无人机地面站航空仪表入门：转速表深度解析（基于 Qt/C++ 与 QML）

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/bother3000/article/details/149231106

一、转速表的核心内容与设计原理

1.1 转速表的功能定位

在无人机地面站系统中，转速表（Tachometer）是核心监控仪表之一，主要用于实时显示动力系统的运转状态。对于多旋翼无人机，转速表通常监控以下对象：

电机转速（RPM）：直接反映电机工作状态，典型范围为 10,000-50,000RPM（取决于电机 KV 值、电池电压和螺旋桨负载）。
异常检测：通过对比多电机转速差异（如偏差超过 15%）预警螺旋桨失衡、电调故障或电池老化。
性能评估：分析不同飞行阶段（如起飞、悬停、降落）的转速变化，优化 PID 参数或更换螺旋桨。

1.2 关键技术指标

测量精度：±1%~±5%（飞控从电调反馈）
采样频率：≥100Hz（穿越机需 500Hz 以上以捕捉高频波动）
显示范围：0-50,000RPM（覆盖常见无人机电机工作区间）
响应时间：<10ms（确保快速捕捉转速突变）

1.3 设计意图与安全意义

转速表不仅是数据显示工具，更是无人机安全飞行的保障：

起飞阶段：检查各电机转速同步性（差异 > 5% 可能导致偏航）
巡航阶段：稳定转速突然下降可能预示电池耗尽或电机效率降低
降落阶段：转速响应延迟可能导致着陆冲击过大

1.4 行业标准与规范

RTCA DO-178C：航空软件安全性标准，要求转速数据处理具备冗余校验
EUROCAE ED-12C：航空电子设备设计规范，规定仪表显示刷新率≥30Hz
FAA Part 23：小型无人机适航标准，要求转速表具备故障安全机制

二、基于 Qt/C++ 与 QML 的转速表开发方案

2.1 技术选型理由

Qt 框架：跨平台（支持 Windows/macOS/Linux/ 嵌入式）、高性能 UI 渲染、丰富的传感器接口库
QML：声明式语言，简化 UI 开发，支持动画、3D 效果和响应式布局
C++：底层数据处理高效，适合实时系统开发

2.2 系统架构设计

plaintext

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                   地面站应用                     │
├─────────────────────────┬───────────────────────┤
│        C++ 后端逻辑       │      QML 前端界面     │
│  (数据处理/算法/通信)     │  (UI渲染/交互/动画)   │
├─────────────────────────┴───────────────────────┤
│                   Qt 框架层                      │
│  (Core/Network/SerialPort/Charts/Multimedia)    │
└─────────────────────────────────────────────────┘

2.3 数据模型设计（C++ 部分）

cpp

运行

// MotorData.h
#ifndef MOTORDATA_H
#define MOTORDATA_H

#include <QObject>
#include <QVector>
#include <QTimer>

class MotorData : public QObject
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY(int motorId READ motorId CONSTANT)
    Q_PROPERTY(double currentRpm READ currentRpm NOTIFY rpmChanged)
    Q_PROPERTY(QString status READ status NOTIFY statusChanged)

public:
    explicit MotorData(int id, QObject *parent = nullptr);

    int motorId() const;
    double currentRpm() const;
    QString status() const;

    QVector<double> rpmHistory() const;
    void addRpm(double rpm);

signals:
    void rpmChanged();
    void statusChanged();

public slots:
    void simulateData();

private:
    int m_motorId;
    double m_currentRpm;
    QString m_status;
    QVector<double> m_rpmHistory;
    QTimer* m_simulatorTimer;
};

// MotorData.cpp
#include "MotorData.h"
#include <QRandomGenerator>
#include <QtMath>

MotorData::MotorData(int id, QObject *parent) : QObject(parent), m_motorId(id), m_currentRpm(0)
{
    m_status = "正常";
    
    // 模拟数据更新（实际应用中应通过串口或网络接收真实数据）
    m_simulatorTimer = new QTimer(this);
    connect(m_simulatorTimer, &QTimer::timeout, this, &MotorData::simulateData);
    m_simulatorTimer->start(100); // 10Hz更新频率
}

int MotorData::motorId() const
{
    return m_motorId;
}

double MotorData::currentRpm() const
{
    return m_currentRpm;
}

QString MotorData::status() const
{
    return m_status;
}

QVector<double> MotorData::rpmHistory() const
{
    return m_rpmHistory;
}

void MotorData::addRpm(double rpm)
{
    if (qFuzzyCompare(m_currentRpm, rpm))
        return;
    
    m_currentRpm = rpm;
    m_rpmHistory.append(rpm);
    
    // 保持历史数据长度不超过1000个点
    if (m_rpmHistory.size() > 1000)
        m_rpmHistory.removeFirst();
    
    // 状态检测
    if (rpm < 5000)
        m_status = "停机";
    else if (rpm > 40000)
        m_status = "高负载";
    else
        m_status = "正常";
    
    emit rpmChanged();
    emit statusChanged();
}

void MotorData::simulateData()
{
    // 模拟电机转速数据
    double baseRpm = 25000 + QRandomGenerator::global()->bounded(-1000, 1000);
    
    // 模拟电机1故障（转速波动大）
    if (m_motorId == 1 && QRandomGenerator::global()->bounded(10) < 2)
        baseRpm *= QRandomGenerator::global()->bounded(0.7, 1.3);
    
    addRpm(baseRpm);
}

2.4 QML 界面实现

qml

// Tachometer.qml
import QtQuick 2.15
import QtCharts 2.15

Item {
    id: tachometer
    width: 300
    height: 300
    
    property double maxRpm: 50000
    property double currentRpm: 0
    property string status: "正常"
    
    // 颜色定义
    property color normalColor: "#4CAF50"
    property color warningColor: "#FFC107"
    property color dangerColor: "#F44336"
    
    // 计算角度（135度到-135度范围）
    property double angle: 135 - (currentRpm/maxRpm) * 270
    
    // 表盘背景
    Rectangle {
        id: gaugeBackground
        width: parent.width
        height: parent.height
        radius: width/2
        color: "#2A2A2A"
        border.color: "#444444"
        border.width: 2
        
        // 刻度
        Repeater {
            model: 51 // 0-50刻度
            Rectangle {
                width: index % 10 === 0 ? 10 : 5
                height: index % 10 === 0 ? 30 : 20
                color: "#CCCCCC"
                radius: 2
                x: parent.width/2 - width/2
                y: 10
                rotation: index * 5.4 // 270度范围，51个刻度
                transformOrigin: Item.Center
            }
        }
        
        // 刻度标签
        Repeater {
            model: