基于MPXA4115A传感器的小型无人机高度测量系统

　　摘要：近年来，小型无人机发展迅速，应用广泛。高度传感器是小型无人机的重要组成部分。该文介绍了集成压力传感器MPXA4115A的结构、特性及其由于供给电压不稳定影响输出电压而造成的小型无人机高度测量的误差。同时介绍了MPXA4115作为小型无人机的高度传感器的应用。
　　关键词：UAV；高度测量；压力传感器；MPXA4115A
　　中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)25-6255-02
　　无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写为UAV）又称为“空中机器人”，是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称[1]。与有人机相比，无人机具有体积小、造价低、隐蔽性好、使用方便、对环境要求低、生存能力较强等优点。无人机独特的优越性使其应用领域迅速扩大，已拓展至军事、民用和科研三大领域。
　　高度传感器是无人机的重要组成部分，它利用膜盒对大气静压的感应，将大气压力转化为模拟信号输出，再经微处理器转换为数字量供飞行控制系统使用。本文选用模拟压力传感器MPXA4115A作为高度传感器。
　　1 MPXA4115A压力传感器
　　MPXA4115A型压力传感器属于横向压阻式传感器，用单个由离子注入工艺形成并经激光修正的X型电阻代替一般用四个电阻构成的惠斯登电桥，避免了由四个电阻的不匹配而引起的误差。此压力传感器的封装如图1 所示。
　　1.1 内部结构
　　此压力传感器在内部集成了信号调节、温度补偿和压力修正电路，如图2 所示，因而它的准确度高、线性好、长期重复性好、可靠性高。传感器内部芯片上有温度补偿电阻网络，在-40℃～+125℃范围内都有较好的温度补偿效果。此传感器的大气压力测量范围是15～115kPa，输出电压范围是0.2～4.8V，输出电压与被测大气压力关系如图3所示。从图中可以看出，在压力测量范围内，输出电压与被测压力成线性关系。
　　1.2 性能
　　MPXA4115A的极限参数和工作特性如表1和表2所示。此小型无人机的工作温度一般为-40～+70℃，飞行的最大高度为5000米，按标准海平面计算得到在0～5000米的高度范围内，对应的大气压力范围为53.996kPa～101.325kPa。从表中可以看出MPXA4115A的压力测量范围为15～115kPa，工作温度为-40～+125℃，符合要求。
　　2 MPXA4115A在小型无人机中的应用
　　MPXA4115A的输出与微处理器的模/数转换口（A/D）连接，MPXA4115A将采集到的高度信息转换为电压信号，并通过微处理器的A/D口转换成数字量提供给飞行控制系统。电路图如图4所示。
　　3 误差分析
　　由MPXA4115A的传输函数
　　Vout=VS*(0.009*P-0.095)
　　可以看出：由测量的大气压力P计算出的输出电压Vout值受供给电压VS的影响。供给电压的不稳定会造成输出电压的偏差，从而影响高度测量的准确性，造成误差。所以需要考虑因为供给电压VS波动对输出电压Vout影响而造成的对高度测量的误差。
　　另外，由传输函数还可以看出输出电压与测量的大气压力成正比，即大气压力越大，由供给电压VS波动产生的误差越大。小型无人机在0～5000米飞行时，对应的大气压力范围为53.996～101.325kPa。在此，我们对大气压力分别为最大和最小时进行分析。当P=53.996kPa和P=101.325kPa时，由于VS波动产生的误差如图5和图6所示。
　　从表2可以看出，供给电压VS的典型值为5.1V，波动范围为5.1±0.25V。MPXA4115A的灵敏度是45.9mV/kPa。
　　1）被测量大气压力P为53.996kPa的情况
　　VS在4.85V～5.1V范围时，输出电压Vout为1.90V～1.99V，90mV，对应的大气压力变化值为1.96kPa，对应的高度误差为280米。VS在5.1V～5.35V范围内，输出电压Vout为1.99V～2.09V，对应的大气压力变化值为2.18kPa，对应的高度误差为290米。
　　2）被测量大气压力P为101.325kPa的情况
　　VS在4.85V～5.1V范围时，输出电压Vout为3.96V～4.17V，对应的大气压力变化值为4.58kPa，对应的高度误差为380米。VS在5.1V～5.35V范围内，输出电压Vout为4.17V～4.37V，对应的大气压力变化值为4.36kPa，对应的高度误差为370米。
　　所以，从上述误差分析可以得出，需要对压力传感器的供给电压进行稳压处理。
　　4 总结
　　通过对飞思卡尔(Freescale Semiconduc