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

摘要：為了測(cè)量無人機(jī)真空速，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的無人機(jī)真空速測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)真空速和動(dòng)壓靜壓的關(guān)系式，采用分段線性插值的算法，測(cè)試了0-5 000m高度的實(shí)際真空速值，得到的結(jié)果相對(duì)誤差均不大于4％，能夠滿足系統(tǒng)精度要求。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量出真空速值。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；真空速；動(dòng)壓；靜壓；線性插值

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。本文介紹了一種基于C8051F352單片機(jī)的無人機(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％，能夠滿足無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的精度要求。

1 測(cè)量原理
無人機(jī)的真空速通常跟大氣靜壓和動(dòng)壓有關(guān)，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，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。

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)，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。ASDX015A 24R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。可根據(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)。