基于單片機的無人機真空速測量系統設計

摘 要 對于現在單片機的無人機真空速的測量系統的設計和運用，對其闡述了如何實現單片機的真空速，以及單片機的原理和測量還有單片機進行真空速測量的系統結構。同時也對于該系的硬件組成還有算法的實現和設計做了簡要的論述。根據現在的真空速和和動靜壓形成的函數，運用分段線性插值的計算方法，使得系統的得到的結果與實際情況可以不大于4%。可以實現系統精確度的需求。測試結果表明：通過這個系統能夠及時得到測量的真空速值，擁有很好的穩定性。

【關鍵詞】單片機 真空速 動壓 線性插值

真空速形成的的定義是指飛機飛行的的速度相對于周圍空氣所運動得到的真實速度，在飛行員飛行時需要了解的空速之一。這一重要的因素在飛機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值，對于其提高飛行的質量和安全性有著關鍵性的作用。

1 真空速原理

真空速度數據信息不能直接測量，飛機在飛行中可以將飛機和空中的運動作為相對的，所以飛機可以被視為靜止的，空氣本身是基于相同的尺寸和相反的方向的流動通過飛機平面。為了獲得真空的速度，有必要根據大氣的靜壓力和動態壓力進行計算。根據詳細的測量和基于C8051F352無人機的真空速設計，系統的測量誤差小于4%，能夠滿足無人機飛行控制系統的要求。

真空速度對應的速度和表速。速度顯示在飛機上的儀表板上的飛機相對于空中飛行速度。數值顯示的速度和真空速是不一樣的，根據公式，我們可以知道表度比真空速小，飛行高度越高，會有更大的差異。我們研究了無人機的真空速度，一般要與大氣的靜壓力和動壓力有關。對于不超過11000m飛行高度，飛行馬赫數不大于1的情況下，在真空中的速度可以由公式得出。

2 測量系統的整體結構

本文在對大氣數據數字測量系統的工作原理的基礎上，設計了基于單片機的真空速度測量系統，作為系統的主要部分。我們通過壓力和動態壓力傳感器獲得靜態壓力和動態壓力，并將電路轉換為相應的電壓信號。在傳感器中，信號輸出相對較弱，需要采取一些措施來處理，例如放大電路、濾波電路、信號可以滿足測量要求，最后通過廣告轉換器輸入端。單片機內置的A/D接口，我們可以得到的靜態壓力和動態壓力的模擬電壓信號轉換成數字信號，并輸入CPU的數字信號處理，得到相應的數字信號處理器根據真空速度相應計算公式真空速度。然后相應的設備將被發送到界面顯示。

3 真空速測量系統硬件的電路設計

（1）系統的壓力數據采集模塊，采用高度為0 ～ 5000 m的要求進行真空度測量系統的高度，通過現在已存在壓高的公式，可以得到現在的空氣的靜態壓的范圍為54005 ～ 101325 Pa之間，差壓傳感器的測量范圍是由飛機的真空速范圍確定的真空速度測量系統。在我們的模擬測量真空的速度范圍是50 ～ 400公里，根據現有的公式可以計算在動態壓力范圍在71～7769 Pa。此次系統測試選定的單片機為C8051F352，其中有2個16位的AD轉換器，靜態和動態壓力傳感器輸出的信號進行放大調零，分別為單片機的AD轉換輸入轉換為數字信號。

（2）單片機處理電路系統的真空速度測量，采用LQFP封裝，32管腳的C8051F352單片機，此款單片機具有高性能、高速度的特點，集成度高，這款單片機是由美國Cygnal公司推出的，這個單片機可以與8051單片機兼容。單片機也集成在數據采集和一些用于控制系統中的模擬組件，以及一些其他的功能組件。兩個模擬通道中使用的仿真系統的兩AIN0和C8051F352 AIN1的單片機，這是用來測量靜態壓力和動態壓力的系統。最后把它放進中央處理器進行處理。

（3）在模擬系統中經過解析計算手的真空速發送到上位機上，使其能在界面中顯示，在此模擬系統的測量的真空速值，在PC機上通過串口進行整體傳輸，而且通過MAX232芯片的使用可以使電平轉換芯片可以實現正常通信的上位機。上位機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，還包括靜態壓力和動態壓力。

4 真空速解算方法設計

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？原則上是對所要求的相對復雜的函數f（x）插值區間存在[a，b]，分割為在每個子區間的一系列相應的子區間[xi，xi+1]，找到一個簡單的函數與原函數極為接近。在分割的每個子區間中都去使用相似的函數作為一次函數的時候，就已經成為了線性插值法。在以后對真空值進行函數值的計算時，測算系統會進行采集 x值，然后進行查找，找到 x值所在區間的以及其相對應的函數值，得到這些后，就可以通過插值公式進行計算，得出 y值。值范圍及其相應的函數值，得到這個，它可以通過插值公式計算，得到的值。如果我們如之前直接使用單片機進行真空值的計算，便會占中其內存中的大量資源，使得其計算速度大大降低。所以，只要在系統允許的誤差范圍，對原先的函數使用插值方法可以把復雜的函數進行簡單化。在真空速的計算式中是有兩個變量的，不能直接的使用分段線性插值進行計算，不過根據我們實際的運算習慣，我們可以在計算真空速值的真空速分成兩部分。將一部分只包括動壓比那輛，另外一部分只含有靜壓變量，通過上述的插值算法就可以得出相應的靜壓和動壓的值，最后相乘即可。

5 結束語

單片機上安裝的無人機真空測速系統具有電路簡單，性能穩定，系統體積和重量小于其他，可以實現對真空速度值的實時精確測量，適用于小型無人機系統。同時，本文設計了基于ARM的無人機飛行速度測量系統，它是通過模擬數字轉換電路臂、壓差傳感器和信號輸出采樣絕對壓力傳感器。根據真空速度測量公式的復雜性，低階線性插值算法來實現真空速度的實時測量，和上位機的顯示是通過LabVIEW軟件實現。實驗結果表明，該測量系統提高了測量的精度、穩定性和實時性，并能有效地解決傳感器的溫度漂移問題，測量裝置優于傳統的測量裝置，適用于工程應用。

參考文獻

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作者簡介

文海明（1980-），男，江西省萍鄉市人。研究生學歷。現為江西工業工程職業技術學院講師。電子信息工程專業。研究方向為電子信息技術、新能源方向。

作者單位

江西工業工程職業技術學院 江西省萍鄉市 337000