是德科技民用无人机关键技术和测试方案Ver1.0.pdf

1、1 民用无人机关键技术和测试方案 是德科技 （ 中国 ） 有限公司 2 目录 1 无人机概述 4 1.1 无人机产业链 . 5 1.2 民用无人机的应用 . 6 1.3 军用无人机的特点和发展方向 . 7 2 无人机系统的组成和关键技术 9 2.1 电源和电源管理系统 . 10 2.2 动力系统 . 11 2.3 飞行控制系统 . 12 2.3.1 中心控制模块 13 2.3.2 传感器模块 13 2.3.3 通信与导航系统 14 2.4 民用无人机系统的实际案例 . 15 2.4.1 大疆 “悟 Inspire2”无人机技术指标和参数 . 15 2.4.2 某机构研究的四旋翼无人机飞控系统的

2、硬件构成和实现 17 3 无人机系统相关测试概述 22 4 无人机系统测试方案 24 4.1 电源动力系统测试 . 24 4.1.1 电池和电池组的分析和测试 25 4.1.2 电源管理单元测试 28 4.2 高速数字电路和接口测 试 . 30 4.2.1 模拟数字混合电路信号测试 33 4.2.2 CAN总线协议解码触发测试 37 4.2.3 USB3.0、 HDMI一致性测试 . 41 3 4.2.4 存储器测试 . 49 4.3 射频通讯系统测试 . 50 4.3.1 定位导航测试 50 4.3.2 无线遥控系统测试 54 4.3.3 无线数传通信测试 56 4.3.4 无人机 24G雷

3、达 传感器测试 . 62 4.3.5 5G频段 DFS测试 . 70 4.3.6 无人机通信监测 79 5 总结 . 84 6 参考文献 85 4 1 无人机概述 无人机（ UAV）是无人驾驶飞机（ Unmanned Aerail Vehicle）的简称，是能够自主飞行、由自身动 力驱动，可以多次使用 的飞行器。地面站人员通过无线设备 对其进行跟 踪、定位、遥控和信号传输 。 无人机按不同标准可划分为不同类型，常规的无人机可按以下进行分类： （ 1）按应用领域分类：无人机可分为军用无人机和民用无人机。民用无人机包括专业级无人机和消费级无人机。专业级无人机应用于商业、公共管理、科研等行业领域；消

4、费级无人机应用于大众消费者； （ 2）按动力源分类：无人机可分为油动和电动两种。油动无人机优点是续航时间长，但存在安全隐患，坠机可能引发火灾；而电动无人机则安全得多，但受限于电池，续航时间较短； （ 3）按外形结构分类：无人机可分为旋翼无人机、固定翼无人机和无人直升机，其他还包括无人飞艇、无人伞翼机和仿生无人机。旋翼无人机的螺旋桨数量越多，飞行越平稳，操作越容易。可折叠、垂直起降、悬停，对场地要求低；固定翼无人机采用滑跑或弹射起飞，伞降或滑跑着陆，对场地有一定要求，其巡航距离、载重等指标明显高于旋翼无人机；无人直升机体型较大、油动驱动、需要专业操作人员操控； （ 4）按照载荷（或飞机重量）和续

5、航时间分类：无人机可分为大型无人机、中型无人机、小型无人机和超轻型无人机 4 种。大型、中型无人机可载重 20 kg 以上， 巡航 2 h 以上，可使用摄影平台和测量级姿态定位系统；小型和超轻型无人机载重较小，一般小于 5 kg，续航时间小于 1 h，飞行姿态差； （ 5）按照飞行半径分类：无人机可分为超近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。超近程无人机活动半径在 15 km以内，近程无人机活动半径为 15 50 km。短程无人机活动半径为 50 200 km，中程无人机活动半径为 200 800 km，远程无人机活动半径大于 800 km； （ 6）按照飞行任务高度分类：无人机可分

6、为超低空、低空、中空、高空和超高空 5 类。超低空无人机任 务高度一般为 0 l00 m，低空无人机任务高度一般为 100 1000 m，中空5 无人机任务高度一般为 1000 7000 m之间，高空无人机任务高度一般为 7 000 18 000 m 之间，超高空无人机任务高度般大于 18 000 m。 1.1 无人机产业链 无人机 本身 的技术和应用涉及多个行业，其生产制造和 实际 使用必将构成一个相关的产业链，如下图所示。 图 1 无人机产业链 表 1和表 2是国内外部分知名无人机公司列表及其相关业务范围： 表 1全球军用民用无人机企业排行榜 全球军用无人机企业排行榜 全球民用无人机企业排

7、行榜 排名 公司 排名 公司 1 诺斯罗普 -格鲁门公司 1 大疆创新 公司 2 洛克希德马丁公司 2 AEE-电科技 公司 3 波音公司 3 3D Robotics公司 4 通用原子 公司 4 Parrot 公司 5 以色列航空工业 公司 5 零度智控 公司 6 马拉特 公司 6 AscTec公司 7 AEE-电科技 公司 7 Xaircraft公司 8 美国航空环境 公司 8 Extreme Fliers公司 9 美国雷声 公司 9 PowerVision公司 10 法国达索飞机制造 公司 10 北京航空航天研究所 6 表 2国内部分知名无人机科技企业 企业名称 行业领域 企业与产品简介

8、深圳市大疆创新科技有限公司 消费级 /专业级 工业无人直升机飞控系统及地面站控制系统、多旋翼控制系统及地面站系统、高精工业云台、多旋翼航拍飞行器；模型和玩具飞行器控制系统，产品以国外市场为主 零度智控（北京）智能科技有限公司 专业级 产品：无人机自驾仪、多轴飞行器 技术服务：专业航拍航测、应急救援、外场调试、远程协助、故障分析，产品以国内市场为主 深圳市亿航智能科技有限公司 专业级 /手机遥控 通讯图传硬件与手机导航操控系统 北京中航智科技有限公司 专业级 无人机、航空机载设备以及自动激光驱鸟器，产品应用涵盖电力、农业、公安、应急救灾、海洋监管、地质勘探和影视拍摄等多个领域 武汉易瓦特航空技术

9、股份有限公司 专业级 固定翼无人机系列、多旋翼无人机、大载荷无人直升机，设计电力巡检、国土测绘、救灾预警、安防监控、影视航拍等众多领域 广州极飞电子科技有限公司 消费级 /专业级 农业无人机、全天候多功能无人机 深圳 -电科技有限公司 消费级 /专业级 运动摄像机、一体无人机系统、军警旋翼无人机，占中国军警无人机 90%份额 极翼机器人（上海）有限公司 消费级 农业无人机及飞控、飞调、电机和其他无人机核心部件 广州华科尔科技有限公司 消费级 飞机航模产品 武汉智能鸟无人机有限公司 消费级 智能化无人机飞行器及控制系统 深圳飞豹航天航空科技有限公司 消费级 飞控系统、声纳定位系统、第一视角无人机

10、、图像无线传播系统 北方天途航空技术发展（北京）有限公司 专业级 无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机、载人旋翼机 下面我们将简要阐述民用无人机的主要应用和军用无人机的主要特点和发展方向。 1.2 民用无人机的应用 民用无人机在以下方向有重要应用： （ 1）民用科学研究：如天气预报、地球变暖、冰川消融、热带风暴强度的演化过程、林业和土地管理测量、野生动物监测、农田植被数据监测、火山活动监测和海域监测等； （ 2）商业应用：如商业广告、影视业、旅游业、无人机投递快件等； （ 3）救援救灾； （ 4）农田喷洒、电力巡检等。 具体分类 可见 表 3： 7 表 3民用无人机的应用现状 应用领域及产品

11、 细分用途 应用现状及预测 消费级无人机 娱乐 自拍、竞技、 旅游 、 社交 等。 国外 比较成熟、 国内 市场尚在培育 非商用二次开发 个人在无人机程序开源代码基础上做一些研究 国内外市场均在发展成长中， 国外 相对成熟， 国内应用未成规模 商用二次开发 购买航拍飞机，用于土地、农业测量 商业航拍 广告、电影电视 专业级无人机 农业 国外已是成熟市场， 国内 对政府补贴和项目依赖较强， 应该 是最先爆发的行业 电力 国外相对成熟， 国内 电力应用在未来会呈现稳定增长 警用 国外应用已经成熟， 国内 应用需求不明确， 还停留在 成果展示阶段 其他 消防 /救援无人机应用很明确， 技术 难度较大

12、， 目前 以航拍为主， 媒体是主要的用户 采矿、石油等行业的应用处于论证阶段， 国外 已初步使用， 国内 尚未起步 1.3 军用无人机的特点和发展方向 军用无人机在执行任务时有以下优点：（ 1）隐蔽性能突出，战场生存力强 ， 相比于有人驾驶飞机，无论是体积，还是重量，以及雷达反射都要小得多，再加上其隐身的外形设计和机体表面的吸波 涂料，使得它的暴露率呈几何级数减小 ； （ 2）无飞行员身体因素限制 ， 可以通过倒飞、急转弯、超加 速升降等大机动飞行来提高战场生存能力 ； （ 3）更适合于髙危险性任务，无人机可以适应更加恶劣的飞 行环境 ； (4）降低飞机重量和成本，并且使用维护更方便 ;（ 5

13、）起飞、降落更加简单，操作也更灵活 。 因此 ， 军用无人机将在在侦察、空中格斗、电子战、对地攻击等各个领域 都有 巨大的发展空间。 目前来说 ，军用无人机的发展趋势有以下几点： （ 1）向隐身、微型方向发展；（ 2）向高空、高速、长航时方 向发展。现有的无人机，由于本身性能的制约，如续航时间短、飞行 高度低等，往往因为侦察监视面积小 ，且不能持续侦察、长时间获取目标信息，会造成情报的“盲区”， 所以发展高空、长航时 无人机是未来的主要趋势之一； （ 3）向自主式发展。无人机系统总的发展趋势是：遥控 半自主 自主。由于遥控方式存在一些缺点：通信带 宽不够，无人机无法向控制中心实时传输大量信息；

14、数据链暴露方 位；遥控的作用距离有限，主要是 由于地球曲率和无线电发射功率的限制，遥控的距离有限；控制中心人员的误操作与高成本；地面系统的成本高。自主方式则不存在上述问题，而且可以缩短控制链， 缩短无人机对环境变化的反应时间， 提高侦察和打击的效率。在紧急情8 况下，如果无人机失去监控或者联络，无人机也能够具有继续执行本机任务并具有返回基地的能力； （ 4）向精确制导武器方向发展。随着机载遥感技术，特别是 精确制导技术的发展，为无人机携带武器提供了技术支持，因而无人机将变成精确制导武器的理想搭载平台； （ 5）向新能源无人机发展。 太阳能、氢能等新型能源，因其储量大、效率高、无污染、无排放等

15、优势，日益受到世界各国的重视 ，采用太阳能电池、燃料电池等无污染绿色能源驱动的电动飞机应运 而生。但单纯采用太阳能驱动或 燃料电池驱动的飞机，由于电源本身的特性，在飞机设计中往往需要 付出巨大的代 价来适应新能源系 统的需求，如采用非常规气动布局、大展弦比柔性机翼等，牺牲飞行性能 且造价高昂； （ 6）向模块化、批产化、智能式发展。利用 3 打印技术，模块化、成批化地打印无人机，可以极大 地降低成本，形成具有战斗力的机群 。小型的无人机机群可以由战斗机发射，也可以由地面发射升空。这 些装备有智能设备的无人机拥有情境 意识和能力，能够根据实际战场情景发现队友并组成机群，也能够根据预设的队形，形成

16、编队； （ 7）向多用途、平台化发展。 在未来的战争中，各种武器平台之间一体化协同作战将是一种重要的 作战模式，而无人战斗机也必然成为协 同作战系统中的重要组成部分， 多平台协同作战将使各种资源得到充分、合理的配置，从而极大地提高作战效能。而且，无人机在现代战争中可以执行侦察预警、跟踪定位、精确制导、中继通信、特种作 战、信息对抗、战场搜索等各类战术和战略任务。所以，多用途、平 9 2 无人机系统的组成和关键技术 无人机系统又称为无人机驾驶航空器系统（ UAS， Unmanned Aircraft System），是指由一架无人机、相关的遥控站、所需的指挥与管制链路以及批准的型号设计规定的任何

17、其他部件组成的系统，其组成如下图： 图 2无人机系统组成 一般民用无人机系统组成如图 3所示 ： 图 3民用无人机系统组成 10 2.1 电源和 电源管理系统 无人机 电源主要分三大类： （ 1）机载主电源，给无人机提供续航动力，如手抛式、航模等小型无人机，往往要求同时满足高比能量、宽温度范围 (尤其低温性能 )、高比功率、长工作时间等性能；（ 2）发动机启动电源，主要用于发动机地面启动或空中启动，要求能大倍率放电， 放电能力达 10 30 C(尤其 20 或更低温度下启动 ) ；（ 3） 应急电源，主要用于发电机或发动机等 故障时，可维持飞行、着陆、安全控制等所必须的关键设备供电，要求具备一

18、定的放电能力，关键是安全可靠。当然，启动电源和应急电源，有时候可用同一电源承担。 机载主电源常采用单独的镉镍电池、锌银电池、锂离子电池、锂硫电池、太阳能电池等，一般不具有监测系统。启动电源和应急电源常采用镉电池、锌银电池、锂离子电池、锂 -硫电池、燃料电池等，常具备监测 系统 (适时监测电池电压 、 温度、容量等 ) 或 BMS 管理系统 (可适时机载浮充，具有限压、限流、防过充、防过放、防倒灌、均衡、电压检测、电流检测、温度检测、 SOC 检测、故障告警、放电控制、短路保护等功能，常采用 RS422、 RS485、 RS232 通讯模式、 BIT 自检 ) ，称为电源分系统或蓄电池子系统。

19、下表 为无人机电源 的一般 需求： 表 4无人机电源一般需求 具体以 PULSE （ 5000mAh 14S 51.8V 45C）电池的电源指标为例： 电芯数量 : 14S (14 Cells) 电池容量 : 5000mah 11 放电倍率 : 45C 充电倍率 : 5C 体积 : 3282mm x 522mm x 561.5mm (LxWxH) 重量 : 1805g 电源管理器件主要包括分立式的电源管理芯片 PMIC和集成电源管理单元 PMU。 电源管理芯片 (Power Management Integrated Circuits)，是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电

20、能管理的职责的芯片。主要负责识别 CPU 供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。电源管理芯 片既有直插式封装的，也有表面黏贴式封装的。电源管理芯片的应用范围十分广泛，发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义，对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关。 电源管理单元 PMU的作用如下： 1、 给无人机的各个组件提供稳定可靠的供电 ； 2、 PMU 有助于降低整个系统的功耗， 并通过降低组件闲置时的能耗，使无人机电池能够具有更长的使用时间 ； 3、 PMU 具有较好的信噪抑制比和瞬时 响应，能够更好的防止无人机受到外界环境的影响以及快速的瞬时响应 ； 4、 PMU 集成化的特点

21、能够节省内部结构空间，有助于产品的小型化，并且具有更好的成本优势以及整个系统供电系统的统一和有序化。 2.2 动力系统 无人机的动力系统，通常由电动机和内燃机两种类型，目前的主流机型都是以电动机为主，也就是俗称的马达。其主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。是依靠电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。无人机电动的动力系统包括电机、电调（控制电机转速）、螺旋桨等。 电机多为无刷电机（ Brushless motor），它的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线 圈，去掉了有刷点击用来交替变换电磁场的换向电刷。 12 电机的 KV 值是空载的状况下电压每增加

22、 1V，电机的转速增加多少转（ RPM） 。 从这个定义来看，电压与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的，并且是常量，无论电机在那个工作电 压， 电压和转速的关系都遵从值。绕线匝数多的， KV 值低，最高输出 电流小，但扭力大；绕线匝数少的， KV 值高，最高输出电流大，但扭力小； KV 值越小，同等电压下转速越低，扭力越大。 （ 1） 空转转速的计 算 这个值是指电机空转没有带螺旋桨等负荷下的转速与电压的关系，如 KV 是 650，在11.1V电压下空转转速是 11.1650 = 7215转 /分钟， KV值是 900，同样电压下的空转转速是 9990转 /分钟。 （ 2） 高低 KV 值

23、的相对比较（只有相同的定子外径和定子高度的同一个型号，不同的KV值没有太大比较意义 。 表 5电机电压与其他参数关系 高 KV 低 KV 定子线圈绕线匝数 少 多 最高输出电流 小 大 相同电压下扭矩 小 大 相同电压下转速 高 低 匹配螺旋桨直径 小 大 电调全称电子调速器，（ Electronic Speed Controller ， ESC），它根据飞行控制器发出的 PWM 信号控制动力电机的转速。无人机动力系统各个部分是否匹配，动力系统与整机是否匹配，都直接影响到无人机的工作效率、稳定性，所以说动力系统是至关重要的。 2.3 飞行控制系统 无人机 飞 行 控 制 系统实时采集各传感器测

24、量的飞行状态数据、接收无线电测控终端传输的由地面测控站上行信道送来的控制命令及数据，经计算处理，输出控制指令给执行机构，实现对无人机中各种飞行模态的控制和对任务设备的管理与控制 ； 同时将无人机的状态数据及发动机、机载电源系统、任务设备的工作状态参数实时传送给机载无线电数据终端，经无线电下行信道发送回地面测控站。 13 无人机飞行控制系统包括机上飞行控制系统（自驾仪）、通信系统和地面监测控制系统（地面站）。因此飞行控制系统设计包括以下三个方面 ： 1、飞行控制算法的设计与程序实现； 2、控制系统硬件电路设计； 3、地面站软件的编写。 2.3.1 中心控制模块 中心控制模块即飞行控制系统的 核心

25、处理器，是系统的核心控制部分。负责采集传感器（包 括 姿态传感器和高度传感器）信息并实时解算出机体姿态角和高度 ； 根据遥控接收机信息或者导航信息，结合实时解算的机体姿态角和高度，控制电机转速；通过无线通信模块与地面站进行数据双向传输，包括上传控制指令或修改参数和下传飞行状态数据。 2.3.2 传感器模块 传感器模块主要用于测量飞行控制所需要的飞机运动参数。例如 ：常用的垂直陀螺仪、航向陀螺仪、速率陀螺以及加速度计、磁传感器 或 惯性 测量单元 （ Inertial measurement unit， IMU） 等 ， 为飞控系统提供机体姿态角解算所需的线加速度、角加速度、罗盘信息和解算高度所

26、需的信息。 近些年来 ， 随着科学技术的高速发展 ， 雷达系统广泛深入的渗透到军用和民用系统的各个方面。其中毫米波雷达具有在短距离范围内的全天候与环境的适应性 ， 以及体积小、重量轻的优点 ， 近年来也克服许多毫米波器件生产精密加工等困难的问题 ， 使有关毫米波技术及其应用的研究出现新的热潮。毫米波雷达常应用于低角跟踪、测高、精密制导、测绘、成像、防撞等领域。得益于军事应用推动技术的发展 ， 民用毫米波雷达也发展迅速 ，在需求量上已超过了军用毫米波雷达 ， 其中主要应用在是测距测速和防撞预警雷达。毫米波雷达产生的波形有连续波、宽带线性调频波、脉冲步进频率波、相参脉冲串波等多种波形。其中相对于其

27、他波形的毫米波雷达 ,毫米波调频连续波 (FMCW)雷达的连续波体制消除了距离盲区 ； 毫米波的 FMCW 雷达具有较宽的调频带宽 ， 可以获得更高的距离分辨率和测量精度。相比于脉冲体制毫米波雷达 ， FMCW 雷达对发射的峰值功率要求较低 ， 而且结构简单。目前 FMCW 雷达已经被广泛应用在测距测速、无人机导航、盲点监测等领域。 14 图 4毫米波雷达结构和集成的收发射频前端芯片 毫米波 24GHz雷达 收发单片 的 典型指标 如下： 低噪声系数 : 12 dB 高变频增益 : 26 dB 高 1dB压缩点 : -12 dBm 零中频吉尔伯特正交接收机结构 全集成低相噪 VCO 单端 RF

28、和 LO端子 在片功率和温度检测传感器 2.3.3 通信与导航系统 无人机通信系统的功能主要是为控制系统调节无人机的姿态提供数据支持和命令响应，同时有利于控制系统实现对无人机的通信和控制。系统的具体功能如下： （ 1） 无人机的加速度、角速度、磁通量、距离和高度等传感器数据的采集； （ 2） 把采集到的数据通过无线传输到地面控制系统； （ 3） 响应地面控制系统发送的指令，调节 旋翼 无人机的速度、转向、悬停和起 降等姿态， 或调整固定翼无人机的 舵机 和 电机等。 无 人机载导航系统主要分非自主（ GPS 等）和自主（惯性制导 和毫米波雷达 ）两种，但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点，而未

29、来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能， 信息融合技术作为不同传感器配置方案的辅助技术 ， 能够充分利用多传感器中的有效信息 ,相互补充、验证 ,为飞行控制系统提供更精确、可靠、全面的信息 ，以保证无人机能够安全稳定的飞行15 和执行任务， 因此多种导航技术结合的 “惯性 +多传感器 +GPS+光电导航系统 ” 将是未来发展的方向。 2.4 民用无人机系统的实际案例 2.4.1 大疆 “悟 Inspire2”无人机技术指标和参数 图 5大疆 “悟 Inspire2”无人机 示意图 Inspire2由飞行器 、遥控器 以及 配套使用的

30、DJI GO 4 APP组成， 配 备 全新的 云台 接口 ，可适配 多种 型号 的新型 三 轴稳定云台相机。变形 机身 集成 DJI的 飞控 系统、下视及 前视视觉系统 、红外 感知系统 ， 可在室内外 稳定 飞行 、 悬停 ，并 具备障碍物感知 功能 和指点飞行 、智能 跟随 等 先进 飞行 功能 。双频高清 图传 整合于 机身内部 ， 可提供 高效 稳定 的 高清图像传输 ， 是 适用于 影视拍摄的专业级无人机 集成 平台 。 DJI GO 4 APP 是专门为 DJI 航拍一体机而设计、工作在移动设备上的应用。用户可以通过点击 DJI GO 4 APP 来操作 Inspire2 上的云

31、台和相机，控制拍照、录像以及设置飞行参数，还可以直接分享所拍摄的照片与视频到社交网络。 DJI GO 4 APP 通过其宿主上的 USB接口和遥控器相接。 遥控器内置全新一代双频 Lightbridge 高清图传地面端，与飞行器机身内置的Lightbridge 天空端配合，信号传输距离最远可达 7 公里，可通过 DJI GO 4 APP 在移动设备上实时显示高清画面，稳定传输高清图像以及上下行数据。遥控器可在 2.4GHz 与5.8GHz双频段之间切换，大幅增强抗干扰能力从而提高图传的稳定性。 16 配备高能量密度双智能飞行电池系统和高效率动力系统，配合 Zenmuse X5S 云台相机最大飞

32、行时间约为 25分钟，配合 Zenmuse X4S云台相机 最大飞行时间可达 27分钟。 Inspire2 飞行器 主要 由飞控系统、通讯 系统、视觉系统 、 图像处理系统 、动力 系统 、变形 机构 及 电池系统组成 。下面 是 Inspire2部分 参数 。 1、飞行器总体技术参数： 2、电池和充电器参数： 17 3、 遥控器的技术指标： 型号 GL800A 工作频率 2.400-2.483 GHz； 5.725-5.825 GHz 最大信号有效距离（无干扰、无遮挡） 2.4 GHz： 7 km（ FCC）； 3.5 km（ CE）； 4 km（ SRRC） 5.8 GHz： 7 km（

33、FCC）； 2 km（ CE）； 5 km（ SRRC） 等效全向辐射功率 (EIRP) 2.4 GHz： 26 dBm（ FCC）； 17 dBm（ CE）； 20 dBm（ SRRC） 5.8 GHz： 28 dBm（ FCC）； 14 dBm（ CE）； 20 dBm（ SRRC） 供电方式 外置智能电池（型号 WB37-4920mAh-7.6V） 智能电池 4923 mAh LiPo 充电方式 使用 DJI 指定充电器 功耗 20 W（向 CS550 显示屏供电）； 12 W（不向显示设备供电） 视频输出接口 USB、 HDMI、 SDI USB 接口供电电流 /电压 iOS： 1 A

34、， 5.2 V（最大）； Android： 1.5 A， 5.2 V（最大） 协同功能 支持多机互联 工作环境温度 -20 C 至 40 C 存放环境温度 存放时间小于 3 个月： -20 C 至 45 C 存放时间大于 3 个月： 22 C 至 28 C 充电环境温度 0 C 至 40 C 充电时间 约 2 小时 24 分钟（使用 180W 充电器） 供电时间 约 4 小时（只使用主机功能，并且不向显示设备供电） 重量 1041 g 2.4.2 某机构研究的四旋翼无人机飞控系统的硬件构成 和实现 下图 展示了微型四旋翼无人机 （ Micro-4-rotor， M4R）飞控 系统的结构框图。

35、系统由飞控计算机、传感器模块、电源模块、执行机构驱动模块、 遥控无线链路、通讯无线链路以及其地面控制站等模块组成。飞控计算机作为信号处理部件负责完成传感器信号的采集和处理、姿态控制及导航控制算法的解算、旋翼转速控制、数据通讯等工作，该飞行控制18 计算机主要是基于 STM32 处理器设计实现的；传感器模块由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁传感器、高度计、 GPS 等组成。电源模块负责给机上所有设备的供电；遥控无线链路含遥控器及其接收机，通过遥 控无线链路可实现对 M4R 的手动控制；通讯无线链路采 用 9Xtend 900MHz无 线数传，配合地面控制站完成飞行状态的实时监控。 图 6 M4R

36、飞控系统结构框图 2.4.2.1 飞控计算机 M4R 的飞控计算机是基于 STM32F103X 微控制器设计完成的。飞控计算机包括主要包括微控制器、供电系统、时钟系统、复位、启动配置、 JTAG等基本组成部分。 19 M4R 飞控计算机 需要完成的任务如下： 1）获取传感 器信息，并应用相应算法解算得到飞行器飞行姿态、位置、高度等信息； 2）接收遥控信号指令，将其解码生成相应信号量，并完成在手动遥控和全自主飞行之间的模式切换； 3）完成姿态控制及导航控制算法的解算得到相应回路的控制量； 4）输出相应控制量至无刷电子调速器，控制旋翼转速； 5）在不影响控制解算的前提下，完成同地面站间的数据通讯。

37、 以 LQFP64 形式封装 的 STM32 处理器， 具有 64Kb Flash，以及 20Kb SRAM 能满足飞控程序对片上存储资源的要求；具有 4个定时器，可以满足 8路 PWM 信号输出要求；2 路 SPI 通讯接口，满足加速度计、角速率陀螺及磁传感器对通信接口的 要求； 2 路 I2C通信接口，满足 4路无刷电调通信要求； 3个 USART口和 2个 UART口，满足 GPS接收机、地面通讯无线链路、气压高度计等模块的通信要求；此外其 DMA 控制器能大大减轻 CPU 数据通信负担，在不影响控制算法解算的前提下，完成同地面站及 GPS 接收机模块间 的数据传输 。 2.4.2.2

38、传感器模块 选取 ADIS16405 作为惯性测量单元。 ADIS16405 是 ADI 公司生产的集三轴陀螺仪、三轴加速度计与全向磁场传感器于一体的 MEMS 惯性检测系统。其采用 SPI 接口同飞控计算机进行通信。 ADIS16405 可提供的 数据有：三轴角速度、三轴地磁强度、三轴线性加速度、内部温度，是一 款高度集成的惯性测量单元 。 2.4.2.3 GPS 为 获取 M4R实时飞行位置信息，以实现轨迹控制， 选用 u-blox AG公司 ANTARIS 4 GPS 接收机。 ANTARIS 4 采用 UART 接口同飞控计算机相连，完成通信 。同时 ，为弥补GPS 在 高度测量上的不

39、足，选用 精度达 15cm 的静压高度计 MS5540C。 MS5540C 数字大气压力传感器具有温度补偿和校正功能同时还具有低功耗、小体积、质量轻、稳定输出数据、响应速度快等优点。 MS5540C 的接口电路较为简单，在外围接 32.768KHz 的系统时钟，即可以通过 UART接口与飞控计算机进行通信。 20 2.4.2.4 遥控无线链路模块 M4R 可工作在手动和自主飞行模式下，因此需要接收遥控信号获取相应操作 令，并实现手动和自主飞 行模式的切换。为了保证遥控信号具有良好的稳定性和抗干扰性能， 选取 Futaba遥控器。遥控器接收机接收的信号是脉冲调制信号（ Pulse Positio

40、n Modulation，PPM） ， PPM 信号满足 PPM 协议，即信号周期为 18-20ms，有效脉冲宽度为 1.1ms-1.6m。将接收机 4 个通道直接同飞控计算机的 I/O 端口相连，利用 I/O 端口的接收中断功能对PPM信号进行 解码。 2.4.2.5 通信无线链路模块 M4R 的通信无线链路模块的主要功能包含实时显示、保存飞行状态（角速度、姿态角、线速度、位置信息、高度信息、电池电压）；航迹规划路线上传、修改、下载；姿态、位置控制参数在线修改、下载；离线查看历史飞行数据； M4R 的通信无线链路模块由无线数传模块和飞行控制地面站组成， 采用了 Maxstream 9Xten

41、d 无线数据传输器，实现了飞行器和地面控制站的数据通讯。 Maxstream 9Xtend 无线数据传输器通过同飞控计算机的TTL 接口相连实现数据通信。飞行控制地面站采用 QT 平台编写，该平台具有良好的跨平台优势。 2.4.2.6 电源系统模块 电源是整个系统的关键。为了保证系统供电正常，需要分析系统电源需求，然后根据最大 输入电流等参数选择合适的电源稳压器来进行电路设计。 系统 中 稳压器选择指标：5V 输入， 3.3V 输出，输出最大电流大于 300m A。最终选择的稳压器最大输出电流为500m A。 系统需要的电压为 11.1V、 3.3V和 5V。其中 11.1V为电调供电； 3.

42、3V为主控制模块供电； 5V为 ADIS16405、 GPS接收机和遥控接收机供电。 供电方案如 下 图 所示： 21 图 7 M4R供电方案 22 3 无人机系统相关测试概述 综上 所述，我们可以看出，现代无人机系统是一个非常复杂的机电系统。仅从电气和通讯方面讲，它就可以分为飞行控制系统、云台控制系统和地面控制器 /台系统，而每个分系统又包含许多子系统、单元和独立模块，这些单元和模块独立工作又互相联系，构成整个系统。所以 整 个系统在 设计、 调试 组装和 实际 工作时 ，非常容易出现单个模块故障、模块相互影响和系统故障，测试测量和故障排除是不可或缺的工作。 是德科技是 电子和通讯 测 量

43、界的世界领导者， 我们的通用仪器已被广泛 地 应用在无人机测试 领域上，其中包括高速数字 示波器，频谱仪， 信号源、 网络分析仪 等 射频 仪 表，及一般实验室及生产 型企业所需的 通用 测试仪器仪表 。而针对无人机的最新发展，我们还开发了 许多针对 无人机 的专门测试解决方案，如电池系统测试、 无人机雷达目标 模拟 测试 及无人机通讯信号检测 解决方案。这些 有针对性的 测 量 系统都是客户对我们的期望。 图 8是德无人机测试方案 23 客户需要使用是德科技 MSO 系列 混合信号示波器和高带宽示波器测量他们无人机飞行控制系统中的模拟信号和数字信号，进行对混合信号必要的相关时间触发测试；他们

44、需要对 USB 和 CAN 总线的协议解码和触发测试及 HDMI 和 USB 总线接口芯片的协议一致性测试；同时，对控制系统中的数字信号眼图和信号、时钟抖动 和误码 的测试也是常见的需要。 对于 无人机系统中可充电电源和电源功率管理系统的测试，客户需要电池模拟器、充电器模拟器和负载模拟器及电源电压、电流分析仪，是德科技的高级电源系统（ APS）、直流电源分析仪和多款桌面电源和万用表等，正是应对客户所需的。 无人机飞行控制系统、云台控制 /视频传输系统和地面控制器 /台之间的远程遥控和数传，是德科技为客户 提供了业内最为专业、完整的无线通讯解决方案。从最为常规的无线通讯射频系统级测试，使用能够产

45、生和分析各种通讯信号制式的信号发生器和信号分析仪、综测仪、功率计 /频率计，到最为具体、细致的元器件级测试：使用射频网络分析仪和阻抗分析仪及 LCR表 等 。 24 4 无人机系统测试方案 4.1 电源动力系统测试 我们先来讨论无人机发展的最大挑战电力系统。电池及电池管理模块决定了无人机的飞行距离，应用功能，或其负载能力。 如何改善无人机续航力？ 从设计开始就把握好各部件的耗电效率，做到低耗电，高效率，最长飞行时间及负载能力。其他无人机的应用如作飞行拍摄，侦测，喷洒农药等等，都属于高耗电的应用，须好好研究及测试。 1、 概述： a) 无人机锂电池电源组成，技术指标：电压、容量、电压随容量或充电

46、状态的变化。 锂电池一般由正极、负极和高分子隔膜构成。锂电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散途径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如 LixCoO2， LixNiO2 以及尖晶石结构的 LiMn2O4 等，这些正极材料的插锂电位都可以达到 4V 以上。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极（焦炭、石墨）、正极氧化钴锂 (LixCoO2)和有机电解液三部分组成。 锂电池的充电特性： 1）在充电前半段，电压是逐渐上升的； 2）在电压达到上限后，内阻变化，电压维持不变； 3）在接近充满时，充电电 流会达到很小的值。 b) 无人机自身动力和通讯系统耗

47、电测试方案（耗电和电池供电测试工具） i. 电池供电和耗电测试需要提供以下功能： (1) 充电器：充电器模拟器，即充当动态 DC电源，同时监测输出电压、电流。 (2) 电池：可调电源电压、电流和输出电阻。 (3) 电池测试设备：测试电池指标，如电压、电流、容量等，需要万用表、示波器、高精度小分辨率电流测试等 。 (4) 耗电负载：充当动态电子负载 。 ii. 测试的挑战 ： (1) 充放电的同时进行电池与电池组的测试 : 使用单独的源和负载问题很大 ； (2) 使用模拟负载测试电池容量是困难的 ,需要复杂控制和测试系统 ； 25 (3) 电池可能会发生危险 , 所以说保护措施是非常重要的 。

48、2、 是德无人机电源和电源管理系统测试方案 a) N6705C DC Power Analyzer + Source/Measure Unit (SMU) b) N6900/N7900 系列 APS 表 6无人机电源测试挑战及解决方案 测试挑战 APS-解决方案 连续的电流源和负载 连续的二象限操作 V 和 I 限制 快速的输出速度 测试过程中的保护 断开中继 智能触发 快速的输出响应 看门狗电路 表征动态电流 电流数字化仪 可调的取样速率 数据记录功能 4.1.1 电池和电池组的分析和测试 针对行动设备如无人机控制器，地面小型 Wi-Fi 转驳器，及其相关的行动设备，我们建议使用更精准的直流

49、电源分析仪 (DC power analyser)作测试。 DC power analyser 的强项在于能侦测到非常微小的电流，精道达纳安培 (nA)值，量测范围是 A 度到 10A 之间 。而且有电池仿真模式，能充分模仿电池测试无人机各系统上的耗电， 是市场上唯一针对这些应有的实验室好帮手。 1、 N6705C DC Power Analyzer + Source/Measure Unit (SMU) 20W或 80W（两款型号 N6781A或 N6785A） 2象限操作 动态 V 和 I 电源和负载 无缝测距 A 到 As值 可编程输出电阻的电池仿真模式 零负载电流表 占用面积小 26 最适合便携式电池设备和 PMU测试 图 9 N6705C DC Power Analyzer N6705C 直流电源分析仪将多达 4 个先进电源与数字万用表、示波器、任意波形发生器和数据记录仪功能融为一体，可以显著提高为被测器件提供和测量直流电压和电流的效率。 N6705C 可独立测量被测器件的输入电流，无需使用多个设备构建包括传感器（例如电流探头和分路器）在内的复杂测量装置。它也无需开发和调试程序，即