基于单片机的无人机真空速测量系统设计

摘 要 对于现在单片机的无人机真空速的测量系统的设计和运用，对其阐述了如何实现单片机的真空速，以及单片机的原理和测量还有单片机进行真空速测量的系统结构。同时也对于该系的硬件组成还有算法的实现和设计做了简要的论述。根据现在的真空速和和动静压形成的函数，运用分段线性插值的计算方法，使得系统的得到的结果与实际情况可以不大于4%。可以实现系统精确度的需求。测试结果表明：通过这个系统能够及时得到测量的真空速值，拥有很好的稳定性。

【关键词】单片机 真空速 动压 线性插值

真空速形成的的定义是指飞机飞行的的速度相对于周围空气所运动得到的真实速度，在飞行员飞行时需要了解的空速之一。这一重要的因素在飞机的飞行安全中起着重要的作用。飞行员如果能够获得真空速值的数值，对于其提高飞行的质量和安全性有着关键性的作用。

1 真空速原理

真空速度数据信息不能直接测量，飞机在飞行中可以将飞机和空中的运动作为相对的，所以飞机可以被视为静止的，空气本身是基于相同的尺寸和相反的方向的流动通过飞机平面。为了获得真空的速度，有必要根据大气的静压力和动态压力进行计算。根据详细的测量和基于C8051F352无人机的真空速设计，系统的测量误差小于4%，能够满足无人机飞行控制系统的要求。

真空速度对应的速度和表速。速度显示在飞机上的仪表板上的飞机相对于空中飞行速度。数值显示的速度和真空速是不一样的，根据公式，我们可以知道表度比真空速小，飞行高度越高，会有更大的差异。我们研究了无人机的真空速度，一般要与大气的静压力和动压力有关。对于不超过11000m飞行高度，飞行马赫数不大于1的情况下，在真空中的速度可以由公式得出。

2 测量系统的整体结构

本文在对大气数据数字测量系统的工作原理的基础上，设计了基于单片机的真空速度测量系统，作为系统的主要部分。我们通过压力和动态压力传感器获得静态压力和动态压力，并将电路转换为相应的电压信号。在传感器中，信号输出相对较弱，需要采取一些措施来处理，例如放大电路、滤波电路、信号可以满足测量要求，最后通过广告转换器输入端。单片机内置的A/D接口，我们可以得到的静态压力和动态压力的模拟电压信号转换成数字信号，并输入CPU的数字信号处理，得到相应的数字信号处理器根据真空速度相应计算公式真空速度。然后相应的设备将被发送到界面显示。

3 真空速测量系统硬件的电路设计

（1）系统的压力数据采集模块，采用高度为0 ～ 5000 m的要求进行真空度测量系统的高度，通过现在已存在压高的公式，可以得到现在的空气的静态压的范围为54005 ～ 101325 Pa之间，差压传感器的测量范围是由飞机的真空速范围确定的真空速度测量系统。在我们的模拟测量真空的速度范围是50 ～ 400公里，根据现有的公式可以计算在动态压力范围在71～7769 Pa。此次系统测试选定的单片机为C8051F352，其中有2个16位的AD转换器，静态和动态压力传感器输出的信号进行放大调零，分别为单片机的AD转换输入转换为数字信号。

（2）单片机处理电路系统的真空速度测量，采用LQFP封装，32管脚的C8051F352单片机，此款单片机具有高性能、高速度的特点，集成度高，这款单片机是由美国Cygnal公司推出的，这个单片机可以与8051单片机兼容。单片机也集成在数据采集和一些用于控制系统中的模拟组件，以及一些其他的功能组件。两个模拟通道中使用的仿真系统的两AIN0和C8051F352 AIN1的单片机，这是用来测量静态压力和动态压力的系统。最后把它放进中央处理器进行处理。

（3）在模拟系统中经过解析计算手的真空速发送到上位机上，使其能在界面中显示，在此模拟系统的测量的真空速值，在PC机上通过串口进行整体传输，而且通过MAX232芯片的使用可以使电平转换芯片可以实现正常通信的上位机。上位机的通信程序使用的是C++可视化编程，界面主要用于显示真空速值，还包括静态压力和动态压力。

4 真空速解算方法设计

在插值方法是一种称为分段第次插值法，分段插值的方法是什么？原则上是对所要求的相对复杂的函数f（x）插值区间存在[a，b]，分割为在每个子区间的一系列相应的子区间[xi，xi+1]，找到一个简单的函数与原函数极为接近。在分割的每个子区间中都去使用相似的函数作为一次函数的时候，就已经成为了线性插值法。在以后对真空值进行函数值的计算时，测算系统会进行采集 x值，然后进行查找，找到 x值所在区间的以及其相对应的函数值，得到这些后，就可以通过插值公式进行计算，得出 y值。值范围及其相应的函数值，得到这个，它可以通过插值公式计算，得到的值。如果我们如之前直接使用单片机进行真空值的计算，便会占中其内存中的大量资源，使得其计算速度大大降低。所以，只要在系统允许的误差范围，对原先的函数使用插值方法可以把复杂的函数进行简单化。在真空速的计算式中是有两个变量的，不能直接的使用分段线性插值进行计算，不过根据我们实际的运算习惯，我们可以在计算真空速值的真空速分成两部分。将一部分只包括动压比那辆，另外一部分只含有静压变量，通过上述的插值算法就可以得出相应的静压和动压的值，最后相乘即可。

5 结束语

单片机上安装的无人机真空测速系统具有电路简单，性能稳定，系统体积和重量小于其他，可以实现对真空速度值的实时精确测量，适用于小型无人机系统。同时，本文设计了基于ARM的无人机飞行速度测量系统，它是通过模拟数字转换电路臂、压差传感器和信号输出采样绝对压力传感器。根据真空速度测量公式的复杂性，低阶线性插值算法来实现真空速度的实时测量，和上位机的显示是通过LabVIEW软件实现。实验结果表明，该测量系统提高了测量的精度、稳定性和实时性，并能有效地解决传感器的温度漂移问题，测量装置优于传统的测量装置，适用于工程应用。

参考文献

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[5]朱菲菲.小型无人机大气数据测量系统设计[D].西安电子科技大学，2014.

作者简介

文海明（1980-），男，江西省萍乡市人。研究生学历。现为江西工业工程职业技术学院讲师。电子信息工程专业。研究方向为电子信息技术、新能源方向。

作者单位

江西工业工程职业技术学院 江西省萍乡市 337000