基于單片機的無人機真空速測量系統設計

摘要：為了測量無人機真空速，設計了基于單片機的無人機真空速測量系統。根據真空速和動壓靜壓的關系式，采用分段線性插值的算法，測試了0-5 000m高度的實際真空速值，得到的結果相對誤差均不大于4％，能夠滿足系統精度要求。測試結果表明：該系統具有良好的穩定性，能實時準確地測量出真空速值。
關鍵詞：單片機；真空速；動壓；靜壓；線性插值

真空速是指飛機相對空氣運動時所具有的真實速度，它是飛機安全飛行的重要參數。準確的真空速數據信息對于提高飛行的安全性、準確性和經濟性起著相當大的作用。飛機相對于空氣運動時，可根據運動的相對性將飛機看作不動，而空氣是以大小相等，方向相反的流速流過飛機。真空速無法直接測出，只能根據大氣靜壓和動壓間接計算出來。本文介紹了一種基于C8051F352單片機的無人機真空速測量系統的設計，該系統測量結果的相對誤差小于4％，能夠滿足無人機飛行控制系統的精度要求。

1 測量原理
無人機的真空速通常跟大氣靜壓和動壓有關，對于飛行高度不超過11 000 m，飛行馬赫數不大于1的情況，真空速可由公式(1)計算：

式中，PH為對應高度的大氣壓力(大氣靜壓)，PD為大氣動壓，是大氣總壓與靜壓之差。式中各常數分別為：Pob=101 325 Pa，是標準海平面上的大氣靜壓；Tob=288 K，是標準海平面處大氣溫度；τb=0．0065 K／m是溫度遞減率；R=29．2746 m／K，是大氣常數；k=1．4是空氣絕熱指數；g=9．806 65是重力加速度。
從式(1)可看出，只要測量出大氣靜壓和動壓，便可根據計算公式，計算出真空速。

2 系統整體結構
根據數字式大氣數據測量系統的組成和工作原理，筆者設計了以單片機為核心的真空速測量系統，其整體結構如圖1所示。絕壓傳感器和動壓傳感器感受到靜壓和動壓，并分別將其轉換為相應的電壓信號。由于傳感器的輸出信號較為微弱，因此，必須通過放大電路和調零電路以及濾波電路對其進行處理，產生符合要求的信號，然后傳送到AD轉換輸入端。單片機自帶的A／D轉換器將靜壓和動壓的模擬電壓信號轉換為數字信號，并送入單片機CPU進行處理，CPU根據真空速計算公式計算出相應真空速值。計算結果通過串口發送至機載飛控計算機，在顯示界面顯示出來。

3 系統硬件電路設計
3．1 壓力數據采集模塊
筆者設計的真空速測量系統要求工作在0～5 000 m高度范圍內，根據壓高公式(2)，可計算出靜壓范圍在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。文中所測量的真空速范圍為50～400 km，則根據公式(1)可計算出動壓范圍在71～7 769 Pa之間。

根據靜壓和動壓范圍，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；140PC02D的量程為0～2 psi(13．7892 kPa)，精度為0．25％。測壓器件選用GCY-1M型高精度綜合測試儀。可根據公式(3)計算出由傳感器所引起的誤差為3．23％。

本系統所選單片機C8051F352有2個16位AD轉換(ADC0和ADC1)，靜壓和動壓傳感器輸出信號經放大調零后，可分別送入單片機AD轉換輸入端轉換為數字信號。