基于改进模型的气象无人机测风模型的硬件设计

周树道，金永奇，王 俊，程 龙

（解放军理工大学 气象学院，江苏 南京 211101）

皮托-静压管测风法具有自由灵活、测量成本相对较低、可连续重复测量等优点，是无人机测风技术一个很好的发展方向。其主要是通过测得飞机在水平、匀速、直线状态下的地速和空速，通过矢量运算解得风速。而在实际探测中，无人机时常存在加、减速运动，很难保持匀速飞行，改进型皮托-静压管测风模型突破了无人机必须匀速飞行探测的条件限制，通过建立非惯性运动状态下的空速计算方程来算得空速，再经过矢量运算得到更为精确的风速。本文正是基于改进型皮托-静压管测风模型，以高性能混合信号微控制器 C8051F120为主控制器，对无人机机载测风系统进行了硬件设计。

1 相关物理量测量思路

皮托-静压管测风法的风速风向基本计算公式[1]为：

式中vm为水平风速；va为水平空速；vg为水平地速；χ为航迹角(即为地速方向角)；δ是航向与航迹之间的差角，顺时针为正；Dw是风向角，定义正北方向至水平风速的夹角,顺时针为正；A是 vm与 vg的夹角。根据式(1)、(2)可

式中 Pt为总压(Pa)；P为静压(Pa)；R为气体常数(m2/(K·s2))；T 为静 温(K)；a为 无人机加速度(m/s2)；ρ为空 气密度(kg/m3)；va0为前一时刻。由式(3)可知动压（总压与静压之差）、总压、静温和加速度是计算空速大小所需测量的物理量。

1.1 水平地速测量思路

全球定位系统（GPS）可以在全球范围内对接收机进行实时定位,根据两个时间点上所得的经纬度坐标，可以计算出该时间内物体相对于地理坐标的运动速度。一般的GPS接收机所使用的C/A码信号计算,定位的精度在20 m以内，根据实际接收的信号质量和卫星数目情况精度会有所不同。而无人机在空中飞行,使用有源天知，水平空速和水平地速两个矢量是系统主要测量的物理量。地速可直接测得，而空速无法直接测得，需通过测量相关量间接计算得到。改进型皮托-静压管测风模型加入了飞机加速度对空速测量的影响，得出了在非惯性运动状态的空速大小计算公式[2]：线接收，可以得到较高精度的定位信息，是地速测量的一种很好的选择。因此本系统可使用GPS模块，在接收的信息中直接读出飞机的地速信息，实现地速测量目的。

1.2 水平空速测量思路

空速主要通过对动压、总压、静温和加速度的测量来间接计算得到。

动压测量有两种思路：(1)使用压力传感器分别测出总压和静压，然后两个量相减得到动压；(2)将两个量同时输入一个差压传感器，直接测出其差值。由于静压值也是需要测的量，因此两种方法所用的传感器数量一样，理论上两种方法都行。但在实际工程中，需使用量程较大的绝对压力传感器，而差压传感器的量程较小，使得传感器的灵敏度有很大差异，如系统使用相同位数的A/D转换器，则小量程的传感器得到的分辨率将大大高于大量程的分辨率。因此在动压测量的电路设计中，选择使用差压传感器，可大大提高测量分辨率，减小空速测量误差。

总压的测量，在满足量程的条件下尽量使用量程较小的绝对压力传感器，充分利用A/D转换芯片的分辨率。对于静温的测量，除了考虑分辨率、精度等因素之外，响应时间也是一个重要考虑因素，因为无人机飞行速度相对较大，位置变化较快，而不同地方的温度会有所不同，使得要求温度响应时间必须很短，才能测出对应时刻相对较准确的静温。

加速度的测量也有两种思路：(1)使用加速度传感器测量；(2)根据测得的速度经微分运算得到。由于飞机在飞行过程中存在俯仰角，不能保证加速度传感器测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该方向上的分量，因此测得的数据不可信。故本系统选择第二种方法，通过对地速微分求导，得到无人机加速度大小。

空速除大小的测量之外，方向也是需要测量的一个重要物理量。空速方向即飞机航向，可以利用地磁场方向的固定性通过电子罗盘来测得。由于飞机机身不一定水平，使用常规的电子罗盘误差很大，无法使用。解决的思路是使用三维磁阻传感器测得三维空间内三轴上各自的磁场大小，然后将其投影到水平面上，再通过计算得到飞机航向相对于磁北的夹角。而要完成所测得磁场的水平投影，需要知道飞机的姿态角度，因此还需要测得飞机的俯仰角和横滚角。姿态角的测量是以重力场为参考，使用加速度传感器测得飞机在三轴上的加速度，然后减去飞机本身加速运动而产生的加速度，得到飞机重力加速度在机体坐标系三轴上的分量，从而计算出飞机姿态角。

2 改进型测风模型硬件电路设计

本文选用C8205F120单片机为主控芯片。该单片机具有与8051兼容的高速 CIP-51内核，与MCS-51的指令集完全兼容，采用4级流水线的指令流程方式，提高了指令执行效率，处理速度最高达100 MIPS，是完全集成的混合信号片上系统级MCU芯片，并且提供了丰富的接口[3]，完全满足对各传感器的数据采集、处理、传输、存储等操作要求。此外系统还包括地速测量电路、空速测量电路和数据存储传输电路三部分，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.1 地速测量电路设计

GPS模块输出的数据中含有地速和角度的信息，因此可采用GPS对地速进行测量。本系统选用瑞士ublox公司的 LEA-5 GPS模块。LEA-5 GPS模块基于u-blox公司的第五代定位引擎，具有 50通道的GPS架构，提供快速的首次定位时间，能够进行大量的并行搜索，具有很高的捕获速度，供电电压 2.7 V～3.6 V，可通过UART串口输出数据[4]。本系统主控制器具有UART串口，故选择该串口方式实现两者的连接与通信。

2.2 空速测量电路设计

空速测量[5]涉及所需测量的物理量有：静压、动压、静温、航向、姿态角等。下面对各测量单元分别进行介绍。

2.2.1 动压测量单元

气象无人机在飞行过程中需要对相关数据进行不断采样，飞机速度不宜过快，否则会使两采样点之间距离相差过大。故选择飞行速度小于200 km/h。根据伯努利方程可知，当v=200 km/h时，动压为：

其中1.225 kg/m3为海平面高度的大气密度标准值。这里选择Freescale公司生产的MPXV7002DP传感器测量差压。其供电电压5 V,测量范围-2 kPa～+2 kPa,灵敏度为 1 V/kPa[6]，且输入与输出具有很好的线性关系。

将传感器输出电压输入C8051F120自带的12bit A/D转换单元即可转换成数字信号。可直接使用单片机内部基准电压，并通过软件编程将内部放大器增益(PGA)设置为0.5，将输入电压变换到电压转换范围之内，从而完成动压的采集转换。

2.2.2 航向测量单元

航向的测量使用三维磁阻传感器测量地球磁场在载体坐标系三个轴上的分量，结合三维加速度传感器解算出的姿态角进行倾斜角补偿，经过坐标变换，最终得到地理坐标系上精确的航向角。这里选用一个二维磁阻传感器HMC1022和一个一维磁阻传感器HMC1021组成一个三维磁场检测单元。HMC1022/1是Honeywell公司生产的利用磁阻效应构成的AMR各项异性磁阻传感器，测量范围±6 Guass，灵敏度 1 mV/V/Guass，测量带宽5 MHz，分辨率 85 μGuass[7]。输出特性曲线如图2所示。

图2 HMC1022/1相对于磁场输出特性曲线

地球磁场强度约为0.5～0.6 Guass，可见传感器输出电压信号幅度较小，如直接进行A/D转换，则无法充分利用A/D转换器的分辨率。因此需要采用仪表放大器先将小信号放大到接近A/D转换量程。这里选用一个单片集成芯片AD620进行信号放大,其特点是电路结构简单，一个AD620外加增益电阻和电源即可完成信号的处理任务。其中电路增益公式为：G=49.4 kΩ/Rg+1[8]。根据单片机A/D范围，通过调节来调整增益大小，电路图如图3所示。

图中SW按键用于手动置位/复位传感器，根据需要也可另外设计电路来通过单片机进行控制。ICL7660是电压反转器，用于将正电压转换成相应的负电压，给仪表放大器AD620提供负电压。AD620的5脚接的参考电压由单片机的DAC模块提供。

三维加速度传感器选用ADXL345，它直接输出数字信号，分辨率4 mg/LSB，能够分辨出仅为0.25°的倾角变化，一个集成的32级FIFO可储存多达32个X、Y和Z数据样本[9]，从而减小对主处理器的影响，通过SPI（3线或4线）或者数字接口访问。这里将其挂到总线上，根据其特有的总线从地址(0xEE)进行访问。

2.2.3 静压与静温测量单元

静压与静温可使用一个温压传感器来测量，本系统选用Bosch公司的气压温度传感器B085，其压力测量范围为30～110 kPa(相当于海拔-500 m～9 000 m)，绝对误差典型值为±1 hPa，分辨率0.01 hPa，温度测量范围-40℃～+80℃，绝对误差±1℃[10]，使用 I2C接口直接输出数字量，可直接与单片机连接。

2.3 数据存储和传输电路设计

完成数据采集后，需将数据转移到计算机上进行风速解算。数据转移可采用存储到SD卡或直接传输给地面接收器。SD卡具有SD模式和SPI模式两种接口方式[11]，考虑单片机自带SPI接口方式，因此选择SPI作为接口连接方式。无线发送模块采用9XStream数传模块，其开阔地距离达11 km/2.1 dB偶极天线,射频传输速率高达 19 200 b/s[12]，可采用 UART接口与 C8051F120的另一个串行端口UART1连接。

2.4 系统整体电路结构

综合以上设计电路，根据各测量模块的数据传输接口，将其连接至C8051F120数字外设的各个接口，得到系统的总体电路结构框图，如图4所示。

3 软件流程设计

本机载系统主要完成对传感器数据的采集、处理、存储、传输等任务，风速解算由地面计算机根据风速模型完成。C8051F120单片机的主函数软件设计流程如图5所示。

本文根据皮托—静压管改进型测风模型所需测量的相关物理量，设计了基于C8051F120单片机为主控芯片，配合相关传感器完成硬件电路设计，并对软件流程作了规划，可完成实时采集无人机飞行过程中的飞行状态数据和大气相关物理量，将所得数据存入 SD卡存储器，或通过无线模块直接发送给地面接收设备，最后由地面计算机完成对风速的解算任务，实现测风目的。

图5 程序流程图

[1]周伟静.一种基于小型无人机的风场测量方法[J].测试技术学报，2009，23（4）：297-302.

[2]周树道.基于非惯性运动状态的气象无人机测风方法研究[J]. 传感技术学报，2011，24（1）：155-158.

[3]新华龙电子.C8051F120/1/2/3/4/5/6/7系列混合信号ISP Flash微控制器数据手册[DB/OL].http://www.xhl.com.cn.

[4]王丽秋.基于u-blox高灵敏精确定位系统[J].微计算机信息,2010，26(2):167-169.

[5]黄成功.小型无人机空速测量系统设计[J].计算机测量与控制,2009(8):1512-1516.

[6]飞思卡尔.MPXV7002DP用户手册.http://www.freescale.com.

[7]王丽颖.基于HMC1022磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现[J].电子测量技术,2009(1):108-111.

[8]曹茂永.仪用放大器AD620及其应用[J].电测与仪表，2000（10）：49-52.

[9]ADI.ADXL345用户手册.http://www.analog.eetchina.com.

[10]Bosch.BMP085用户手册.http://www.bosch-sensortec.com.

[11]张恒.基于AT89S52和FAT16的SD卡读写系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（8）：53-58.

[12]李晓强.无人机飞行控制系统的硬件设计与研究[D].西安：西安理工大学，2008.