用无人机舵机自动检测系统

技术领域

本发明属于自动化测试领域，尤其涉及一种基于机器视觉技术的舵机自动检测系统。

背景技术

舵机是民用无人机上非常重要的组成部分，作为无人机飞行控制系统中的伺服机构，它接收飞行器控制系统的控制信号，驱动舵面的偏转，从而来控制无人机的飞行姿态和航线。因此，舵机系统的性能好坏对飞行控制系统的性能和飞行安全有着极为重要的影响，舵机系统的任何微小的故障都可能导致无人机毁灭性的结果。因此，对舵机的相关参数进行测量，进行静、动态性能测试是必不可少的重要环节。

传统的舵机检测，在检测方法上较为落后，测试设备落后、自动化程度低，检测数据的记录、处理等方面甚至完全依靠人工手动完成，记录结果很难进行综合统计分析，测试过程费时费力效率十分地低，测试的参数又不全面，并且其测试精度较低。

机器视觉技术主要是用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。它把计算机的快速性、灵活性和可复现性，与人眼视觉的高度智能和抽象理解能力相结合，大大提高了生产、测量和监控的柔性和自动化程度。其最大的特点是速度快、信息量大、功能多。

发明内容

本发明针对传动舵机检测的不足之处，利用了机器视觉无接触、速度快、信息量大、功能多等特点，设计了一种基于机器视觉的民用无人机舵机自动检测系统，可快速、高效、精确、无接触地检测出舵机的性能参数，包括回中误差、满舵角度、扭力、转动速度、最小转动死区以及舵机的非线性参数的测试。

本发明的技术方案包括：硬件构成、LabVIEW 程序设计、C语言程序设计。

硬件构成包括机器视觉采集设备、数据采集卡、单片机、力矩加载模块、压力传感器、工作台等。所述视觉采集设备、数据采集卡、单片机、力矩加载模块均安装固定于工作台。所述压力传感器安装在力矩加载模块。所述视觉采集设备，优选地，采用工业相机，安装在所测舵机正上方。所述视觉采集设备、数据采集卡、单片机均与计算机连接。所述力矩加载可由微型伺服电机与微型丝杠或者微型汽缸构成，但并不限定于此。所述单片机与力矩加载模块连接，用于控制力矩输出。所述压力传感器安装在力矩加载模块上，并与数据采集卡连接，用于传递压力数值。

LabVIEW程序设计包括串口初始化、图像与数据采集处理、通信动作执行等步骤。所述串口初始化需要配置视觉采集设备正确的输入端口，所述串口初始化与单片机通信参数按照其标准进行配置：波特率为9600bit/s ；数据比特为7 位；奇偶校验方式采用偶校验；停止位为1 位。所述图像与数据采集处理使用LabVIEW以及其扩展工具包IMAQ、Vision Assistant、NI-DAQ等控制视觉采集设备、数据采集卡，并对采集到的图像与数据进行处理分析。所述通信动作执行由“VISA 写入”、“VISA 读取”、“VISA 关闭”函数完成。

C语言程序（单片机）包括舵机控制信号输出、力矩加载模块控制信号输出。所述舵机控制信号与力矩加载模块控制信号为一定周期与脉冲宽度的脉冲信号。

本发明实现的民用无人机舵机的自动测试系统是基于LabVIEW的机器视觉与单片机通信控制技术，其利用视觉采集设备采集图像，单片机进行控制信号的输出，数据采集卡进行数据采集，而LabVIEW进行统筹控制，将高精度的数据采集设备、计算机和功能强大的软件相结合，实现了舵机静、动态性能的并行测试，能够更快速、高效、精确地测试舵机的性能参数。其能够有效地提高舵机的测试效率，减少了无人机的维护时间。

附图说明

图1是本发明的外观简化示意图；

图2是本发明的框架流程图；

图3是常用舵机的控制信号脉冲宽度；

图4是舵机转动角度与脉冲信号宽度的关系；

图5是本发明舵机的测试项目；

图6是LabVIEW程序图像采集处理的流程图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进一步详细描述。

如图1所示，为整个系统的简化外观示意图，工业相机1置于舵机2的正上方，舵机由夹具5固定在工作台4上，力矩加载模块3置于舵机的一侧，其一端可伸缩，以便于测试舵机的扭力而不影响采集的图像。

如图2所示，为本发明的框架流程图。系统在计算机LabVIEW平台上进行运行，通过LabVIEW软件来控制整合视觉采集设备、单片机、数据采集卡。视觉采集设备对舵机进行图像采集并将图像数据传至计算机，单片机发送控制指令至舵机控制舵机转动，发送指令至力矩加载模块控制其力矩输出。传感器采集压力数据传至数据采集卡，数据采集卡再将其反馈至计算机。

如图3、图4所示，为舵机常见控制信号的脉冲宽度以及脉冲宽度与舵机角度位置的关系。舵机的常见控制信号的周期为20ms，脉冲宽度在1ms-2ms之间。脉冲宽度为1ms与2ms时，舵机位置分别在0°与180°；宽度为1.5ms时，舵机位置处于中间位置，即90°。

如图5所示，为本发明能够测试的几项参数，包括回中误差、满舵角度、扭力、转动速率、最小转动死区以及舵机的非线性参数的测试。各参数具体概念以及具体测试方案如下：

回中误差：舵机摇臂每次回到中间位置时的角度误差。测试方案：单片机每隔1秒发送控制指令（指令为周期20ms的方波，高电平持续时间为1ms、1.5ms、2ms来回变化）至舵机，舵机摇臂随之左满舵、中立位置、右满舵三种状态反复切换，LabVIEW控制工业相机进行图像采集，经过图像处理得到回到舵机摇臂中间位置时的角度，经计算得到最终结果。

满舵角度：舵机摇臂满舵时的具体角度。测试方案：在测试回中误差的同时，可在舵机满舵时用工业相机记录下舵机摇臂当时的角度。

转动速率：舵机工作时摇臂的转动角速度。测试方案：设定工业相机的每秒帧数，当舵机摇臂转动时采集图像，根据两帧图像之间的角度差得出舵机转动角速度。

最小转动死区：控制信号不使舵机摇臂运动的最大变化区域。测试方案：通过单片机使控制信号微小地变化，工业相机记录舵机摇臂角度，当角度大于某个值时其控制信号的变化即为最小死区。

扭力：舵机静止时，外力在距舵机转盘中心1CM的地方使舵机摇臂运动时的力。测试方案：将力矩加载模块施加力于距舵机转盘中心1CM的摇臂处，与力矩加载模块相连的传感器可反馈即时的压力数据。单片机控制微型丝杆运动，工业相机记录舵机摇臂角度，当角度变化时即得到舵机的扭力。

非线性曲线参数：指当所测试的某个参数变化时，另一个参数随之变化的曲线图，比如脉冲宽度与舵机转动角度、电压与扭力、电压与转动速度之间的关系等。测试方案：改变某一测试参数的数值，记录下另一参数的变化情况。

如图6所示，为LabVIEW程序中图像采集的流程图。1、将工业相机打开并创建缓存区；2、控制工业相机采集图像。3、对采集的图像进行预处理，预处理包括图像灰度化、中值滤波等；4、对采集的舵机图像进行角度测量；5、对测得的角度数据进行计算处理得到测试结果；6、控制工业相机关闭相机，并清除缓存。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.民用无人机舵机自动检测系统，包括硬件部分、上位机软件部分和下位机软件部分，其特征在于：

硬件部分包括机器视觉采集设备、数据采集卡、单片机、力矩加载模块、压力传感器、工作台；所述视觉采集设备、数据采集卡、单片机、力矩加载模块均安装固定于工作台；

所述力矩加载模块用于对舵机进行力矩加载，所述单片机与力矩加载模块连接，用于控制力矩输出；所述视觉采集设备安装在所测舵机正上方；所述压力传感器安装在力矩加载模块上，并与数据采集卡连接，用于传递压力数值，所述视觉采集设备、数据采集卡、单片机均与计算机连接；

上位机软件部分由LabVIEW程序实现，LabVIEW程序包括串口初始化、图像与数据采集处理、通信动作执行；所述串口初始化用于配置视觉采集设备正确的输入端口，所述串口初始化与单片机通信参数进行如下配置：波特率为9600bit/s ；数据比特为7 位；奇偶校验方式采用偶校验；停止位为1 位；所述图像与数据采集处理使用LabVIEW以及其扩展工具包IMAQ、Vision Assistant、NI-DAQ，用来控制视觉采集设备、数据采集卡，并对采集到的图像与数据进行处理分析；所述通信动作执行由“VISA 写入”、“VISA 读取”、“VISA 关闭”函数完成；

下位机软件部分完成舵机控制信号输出和力矩加载模块控制信号输出；所述舵机控制信号与力矩加载模块控制信号为一定周期与脉冲宽度的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的民用无人机舵机自动检测系统，其特征在于：所述视觉采集设备采用工业相机。

3.根据权利要求1所述的民用无人机舵机自动检测系统，其特征在于：所述力矩加载模块由微型伺服电机与微型丝杠或者微型汽缸构成。

4.根据权利要求2所述的民用无人机舵机自动检测系统，其特征在于：该系统能够测试的参数包括回中误差、满舵角度、扭力、转动速率、最小转动死区以及舵机的非线性参数的测试；

回中误差：舵机摇臂每次回到中间位置时的角度误差；测试方案：单片机每隔1秒发送控制指令至舵机，指令为周期20ms的方波，高电平持续时间为1ms、1.5ms、2ms来回变化，舵机摇臂随之左满舵、中立位置、右满舵三种状态反复切换，LabVIEW程序控制工业相机进行图像采集，经过图像处理得到回到舵机摇臂中间位置时的角度，经计算得到最终结果；

满舵角度：舵机摇臂满舵时的具体角度；测试方案：在测试回中误差的同时，可在舵机满舵时用工业相机记录下舵机摇臂当时的角度；

转动速率：舵机工作时摇臂的转动角速度；测试方案：设定工业相机的每秒帧数，当舵机摇臂转动时采集图像，根据两帧图像之间的角度差得出舵机转动角速度； 

最小转动死区：控制信号不使舵机摇臂运动的最大变化区域；测试方案：通过单片机使控制信号微小地变化，工业相机记录舵机摇臂角度，当角度大于某个值时其控制信号的变化即为最小死区；

扭力：舵机静止时，外力在距舵机转盘中心1CM的地方使舵机摇臂运动时的力；测试方案：将力矩加载模块施加力于距舵机转盘中心1CM的摇臂处，与力矩加载模块相连的传感器可反馈即时的压力数据；单片机控制力矩加载模块运动，工业相机记录舵机摇臂角度，当角度变化时即得到舵机的扭力； 

非线性曲线参数：指当所测试的某个参数变化时，另一个参数随之变化的曲线图；测试方案：改变某一测试参数的数值，记录下另一参数的变化情况。