基于单片机的无人机真空速测量系统的设计原理分析

        真空速是指飞机相对空气运动时所具有的真实速度，它是飞机安全飞行的重要参数。准确的真空速数据信息对于提高飞行的安全性、准确性和经济性起着相当大的作用。飞机相对于空气运动时，可根据运动的相对性将飞机看作不动，而空气是以大小相等，方向相反的流速流过飞机。真空速无法直接测出，只能根据大气静压和动压间接计算出来。本文介绍了一种基于C8051F352单片机的无人机真空速测量系统的设计，该系统测量结果的相对误差小于4%，能够满足无人机飞行控制系统的精度要求。

　　1 测量原理

　　无人机的真空速通常跟大气静压和动压有关，对于飞行高度不超过11 000 m，飞行马赫数不大于1的情况，真空速可由公式(1)计算：

　　式中，PH为对应高度的大气压力(大气静压)，PD为大气动压，是大气总压与静压之差。式中各常数分别为：Pob=101 325 Pa，是标准海平面上的大气静压;Tob=288 K，是标准海平面处大气温度;τb=0.0065 K/m是温度递减率;R=29.2746 m/K，是大气常数;k=1.4是空气绝热指数;g=9.806 65是重力加速度。

　　从式(1)可看出，只要测量出大气静压和动压，便可根据计算公式，计算出真空速。

　　2 系统整体结构

　　根据数字式大气数据测量系统的组成和工作原理，笔者设计了以单片机为核心的真空速测量系统，其整体结构如图1所示。绝压传感器和动压传感器感受到静压和动压，并分别将其转换为相应的电压信号。由于传感器的输出信号较为微弱，因此，必须通过放大电路和调零电路以及滤波电路对其进行处理，产生符合要求的信号，然后传送到AD转换输入端。单片机自带的A/D转换器将静压和动压的模拟电压信号转换为数字信号，并送入单片机CPU进行处理，CPU根据真空速计算公式计算出相应真空速值。计算结果通过串口发送至机载飞控计算机，在显示界面显示出来。

　　3 系统硬件电路设计

　　3.1 压力数据采集模块

　　笔者设计的真空速测量系统要求工作在0～5 000 m高度范围内，根据压高公式(2)，可计算出静压范围在54 005～101 325 Pa之间。差压传感器的量程取决于飞行器真空速的量程。文中所测量的真空速范围为50～400 km，则根据公式(1)可计算出动压范围在71～7 769 Pa之间。

　　根据静压和动压范围，本文的绝压传感器和差压传感器分别选用HONEYWELL公司的ASDX015A24R型传感器和140PC02D型传感器。ASDX015A 24R的量程为0～15 psi(103.419 kPa)，精度在2%以内;140PC02D的量程为0～2 psi(13.7892 kPa)，精度为0.25%。测压器件选用GCY-1M型高精度综合测试仪。可根据公式(3)计算出由传感器所引起的误差为3.23%。

　　本系统所选单片机C8051F352有2个16位AD转换(ADC0和ADC1)，静压和动压传感器输出信号经放大调零后，可分别送入单片机AD转换输入端转换为数字信号。