一种简易无人机载大气数据计算机的设计

一种简易无人机载大气数据计算机的设计史利剑,王永生(西北工业大学电子信息学院,陕西西安710072) 摘　要:大气数据参数的采集和处理是无人机的关键技术之一。

本文针对无人机的具体特点,给出了一种基于C 51单片机的简易大气数据计算机的设计方案,并着重对系统的硬件和软件设计进行了分析和研究。

实验表明该系统满足无人机的使用要求。

关键词:无人机;大气数据;单片机中图分类号:V 279;T P 27412 文献标识码:B 文章编号:100226061(2005)0620070203A D esign of a L ow Cost A t m osphere Da ta Com puter of the UAVSH I L i 2jian ,W AN G Yong 2sheng(Schoo l of E lectronics and Info r m ati on,N o rthw estern Po lytechnical U niversity,X i’an 710072,Ch ina )Abstract :In U AV ,co llecting and p rocessing ap t m o sp here da ta p lays i m po rtan t ro les in en su ring the safety of a ircraft flying .A design of a l ow co st a t m o sp here da ta com p u ter of the U AV ba sed on C 51m icrocon tro ller is p resen ted .T he ha rdw a re and soft w a re design s of the syste m a re investiga ted andstud ied .T he exp eri m en t show s tha t the design reaches the requ ire m en t of U AV .Key words :U AV ;a t m o sp here da ta ;m icrocon tro ller收稿日期:2005206206;收修改稿日期:2005206217作者简介:史利剑(19652),男,陕西西安人,博士研究生,从事无人机通信、导航测控系统技术的研究。

无人机是由无线电遥控设备或自备程序控制系统操纵的不载人飞机。

同有人飞机一样,无人机大气数据的采集与处理也同样重要,它是保证无人机飞行安全和地面指挥、操纵人员正确引导飞行,顺利执行飞行任务的关键之一。

目前在一些无人机上获取大气数据的方法比较简单,精度也不够,没有一个单独的大气数据计算机系统。

为此,我们提出了一种基于C 51单片机的简易大气数据计算机的设计方案,并着重对系统的硬件和软件设计进行了分析和研究。

1　工作原理受无人机的成本、体积、重量、功耗、所使用的环境条件等诸多方面因素的限制,无人机机载大气数据机不可能像普通大型飞机上所使用的那样,能全面地测量出大气静压p s ,大气动压p q 、总温度、攻角、侧滑角等大气数据计算机系统所需要的全部输入参数。

同样,对输出参数的选取也只要求输出最基本、最重要的大气数据参数。

本大气机只利用静压传感器和动压传感器测得相应的原始参数,通过函数解算出无人机的气压高度h p ,真实空速v 以及指示空速v i 三种主要参数。

111　气压高度测量计算原理利用大气压力随高度的变化而变化的特性,通过测量飞机周围的大气压力(指静压p s ,单位kPa ),就可得飞机的气压高度。

当气压高度h p <11000m 时h p =443301761-p s101132501190225(1) 11000m <h p <20000m 时h p =11000-6341153lnp s221623(2) 20000m <h p <32000m 时h p =20000+2166501-p s51474-0102927(3)112　指示空速、真实空速测量计算原理由于受自身条件的限制,无人机的飞行速度较低(M a 远远小于1),一般在平流层中飞行,所以在无人机上并没有引入马赫数和大气温度等参数。

因此,在研究它的大气数据计算机时,只考虑其处于亚音速且空气压缩时的情况。

符合这种情况的指示空速为v i =122510851+1012 7-1(4)・07・2005年第25卷第6期 计算机技术与应用 式中:p q 为动压,kPa 。

真实空速为v =v i 1-010065288115h p-21126(5) 由公式(5)可见,只要求出指示空速v i 及气压高度h p ,就可求出真实空速v 。

2　硬件设计硬件框图如图1所示。

它由原始参数传感器、信号采集处理模块、输入接口、单片微机和串口通信模块等组成。

图1　无人机大气机原理方框图原始参数传感器包括静压传感器和动压传感器。

它们分别测得相应的原始参数,并以模拟量的形式送到输入接口电路。

输入接口电路主要由V F 变换器和F D 变换器组成,把来自原始参数传感器的信号变成数字量输入到单片微机中,通过对飞行环境的假设,参数的转换及对计算公式的简化,经计算和处理后,得到气压高度h p ,真实空速v 以及指示空速v i 。

其结果经过单片微机串行接口送无人机的测控系统之中,提供给无人机其它机载设备使用。

211　V F 变换电路在大多数单片机测控系统中,对外界数据及模拟信号的读取都是通过A D 的方式来实现。

在通常情况下,A D 转换器的位数越高,其价格越昂贵,对接口的抗干扰的要求也越高。

所以,考虑到系统的使用环境、成本等条件,人们常常使用V F 转换器来代替A D 转换器。

V F 转换器具有良好的精度、线性和积分输入特性,具有其它转换器无法达到的性能。

经综合论证,无人机大气数据计算机系统采用LM 331型V F 转换器作为模拟量的输入接口,配合单片机以构成时频测量系统,以实现高分辨力、高精度的A D 转换。

根据实际需要,设计中使1V 电压对应的输出频率为1kH z ,即V F 转换增益k =R s2109R t C t R l=1000H z(6)式中:定时电阻R t =618k 8;定时电容C t =0101ΛF ;负载R l =100k 8;输出频率调解电阻R s =141212k 8,由一个12k 8的电阻和一个微调电位器组成。

212　F D 转换电路由于在系统设计中使用了LM 331型V F 转换器,并根据实际需要及精度要求将输出频率限制在0～5kH z 之间(通常频率的变化范围为215～5kH z ),因此,我们选择了基于周期测量的F D 转换,既满足了系统实时性要求,又能确保有足够的测量精度和分辨力。

在实际系统中,选取多路高速高精度F D 专用集成电路FDC 9201来实现F D 转换。

F D 转换与A T 89C 52单片机接口电路如图2所示。

图2　F D 转换与单片机接口电路213　大气数据机的输出考虑到无人机大气数据机的输出量不大,只需定时刷新气压高度、指标空速和真实空速三个大气数据参数。

因此,数字量输出由R S 2485连接器M A X 485实现。

A T 89C 52单片机采用异步通信串行接口,工作在串行接口工作方式1、中断方式、定时器工作方式2下。

单片机用2个I O 接口控制M A X 485的通断,在不输出大气数据时关闭M A X 485,需要传输时才开启。

3　软件设计在硬件设计的基础上,编写出相应的软件程序,对无人机的大气数据进行解算输出。

软件功能模块主要包括初始化模块、F D 转换模块、数据解算模块和串口通信模块。

311　F D 转换模块F D 转换采用软、硬件测周法将高、低频计数器设计成循环计数器,分别对标准高频脉冲和被测频率的脉冲数进行连续计数,保证同时取得高低频数,且第i 次和第i +1次都是在低频脉冲的完整周期内采样。

软件处理公式为T =(N i +1-N i )t 0 (n i +1-n i )(7)式中:T 为周期;N i ,N i +1分别为第i ,i +1次高频计数值;n i ,n i +1分别为第i ,i +1次低频计数值;t 0为标准高频脉冲周期值。

F D 转换程序采用中断方式,以设定的采样周期对表示大气静压和大气动压的两路频率信号进行F D・17・计测技术 计算机技术与应用 转换,结果送数据处理部分。

中断服务程序流程图如图3所示。

图3　F D 中断服务程序流程图其软件的任务有两个:第一是通过对FDC 9201内部的寄存器进行正确的访问和操作,控制FDC 9201完成高频、低频计数器的同步并得到同步时刻的高、低计数值;第二是根据所得到的高、低计数值由公式计算被测低频信号的周期或频率。

312　数据解算模块气压高度和指示空速分别是大气静压和大气动压的单值函数,但其函数关系式比较复杂,单片机计算起来比较困难,再加之无人机大气数据系统的实时性要求(即要在几十毫秒内完成数据的采样、转换、处理及输出),因此,根据系统的精度要求、A T 89C 52单片机的内存容量以及便于计算等实际情况,我们选定等距线性插值方法来计算气压高度h p 和指示空速v i 。

具体方法是,F D 转换得到的周期值经过工程量变换后,得到大气静压p s ,它是一个三字节的数,存放在RAM 的30H ～32H 中;通过计算,h p 的分段点间隔为50m ,这样,0～10000m 高度范围可分成200个区间,而各个分段点p 1,p 2,p 3,…,p 200以及与之对应的气压高度h p 、系数k 则按照一定的规律构成表格存放在单片机的内部ROM 内;由查表公式求出h p 。

同样的方法求出v i ,再根据式(5)计算出真实空速。

为了验证大气数据计算机的指标性能,专门设计了数据显示模块。

该模块选用M A X I M 公司的M A X 7219芯片作为显示驱动电路。

M A X 7219芯片是一种具有串行接口的8位L ED 显示驱动器,由于它是以串口方式与单片机进行接口,而且可以级联使用,因此,用它来设计显示驱动电路,电路简单,软件编程容易,功耗小,只占用很少的I O 线,能够满足系统的设计要求。

因为在无人机大气数据系统中,需要显示5位气压高度数据,4位指示空速数据和4位真实空速数据,因此,一共要显示13位数。

而一片M A X 7219最多可驱动8位L ED 数码管,所以,显示模块采用两片7219级联的方式来进行驱动。

4　实验结果分析简易大气数据计算机系统的工作范围:高度0～10000m ,空速50～40km h 。