基于改进模型的气象无人机测风模型的硬件设计

摘 要： 基于改进型皮托-静压管测风模型分析了所需测量的物理量，选用适当传感器，设计了以C8051F120为主控制器、包含各测量模块的气象无人机机载测风系统。对系统的组成结构和硬件电路作了详细介绍，给出了相关软件流程。
关键词： 气象无人机； 测风； 硬件设计

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，以插件电感制造商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。



1.1 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，不能贴片绕线电感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。

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