第二十八屆（2012）全國***年會**
應用於微型無人飛行器的空速測量系統設計
崔德龍徐錦法張梁
（南京航空航天大學***旋翼動力學重點實驗室，南京，210016）
摘要：針對微小型無人飛行器負載能力有限，飛行狀態測量系統要求體積小、質量輕等特點，本文研究了一種新的空速測量系統，應用微機電系統（mems）壓差感測器和嵌入式arm計算機系統實現了微小型高精度空速測量。在介紹無人飛行器空速測量原理的基礎上，討論了系統軟硬體組成和結構，完成了具體的軟硬體設計和除錯，並進行了具體的風動實驗測試驗證。
經由對壓差感測器溫度補償等措施處理，保證了系統測量相對誤差在以內，做到了空速測量系統體積小、功耗低、工作可靠，能滿足微型無人飛行器對機載裝置的要求。
關鍵詞：微型無人飛行器；空速測量；微機電系統；相對誤差
1 引言
無人機的作用、地位及其潛在的應用價值得到了廣泛的認可：民用方面，它可應用於氣象探測、勘探測繪、環境研究、核輻射探測、通訊中繼、災害監測，還可用於交通巡邏和治安監控等；軍用方面，可廣泛用於射擊訓練、情報偵察、戰場監測等。無人機具有結構簡單，便於維護等優點，相比固定翼飛行器，無人***更具有起飛著陸場地小、能垂直起降等特點，其發展受到了各國的足夠重視 [1]。
飛行器要依賴空氣動力飛行，大氣資料對於保證飛行器的正常飛行有著關鍵的作用，目前大型飛行器上一般都裝備了數字式大氣資料計算機，只需測量幾個引數，通過大氣計算機的解算便可以得到飛機安全飛行所必需的資料。但是由於科技水平的制約，目前對適用於微小型無人機的大氣資料計算機技術的研究還比較少。其中，除了大氣資料計算機的成本高昂等因素外，還有乙個重要的原因就是目前還沒有能在精度體積和重量等方面都符合小型無人機要求的感測器。
但是mems感測器的出現，使得大氣資料計算機小型化成為可能。
在所有與大氣相關的飛行引數中，空速是最重要的。當無人機的空速改變時，其所受公升力阻力等氣動特性均會改變，只有知道準確的空速才能正確地操縱飛行器，保證安全飛行。航空史上已經有多起因為空速計失靈而導致的空難，所以控制無人機空速在一定範圍內，是保證無人機飛行安全的重要條件。
所以說，空速是無人機測控系統的基本測量引數之一[2]。
目前對空速進行測量常用的方法有下面幾種:
(1) **(熱片)式敏感元件是熱敏電阻絲(片),電流在電阻絲(片)流過,電阻發熱。當氣體從電阻周圍流過時,會帶走一定的熱量。在一定的電流下,電阻絲(片)的溫度和氣體的流速成一定的函式關係,通過對電阻兩端的電壓進行測量就可以得到當前的空速。
(2) 壓差式敏感元件是壓力感測器。當空氣流動時, 會在迎風表面形成乙個附加在靜壓上的風壓,使用乙個差壓感測器,通過「皮託管」將迎風壓力引入乙個引壓孔,另乙個引壓孔接入靜壓,通過對差壓的測量就可以得到空速。
(3) 槳葉式利用風的能量驅動乙個螺旋槳或風輪,通過對螺旋槳或風輪速度的測量得到空速度大小。
**式和槳葉式的體積、重量和功耗不能滿足微型飛行器輕、小、省的原則。綜合考慮體積、功耗與整合度方面的要求，選用基於差壓式測量原理的晶元進行空速測量，用微壓感測器測量動壓,並利用嵌入式處理器進行資料解算，設計了高靈敏度的空速測量系統。
2 空速測量
2.1 空速管與空速
皮託管是使用最早和應用最廣的一種壓力式流速感測裝置。由於它具有結構簡單，製造使用方便，**低廉等優點，所以，至今仍然廣泛應用於空速測量等領域。
如圖1所示，在皮託管的頭部迎流方向開的小孔a，稱總壓孔，頭部下游某處又開的小孔b，稱為靜壓孔。當把皮託管放在流場中時，在a點由於皮託管的阻礙，使得該點的流速為零因此，該點的壓力除了流場的靜壓力之外還有乙個由動能轉換而來的壓力(動壓) ，即該點處的壓力為靜壓和動壓之和(總壓)。
圖1 空速管簡圖
假設流體流動為理想的不可壓縮流體的定常流動，根據理想的不可壓縮流體的伯努利方程，對於a電以及下游b點可以列出如下的關係式：
1）其中：為總壓，為被測流體的密度，為流體速度，為靜壓。所以有：
2）這就是皮託管測量流速的理**式，空氣密度和大氣靜壓存在一定的函式關係，可由大氣靜壓轉換得到；為總壓和靜壓之差，可以用壓差感測器來測量。
由於總壓孔和靜壓孔位置的不一致，流體滯止過程中的能量損失等因素使得應該對測量到的與的關係進行修正，修正後的流速公式為：
3）其中：為皮託管係數，通常由實驗標定。
2.2 指示空速與真空速
指示空速是空速計根據動壓大小計算出來的空速，直接顯示在空速計上。真空速是飛行器真正相對周圍氣流的速度。兩者的差別主要在隨著海拔高度增加時數值會越差越大，海平面則幾乎相等，因為空速計皮託管測量到的動壓與大氣密度（壓力）有關，大氣密度越低，皮託管測量到的動壓就會越小，所以指示空速就會小於真空速。
如果環境的空氣密度是標準大氣狀況，那兩者應該相同。
由公示（3）解算出的空速為指示空速，無人機在不同高度環境下的大氣密度和溫度都不相同，測得的指示空速不能反映實際航速，但是在低空飛行時指示空速與真實空速值接近，一般就以指示空速代替真空速進行飛行控制計算。如果可以得到飛行控制系統的氣壓高度值，就可以利用下式修正指示空速，解算真空速[3]：
4）式中為真空速，；為指示空速，由式（3）解算得到，； =-6.5k/km為大氣溫度遞減率； =288.15k為標準大氣狀態下海平面的溫度，為飛行高度，km。
3 系統硬體設計
測量系統由圖2所示的各部件組成。壓力敏感模組通過感受總壓和靜壓獲取動壓值，由模組將差值動壓值其轉換為相應的電壓值訊號。敏感模組輸出的電壓訊號為小訊號，須經過放大器和調零電路處理，再傳送給a/d轉換器。
a/d轉換器把調理後的模擬訊號轉換為數碼訊號，並送入解算控制單元。最後，解算控制單元完成內部解算處理，得出相應的指示空速值，並可將解算得到的結果資料通過資料通訊送給機載飛行控制計算機，及地面控制站系統，用於飛控系統實時控制律計算，以及無人飛行器飛行地面實時監視[4]。
圖2 系統硬體組成框圖
3.1 mems技術
mems是微機電系統的縮寫，它是指可批量製作的，集微型機構、微型感測器、微型執行器以及訊號處理和控制電路、直至介面、通訊和電源等於一體的微型器件或系統。相對於傳統的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過乙個厘公尺，甚至僅僅為幾個微公尺，其厚度就更加微小。微型飛行器可以充分利用mems技術，將通訊裝置、導航、****機等元件整合在小尺寸電路板上，滿足微型飛行器對機載裝置的體積、重量和功耗的要求[5]。
3.2 壓力感測器
動壓測量選用ntersema公司的ms5701微壓感測器，工作特性見表1。它是基於mems技術的高度整合的雙口矽壓阻動式動壓感測器，其體積小、精度高、功率小、頻率響應高等特點非常適合微型無人機的飛行控制系統。該感測器包含spi與i2c匯流排介面，感測器模組內部包含了乙個高線性的壓力敏感模組和乙個低功耗的24位ad轉換器。
它能提供高精確的24位溫度值和壓差值，並且具有溫度補償功能，可以應用於溫度變化範圍比較大的環境中。ms5701幾乎可以與任何微處理器連線，其通訊協議非常簡單，並且不需要使用者設定內部暫存器。壓差感測器原理及元件封裝如圖3所示。
該ms5701微壓感測器的測量範圍為，轉換成空速範圍是（假設空氣密度為），滿足飛行速度測量需求。
表 1 壓差感測器工作特性
圖3 壓力感測器原理和元件封裝
3.3 解算控制單元
系統的資料處理解算單元採用意法半導體（st）公司的stm32f103嵌入式arm處理器。該處理器不僅對外設及軟體有高度相容性，還有很多其他優點：可以選擇採用韌體庫開發，不必接觸底層暫存器，大大縮短開發周期，降低上手難度；價效比高，32位的控制器有著接近16位甚至高階8位控制器的**；功能豐富，從工控到小型嵌入式均能勝任[6]。
處理器最高工作頻率為72mhz，有84個中斷源，16級可程式設計中斷優先順序，實時響應外部中斷，對映到幾乎所有i/o口。微控制器整合51個多功能雙向i/o口，所有i/o口都可以影像到16個外部中斷，可以同時對多個訊號進行採集。2.
0-3.6v寬電壓供電，因此可以與ms5701微壓感測器採用同一電源供電，簡化了電源電路。
3.4 通訊與介面
（1）處理器與上位機通訊
處理器將經過處理和解算後的資料通過uart(非同步接收傳送裝置)通訊送至上位機並顯示出來。本系統採用max3232晶元完成uart通訊，串列埠的速率設定為115200bps，通過max3232晶元將ttl電平轉換為rs-232電平傳送至上位機。
（2）壓力感測器與arm系統通訊
ms5701與arm系統之間的通訊方法有兩種,spi (serial peripheral inte***ce序列外圍介面)方式與i2c（inter integrated circuit內部整合匯流排）方式，本文選擇了spi方式與stm32通訊。spi序列通訊原理圖如圖4。通過stm32來設定ms5701的csb（chip select片選）引腳電平高低來使能或者失能spi介面。
微控制器的時鐘通過sclk(serial clock序列時鐘)來控制與ms5701的資料通訊。sdi（serial data in序列資料輸入）與sdo(serial data out序列資料輸出)分別用來向ms5701傳送控制命令和從ms5701接收資料。在向ms5701傳送測量命令之後，即在進行ad轉換期間，要將csb引腳電平拉低，以降低噪音干擾。
4 系統軟體設計
系統的軟體設計採用c語言，使用keil開發環境完成設計、除錯[7]。軟體由3大功能模組組成，即：資料採集模組，資料解算模組與資料傳送模組。
採集模組的主要功能是採集ms5701的測量資料。程式上電以後，首先向ms5701傳送重啟動命令，然後就可以傳送測量命令，之後在晶元進行ad轉換期間要把csb引腳拉低並且等待8.22ms。
等待轉換完成之後就可以讀取測量的資料了。解算模組的功能比較簡單，採集到ms5701的溫度和壓力測量資料後，參照資料手冊就可以根據公式（6）與公式（7）得到指示空速值。資料傳送模組的功能是把得到的空速值通過串列埠傳送給上位機，用於飛行狀態的監測。
考慮到串列埠模組的易用性，把傳送程式**寫在乙個c檔案中，在需要傳送資料的時候，不使用資料庫，直接呼叫該傳送程式。
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