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)

摘 要 對(duì)于現(xiàn)在單片機(jī)的無(wú)人機(jī)真空速的測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用，對(duì)其闡述了如何實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的真空速，以及單片機(jī)的原理和測(cè)量還有單片機(jī)進(jìn)行真空速測(cè)量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)也對(duì)于該系的硬件組成還有算法的實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要的論述。根據(jù)現(xiàn)在的真空速和和動(dòng)靜壓形成的函數(shù)，運(yùn)用分段線性插值的計(jì)算方法，使得系統(tǒng)的得到的結(jié)果與實(shí)際情況可以不大于4%?？梢詫?shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確度的需求。測(cè)試結(jié)果表明：通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)能夠及時(shí)得到測(cè)量的真空速值，擁有很好的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 真空速 動(dòng)壓 線性插值

真空速形成的的定義是指飛機(jī)飛行的的速度相對(duì)于周圍空氣所運(yùn)動(dòng)得到的真實(shí)速度，在飛行員飛行時(shí)需要了解的空速之一。這一重要的因素在飛機(jī)的飛行安全中起著重要的作用。飛行員如果能夠獲得真空速值的數(shù)值，對(duì)于其提高飛行的質(zhì)量和安全性有著關(guān)鍵性的作用。

1 真空速原理

真空速度數(shù)據(jù)信息不能直接測(cè)量，飛機(jī)在飛行中可以將飛機(jī)和空中的運(yùn)動(dòng)作為相對(duì)的，所以飛機(jī)可以被視為靜止的，空氣本身是基于相同的尺寸和相反的方向的流動(dòng)通過(guò)飛機(jī)平面。為了獲得真空的速度，有必要根據(jù)大氣的靜壓力和動(dòng)態(tài)壓力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)詳細(xì)的測(cè)量和基于C8051F352無(wú)人機(jī)的真空速設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于4%，能夠滿足無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的要求。

真空速度對(duì)應(yīng)的速度和表速。速度顯示在飛機(jī)上的儀表板上的飛機(jī)相對(duì)于空中飛行速度。數(shù)值顯示的速度和真空速是不一樣的，根據(jù)公式，我們可以知道表度比真空速小，飛行高度越高，會(huì)有更大的差異。我們研究了無(wú)人機(jī)的真空速度，一般要與大氣的靜壓力和動(dòng)壓力有關(guān)。對(duì)于不超過(guò)11000m飛行高度，飛行馬赫數(shù)不大于1的情況下，在真空中的速度可以由公式得出。

2 測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本文在對(duì)大氣數(shù)據(jù)數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的真空速度測(cè)量系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的主要部分。我們通過(guò)壓力和動(dòng)態(tài)壓力傳感器獲得靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力，并將電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。在傳感器中，信號(hào)輸出相對(duì)較弱，需要采取一些措施來(lái)處理，例如放大電路、濾波電路、信號(hào)可以滿足測(cè)量要求，最后通過(guò)廣告轉(zhuǎn)換器輸入端。單片機(jī)內(nèi)置的A/D接口，我們可以得到的靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入CPU的數(shù)字信號(hào)處理，得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)真空速度相應(yīng)計(jì)算公式真空速度。然后相應(yīng)的設(shè)備將被發(fā)送到界面顯示。

3 真空速測(cè)量系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)的壓力數(shù)據(jù)采集模塊，采用高度為0 ～ 5000 m的要求進(jìn)行真空度測(cè)量系統(tǒng)的高度，通過(guò)現(xiàn)在已存在壓高的公式，可以得到現(xiàn)在的空氣的靜態(tài)壓的范圍為54005 ～ 101325 Pa之間，差壓傳感器的測(cè)量范圍是由飛機(jī)的真空速范圍確定的真空速度測(cè)量系統(tǒng)。在我們的模擬測(cè)量真空的速度范圍是50 ～ 400公里，根據(jù)現(xiàn)有的公式可以計(jì)算在動(dòng)態(tài)壓力范圍在71～7769 Pa。此次系統(tǒng)測(cè)試選定的單片機(jī)為C8051F352，其中有2個(gè)16位的AD轉(zhuǎn)換器，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)零，分別為單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

（2）單片機(jī)處理電路系統(tǒng)的真空速度測(cè)量，采用LQFP封裝，32管腳的C8051F352單片機(jī)，此款單片機(jī)具有高性能、高速度的特點(diǎn)，集成度高，這款單片機(jī)是由美國(guó)Cygnal公司推出的，這個(gè)單片機(jī)可以與8051單片機(jī)兼容。單片機(jī)也集成在數(shù)據(jù)采集和一些用于控制系統(tǒng)中的模擬組件，以及一些其他的功能組件。兩個(gè)模擬通道中使用的仿真系統(tǒng)的兩AIN0和C8051F352 AIN1的單片機(jī)，這是用來(lái)測(cè)量靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力的系統(tǒng)。最后把它放進(jìn)中央處理器進(jìn)行處理。

（3）在模擬系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)解析計(jì)算手的真空速發(fā)送到上位機(jī)上，使其能在界面中顯示，在此模擬系統(tǒng)的測(cè)量的真空速值，在PC機(jī)上通過(guò)串口進(jìn)行整體傳輸，而且通過(guò)MAX232芯片的使用可以使電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)正常通信的上位機(jī)。上位機(jī)的通信程序使用的是C++可視化編程，界面主要用于顯示真空速值，還包括靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力。

4 真空速解算方法設(shè)計(jì)

在插值方法是一種稱為分段第次插值法，分段插值的方法是什么？原則上是對(duì)所要求的相對(duì)復(fù)雜的函數(shù)f（x）插值區(qū)間存在[a，b]，分割為在每個(gè)子區(qū)間的一系列相應(yīng)的子區(qū)間[xi，xi+1]，找到一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)與原函數(shù)極為接近。在分割的每個(gè)子區(qū)間中都去使用相似的函數(shù)作為一次函數(shù)的時(shí)候，就已經(jīng)成為了線性插值法。在以后對(duì)真空值進(jìn)行函數(shù)值的計(jì)算時(shí)，測(cè)算系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行采集 x值，然后進(jìn)行查找，找到 x值所在區(qū)間的以及其相對(duì)應(yīng)的函數(shù)值，得到這些后，就可以通過(guò)插值公式進(jìn)行計(jì)算，得出 y值。值范圍及其相應(yīng)的函數(shù)值，得到這個(gè)，它可以通過(guò)插值公式計(jì)算，得到的值。如果我們?nèi)缰爸苯邮褂脝纹瑱C(jī)進(jìn)行真空值的計(jì)算，便會(huì)占中其內(nèi)存中的大量資源，使得其計(jì)算速度大大降低。所以，只要在系統(tǒng)允許的誤差范圍，對(duì)原先的函數(shù)使用插值方法可以把復(fù)雜的函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單化。在真空速的計(jì)算式中是有兩個(gè)變量的，不能直接的使用分段線性插值進(jìn)行計(jì)算，不過(guò)根據(jù)我們實(shí)際的運(yùn)算習(xí)慣，我們可以在計(jì)算真空速值的真空速分成兩部分。將一部分只包括動(dòng)壓比那輛，另外一部分只含有靜壓變量，通過(guò)上述的插值算法就可以得出相應(yīng)的靜壓和動(dòng)壓的值，最后相乘即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)上安裝的無(wú)人機(jī)真空測(cè)速系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)體積和重量小于其他，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真空速度值的實(shí)時(shí)精確測(cè)量，適用于小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了基于ARM的無(wú)人機(jī)飛行速度測(cè)量系統(tǒng)，它是通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路臂、壓差傳感器和信號(hào)輸出采樣絕對(duì)壓力傳感器。根據(jù)真空速度測(cè)量公式的復(fù)雜性，低階線性插值算法來(lái)實(shí)現(xiàn)真空速度的實(shí)時(shí)測(cè)量，和上位機(jī)的顯示是通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)提高了測(cè)量的精度、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，并能有效地解決傳感器的溫度漂移問(wèn)題，測(cè)量裝置優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)量裝置，適用于工程應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介

文海明（1980-），男，江西省萍鄉(xiāng)市人。研究生學(xué)歷?，F(xiàn)為江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。電子信息工程專業(yè)。研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)、新能源方向。

作者單位

江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西省萍鄉(xiāng)市 337000