基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)真空速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊靈芝，嚴(yán)家明，李 超

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

真空速是指飛機(jī)相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的真實(shí)速度，它是飛機(jī)安全飛行的重要參數(shù)。準(zhǔn)確的真空速數(shù)據(jù)信息對(duì)于提高飛行的安全性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性起著相當(dāng)大的作用。飛機(jī)相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，可根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性將飛機(jī)看作不動(dòng)，而空氣是以大小相等，方向相反的流速流過飛機(jī)。真空速無(wú)法直接測(cè)出，只能根據(jù)大氣靜壓和動(dòng)壓間接計(jì)算出來[1]。本文介紹了一種基于C8051F352單片機(jī)的無(wú)人機(jī)真空速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差小于4%，能夠滿足無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的精度要求。

1 測(cè)量原理

無(wú)人機(jī)的真空速通常跟大氣靜壓和動(dòng)壓有關(guān)[2]，對(duì)于飛行高度不超過11 000 m，飛行馬赫數(shù)不大于1的情況，真空速可由公式（1）計(jì)算：

式中，PH為對(duì)應(yīng)高度的大氣壓力（大氣靜壓），PD為大氣動(dòng)壓，是大氣總壓與靜壓之差。式中各常數(shù)分別為：Pob=101 325 Pa，是標(biāo)準(zhǔn)海平面上的大氣靜壓；Tob=288 K，是標(biāo)準(zhǔn)海平面處大氣溫度；τb=0.0065 K/m是溫度遞減率；R=29.2746 m/K，是大氣常數(shù)；k=1.4是空氣絕熱指數(shù)；g=9.806 65是重力加速度。

從式（1）可看出，只要測(cè)量出大氣靜壓和動(dòng)壓，便可根據(jù)計(jì)算公式，計(jì)算出真空速。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的組成和工作原理[3]，筆者設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的真空速測(cè)量系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。絕壓傳感器和動(dòng)壓傳感器感受到靜壓和動(dòng)壓，并分別將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。由于傳感器的輸出信號(hào)較為微弱，因此，必須通過放大電路和調(diào)零電路以及濾波電路對(duì)其進(jìn)行處理，產(chǎn)生符合要求的信號(hào)，然后傳送到AD轉(zhuǎn)換輸入端。單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將靜壓和動(dòng)壓的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并送入單片機(jī)CPU進(jìn)行處理，CPU根據(jù)真空速計(jì)算公式計(jì)算出相應(yīng)真空速值。計(jì)算結(jié)果通過串口發(fā)送至機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)，在顯示界面顯示出來。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 壓力數(shù)據(jù)采集模塊

筆者設(shè)計(jì)的真空速測(cè)量系統(tǒng)要求工作在0～5 000 m高度范圍內(nèi)，根據(jù)壓高公式[2]（2），可計(jì)算出靜壓范圍在54 005～101 325 Pa之間。差壓傳感器的量程取決于飛行器真空速的量程。文中所測(cè)量的真空速范圍為50～400 km，則根據(jù)公式（1）可計(jì)算出動(dòng)壓范圍在71～7 769 Pa之間。

根據(jù)靜壓和動(dòng)壓范圍，本文的絕壓傳感器和差壓傳感器分別選用HONEYWELL公司的ASDX015A24R型傳感器和140PC02D型傳感器。ASDX015A24R的量程為 0～15 psi（103.419 kPa），精度在 2%以內(nèi)；140PC02D 的量程為 0～2 psi（13.7892 kPa），精度為0.25%。測(cè)壓器件選用GCY-1M型高精度綜合測(cè)試儀?？筛鶕?jù)公式（3）計(jì)算出由傳感器所引起的誤差為3.23%。

本系統(tǒng)所選單片機(jī)C8051F352有2個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換（ADC0和ADC1），靜壓和動(dòng)壓傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大調(diào)零后，可分別送入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換輸入端轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

3.2 單片機(jī)處理電路

本設(shè)計(jì)的使用C8051F352單片機(jī)[6]采用32管腳的LQFP封裝，是由美國(guó)Cygnal公司推出的具有高速度、高性能、高集成等特點(diǎn)，并能與8051兼容的單片機(jī)，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件以外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了C8051F352微控器中的AIN0和AIN1兩個(gè)模擬通道，分別用于靜壓和動(dòng)壓的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的AD將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.3 串口通信

解算后的真空速要通過串口發(fā)送至上位機(jī)，在顯示界面顯示。真空速由單片機(jī)串口經(jīng)RS-232接口發(fā)送至上位機(jī)，并使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)電平轉(zhuǎn)換從而能與上位機(jī)進(jìn)行正常通信。單片機(jī)CPU采用異步串行輸出UART0，工作在方式1，中斷方式，定時(shí)器1設(shè)置為自動(dòng)重裝載方式產(chǎn)生115 200的波特率。

3.4 顯示界面

上位機(jī)通訊程序主要使用Visual C++編程，該顯示界面用于顯示大氣靜壓、動(dòng)壓和真空速值。程序界面如圖2所示。

在上位機(jī)程序編寫時(shí)，需要使用MSComm控件[7]，通過設(shè)置控件的各個(gè)屬性來完成串口的參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)的接收。真空速顯示界面所使用的MSComm控件屬性主要有以下幾個(gè)：CommPort屬性 （用于設(shè)置串口號(hào)），PortOpen屬性（用于打開或關(guān)閉串口），SetSettings屬性（用于設(shè)置或返回串口波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位參數(shù)），InBufferCount屬性（設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)中等待計(jì)算機(jī)接收的字符數(shù)），Input屬性（從接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并清空接收緩沖區(qū)）。

圖2 真空速顯示界面Fig.2 Interface display of real-air speed

4 真空速解算方法設(shè)計(jì)

4.1 線性插值原理

分段低次插值是函數(shù)插值方法的一種，將比較復(fù)雜的函數(shù)f（x）的插值區(qū)間[a，b]分成一系列子區(qū)間，在每一個(gè)子區(qū)間[xi，xi+1]上，用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來近似原函數(shù)。當(dāng)每個(gè)子區(qū)間采用的近似函數(shù)為一次函數(shù)時(shí)，就成為常用的線性插值法[8]。

子區(qū)間的線性插值公式為：

h即為插值步長(zhǎng)。在計(jì)算函數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)采集到x值，然后找到值所在的插值區(qū)間[xi，xi+h]及相應(yīng)函數(shù)值[yi，yi+h]，便可根據(jù)插值公式計(jì)算出y值。

4.2 插值節(jié)點(diǎn)計(jì)算

由公式（1）看出真空速計(jì)算公式比較復(fù)雜，如果直接用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)占用大量?jī)?nèi)存資源，從而降低計(jì)算速度。因此，在系統(tǒng)允許誤差范圍內(nèi)，對(duì)原函數(shù)采用插值，將復(fù)雜函數(shù)用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來近似。由于真空速計(jì)算式有兩個(gè)變量，無(wú)法直接采用分段線性插值來解算，考慮到實(shí)際運(yùn)算的方便，使用公式（6）來計(jì)算真空速值[9]。

為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用等步長(zhǎng)線性插值，即令h=xi+1-xi。則上式可修改為：

則公式（6）中的真空速分為兩部分：一部分是只包含動(dòng)壓PD變量的指示空速Vi，另一部分是只含有靜壓PH變量的氣壓高度H的函數(shù)式H′，通過計(jì)算可得1≤H′≤1.289 9。

指示空速Vi和氣壓高度H的計(jì)算公式分別如公式（7）和公式（8）所示。

根據(jù)公式（4），對(duì)真空速公式的兩部分分別進(jìn)行處理。

首先對(duì)的Vi進(jìn)行分段線性插值。插值節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可由線性插值余項(xiàng)來確定[10]：

本設(shè)計(jì)中將插值計(jì)算的相對(duì)誤差設(shè)為0.5%[11]，則

只要通過上述插值算法分別計(jì)算出動(dòng)壓相應(yīng)值和靜壓相應(yīng)值，然后相乘即得到實(shí)際真空速值。

表1 真空速測(cè)量結(jié)果Tab.1 Test result of real-air speed

5 測(cè)試結(jié)果

表1是高度分別在0 m，1 000 m，3 000 m和5 000 m實(shí)時(shí)計(jì)算出的真空速實(shí)際值。從表中看出，實(shí)際真空速最大誤差均不超過4%，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)[12]的無(wú)人機(jī)真空速測(cè)試系統(tǒng)，電路簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量出真空速值，適用于小型無(wú)人飛行系統(tǒng)。

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