基于改進模型的氣象無人機測風模型的硬件設計

周樹道，金永奇，王 俊，程 龍

（解放軍理工大學 氣象學院，江蘇 南京 211101）

皮托-靜壓管測風法具有自由靈活、測量成本相對較低、可連續重復測量等優點，是無人機測風技術一個很好的發展方向。其主要是通過測得飛機在水平、勻速、直線狀態下的地速和空速，通過矢量運算解得風速。而在實際探測中，無人機時常存在加、減速運動，很難保持勻速飛行，改進型皮托-靜壓管測風模型突破了無人機必須勻速飛行探測的條件限制，通過建立非慣性運動狀態下的空速計算方程來算得空速，再經過矢量運算得到更為精確的風速。本文正是基于改進型皮托-靜壓管測風模型，以高性能混合信號微控制器 C8051F120為主控制器，對無人機機載測風系統進行了硬件設計。

1 相關物理量測量思路

皮托-靜壓管測風法的風速風向基本計算公式[1]為：

式中vm為水平風速；va為水平空速；vg為水平地速；χ為航跡角(即為地速方向角)；δ是航向與航跡之間的差角，順時針為正；Dw是風向角，定義正北方向至水平風速的夾角,順時針為正；A是 vm與 vg的夾角。根據式(1)、(2)可

式中 Pt為總壓(Pa)；P為靜壓(Pa)；R為氣體常數(m2/(K·s2))；T 為靜 溫(K)；a為 無人機加速度(m/s2)；ρ為空 氣密度(kg/m3)；va0為前一時刻。由式(3)可知動壓（總壓與靜壓之差）、總壓、靜溫和加速度是計算空速大小所需測量的物理量。

1.1 水平地速測量思路

全球定位系統（GPS）可以在全球范圍內對接收機進行實時定位,根據兩個時間點上所得的經緯度坐標，可以計算出該時間內物體相對于地理坐標的運動速度。一般的GPS接收機所使用的C/A碼信號計算,定位的精度在20 m以內，根據實際接收的信號質量和衛星數目情況精度會有所不同。而無人機在空中飛行,使用有源天知，水平空速和水平地速兩個矢量是系統主要測量的物理量。地速可直接測得，而空速無法直接測得，需通過測量相關量間接計算得到。改進型皮托-靜壓管測風模型加入了飛機加速度對空速測量的影響，得出了在非慣性運動狀態的空速大小計算公式[2]：線接收，可以得到較高精度的定位信息，是地速測量的一種很好的選擇。因此本系統可使用GPS模塊，在接收的信息中直接讀出飛機的地速信息，實現地速測量目的。

1.2 水平空速測量思路

空速主要通過對動壓、總壓、靜溫和加速度的測量來間接計算得到。

動壓測量有兩種思路：(1)使用壓力傳感器分別測出總壓和靜壓，然后兩個量相減得到動壓；(2)將兩個量同時輸入一個差壓傳感器，直接測出其差值。由于靜壓值也是需要測的量，因此兩種方法所用的傳感器數量一樣，理論上兩種方法都行。但在實際工程中，需使用量程較大的絕對壓力傳感器，而差壓傳感器的量程較小，使得傳感器的靈敏度有很大差異，如系統使用相同位數的A/D轉換器，則小量程的傳感器得到的分辨率將大大高于大量程的分辨率。因此在動壓測量的電路設計中，選擇使用差壓傳感器，可大大提高測量分辨率，減小空速測量誤差。

總壓的測量，在滿足量程的條件下盡量使用量程較小的絕對壓力傳感器，充分利用A/D轉換芯片的分辨率。對于靜溫的測量，除了考慮分辨率、精度等因素之外，響應時間也是一個重要考慮因素，因為無人機飛行速度相對較大，位置變化較快，而不同地方的溫度會有所不同，使得要求溫度響應時間必須很短，才能測出對應時刻相對較準確的靜溫。

加速度的測量也有兩種思路：(1)使用加速度傳感器測量；(2)根據測得的速度經微分運算得到。由于飛機在飛行過程中存在俯仰角，不能保證加速度傳感器測得的是水平面上的加速度。而不在水平面上的加速度就必然包含重力加速度在該方向上的分量，因此測得的數據不可信。故本系統選擇第二種方法，通過對地速微分求導，得到無人機加速度大小。

空速除大小的測量之外，方向也是需要測量的一個重要物理量。空速方向即飛機航向，可以利用地磁場方向的固定性通過電子羅盤來測得。由于飛機機身不一定水平，使用常規的電子羅盤誤差很大，無法使用。解決的思路是使用三維磁阻傳感器測得三維空間內三軸上各自的磁場大小，然后將其投影到水平面上，再通過計算得到飛機航向相對于磁北的夾角。而要完成所測得磁場的水平投影，需要知道飛機的姿態角度，因此還需要測得飛機的俯仰角和橫滾角。姿態角的測量是以重力場為參考，使用加速度傳感器測得飛機在三軸上的加速度，然后減去飛機本身加速運動而產生的加速度，得到飛機重力加速度在機體坐標系三軸上的分量，從而計算出飛機姿態角。

2 改進型測風模型硬件電路設計

本文選用C8205F120單片機為主控芯片。該單片機具有與8051兼容的高速 CIP-51內核，與MCS-51的指令集完全兼容，采用4級流水線的指令流程方式，提高了指令執行效率，處理速度最高達100 MIPS，是完全集成的混合信號片上系統級MCU芯片，并且提供了豐富的接口[3]，完全滿足對各傳感器的數據采集、處理、傳輸、存儲等操作要求。此外系統還包括地速測量電路、空速測量電路和數據存儲傳輸電路三部分，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2.1 地速測量電路設計

GPS模塊輸出的數據中含有地速和角度的信息，因此可采用GPS對地速進行測量。本系統選用瑞士ublox公司的 LEA-5 GPS模塊。LEA-5 GPS模塊基于u-blox公司的第五代定位引擎，具有 50通道的GPS架構，提供快速的首次定位時間，能夠進行大量的并行搜索，具有很高的捕獲速度，供電電壓 2.7 V～3.6 V，可通過UART串口輸出數據[4]。本系統主控制器具有UART串口，故選擇該串口方式實現兩者的連接與通信。

2.2 空速測量電路設計

空速測量[5]涉及所需測量的物理量有：靜壓、動壓、靜溫、航向、姿態角等。下面對各測量單元分別進行介紹。

2.2.1 動壓測量單元

氣象無人機在飛行過程中需要對相關數據進行不斷采樣，飛機速度不宜過快，否則會使兩采樣點之間距離相差過大。故選擇飛行速度小于200 km/h。根據伯努利方程可知，當v=200 km/h時，動壓為：

其中1.225 kg/m3為海平面高度的大氣密度標準值。這里選擇Freescale公司生產的MPXV7002DP傳感器測量差壓。其供電電壓5 V,測量范圍-2 kPa～+2 kPa,靈敏度為 1 V/kPa[6]，且輸入與輸出具有很好的線性關系。

將傳感器輸出電壓輸入C8051F120自帶的12bit A/D轉換單元即可轉換成數字信號。可直接使用單片機內部基準電壓，并通過軟件編程將內部放大器增益(PGA)設置為0.5，將輸入電壓變換到電壓轉換范圍之內，從而完成動壓的采集轉換。

2.2.2 航向測量單元

航向的測量使用三維磁阻傳感器測量地球磁場在載體坐標系三個軸上的分量，結合三維加速度傳感器解算出的姿態角進行傾斜角補償，經過坐標變換，最終得到地理坐標系上精確的航向角。這里選用一個二維磁阻傳感器HMC1022和一個一維磁阻傳感器HMC1021組成一個三維磁場檢測單元。HMC1022/1是Honeywell公司生產的利用磁阻效應構成的AMR各項異性磁阻傳感器，測量范圍±6 Guass，靈敏度 1 mV/V/Guass，測量帶寬5 MHz，分辨率 85 μGuass[7]。輸出特性曲線如圖2所示。

圖2 HMC1022/1相對于磁場輸出特性曲線

地球磁場強度約為0.5～0.6 Guass，可見傳感器輸出電壓信號幅度較小，如直接進行A/D轉換，則無法充分利用A/D轉換器的分辨率。因此需要采用儀表放大器先將小信號放大到接近A/D轉換量程。這里選用一個單片集成芯片AD620進行信號放大,其特點是電路結構簡單，一個AD620外加增益電阻和電源即可完成信號的處理任務。其中電路增益公式為：G=49.4 kΩ/Rg+1[8]。根據單片機A/D范圍，通過調節來調整增益大小，電路圖如圖3所示。

圖中SW按鍵用于手動置位/復位傳感器，根據需要也可另外設計電路來通過單片機進行控制。ICL7660是電壓反轉器，用于將正電壓轉換成相應的負電壓，給儀表放大器AD620提供負電壓。AD620的5腳接的參考電壓由單片機的DAC模塊提供。

三維加速度傳感器選用ADXL345，它直接輸出數字信號，分辨率4 mg/LSB，能夠分辨出僅為0.25°的傾角變化，一個集成的32級FIFO可儲存多達32個X、Y和Z數據樣本[9]，從而減小對主處理器的影響，通過SPI（3線或4線）或者數字接口訪問。這里將其掛到總線上，根據其特有的總線從地址(0xEE)進行訪問。

2.2.3 靜壓與靜溫測量單元

靜壓與靜溫可使用一個溫壓傳感器來測量，本系統選用Bosch公司的氣壓溫度傳感器B085，其壓力測量范圍為30～110 kPa(相當于海拔-500 m～9 000 m)，絕對誤差典型值為±1 hPa，分辨率0.01 hPa，溫度測量范圍-40℃～+80℃，絕對誤差±1℃[10]，使用 I2C接口直接輸出數字量，可直接與單片機連接。

2.3 數據存儲和傳輸電路設計

完成數據采集后，需將數據轉移到計算機上進行風速解算。數據轉移可采用存儲到SD卡或直接傳輸給地面接收器。SD卡具有SD模式和SPI模式兩種接口方式[11]，考慮單片機自帶SPI接口方式，因此選擇SPI作為接口連接方式。無線發送模塊采用9XStream數傳模塊，其開闊地距離達11 km/2.1 dB偶極天線,射頻傳輸速率高達 19 200 b/s[12]，可采用 UART接口與 C8051F120的另一個串行端口UART1連接。

2.4 系統整體電路結構

綜合以上設計電路，根據各測量模塊的數據傳輸接口，將其連接至C8051F120數字外設的各個接口，得到系統的總體電路結構框圖，如圖4所示。

3 軟件流程設計

本機載系統主要完成對傳感器數據的采集、處理、存儲、傳輸等任務，風速解算由地面計算機根據風速模型完成。C8051F120單片機的主函數軟件設計流程如圖5所示。

本文根據皮托—靜壓管改進型測風模型所需測量的相關物理量，設計了基于C8051F120單片機為主控芯片，配合相關傳感器完成硬件電路設計，并對軟件流程作了規劃，可完成實時采集無人機飛行過程中的飛行狀態數據和大氣相關物理量，將所得數據存入 SD卡存儲器，或通過無線模塊直接發送給地面接收設備，最后由地面計算機完成對風速的解算任務，實現測風目的。

圖5 程序流程圖

[1]周偉靜.一種基于小型無人機的風場測量方法[J].測試技術學報，2009，23（4）：297-302.

[2]周樹道.基于非慣性運動狀態的氣象無人機測風方法研究[J]. 傳感技術學報，2011，24（1）：155-158.

[3]新華龍電子.C8051F120/1/2/3/4/5/6/7系列混合信號ISP Flash微控制器數據手冊[DB/OL].http://www.xhl.com.cn.

[4]王麗秋.基于u-blox高靈敏精確定位系統[J].微計算機信息,2010，26(2):167-169.

[5]黃成功.小型無人機空速測量系統設計[J].計算機測量與控制,2009(8):1512-1516.

[6]飛思卡爾.MPXV7002DP用戶手冊.http://www.freescale.com.

[7]王麗穎.基于HMC1022磁阻傳感器的數字電子羅盤的設計與實現[J].電子測量技術,2009(1):108-111.

[8]曹茂永.儀用放大器AD620及其應用[J].電測與儀表，2000（10）：49-52.

[9]ADI.ADXL345用戶手冊.http://www.analog.eetchina.com.

[10]Bosch.BMP085用戶手冊.http://www.bosch-sensortec.com.

[11]張恒.基于AT89S52和FAT16的SD卡讀寫系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（8）：53-58.

[12]李曉強.無人機飛行控制系統的硬件設計與研究[D].西安：西安理工大學，2008.