（通信与信息系统专业论文）基于fpga的无人机大气数据测试系统.pdf

西北工业大学硕士论文:基于 f p g a的无人机大气数据测试系统 中文摘要 在无人驾驶飞机或一些小型飞机中， 大气数据参数的采集和处理是非常重要 的， 它是保障飞机飞行安全以及保证地面指挥和操纵人员正确引导飞行、 顺利完 成飞行任务的关键所在。 本文针对大气数据采集与处理的具体特点， 对大气数据 参数的采集、处理进行了研究和讨论。 本文论述了无人机大气数据测试系统的工作原理， 论证了适合其特点的总体 方案， 采用f p g a芯片作为系统的载体， 并着重对系统级芯片内部模块化设计进 行了论述。 在设计中 采取了按功能分割各个模块方法， 并分别对测试系统的各个 模块进行设计。 以对指示空速 v i 的测试系统作为设计的主干线，详细地论述了测试指示空 速劝的 系统组成及各个模块之间关系。由于所有的模块均采用 v h d l语言进行 源代码的编写， 所以 在对总体及各个模块进行硬件建模完成之后， 便进行源代码 的设计与输入。 在所有模块源代码编写完毕以后， 通过编写测试激励文件对所有 模块及总体进行功能及时序仿真，并分析仿真结果。 最后， 通过下载至实验板的测试工作， 最终论证了 所设计的基于f p g a的大 气数据测试系统的可行性。 关键字:指 示 空 速、 硬件 描述 语言、 模 块 化 设计、 现 场可 编 程 逻 辑器 件 西北工业大学硕十论文:基于t= p g a的无人机大气数据测试系统 abs tract i n t h e p i l o t l e s s a i r c r a f t o r s o m e a n d s m a l l s c a l e d a i r p l a n e , a t m o s p h e r e p a r a m e t e r o f c o l l e c t w i t h h a n d l e t o i s c o u n t f o r m u c h , a n d i t g u a r a n t e e t h e a i r p l a n e t o fl y t h e s a - f e t y a n d g u a r a n t e e t h e gr o u n d d i r e c t w i t h m a n i p u l a t e t h e r i g h t l e a d i n g o f p e r s o n n e l fl y , s m o o t h l y c o m p l e t e t h e k e y p la c e o f t h e fl i g h t m i s s i o n .t h i s t e x t a i m a t s t h e a t m o s p h e r - e d a t a t o c o l l e c t w i t h t h e c o n c r e t e c h a r a c t e r i s t ic s t h a t p r o c e s s e d , t o a t m o s p h e r e p a r a m - e t e r c o u n t o f c o l l e c t , h a n d l in g a n d p r o c e e d s in g r e s e a r c h w i t h d i s c u s s . t h i s t e x t i n d e t a i l i n t r o d u c e d t h e d a t a o f u n m a n n e d m a c h i n e a t m o s p h e r e t o te s t t h e s y s t e m s w o r k p r i n c i p l e , a r g u m e n t e d t h e t o t a l p r o j e c t , a d o p ti o n o f i n k e e p i n g w i t h i t s c h a r a c t e r i s t i c s e d t h e印g a c h i p t h e s l i c e d t h e c a r r y i n g o f c o n d u c t a n d a c t i o n s s y s t e m e d , a n d c o m b i n e t o p u t g r e a t e m p h a s i s o n t o s y s t e m c l a s s c h i p s l i c e i n t e rn a l mo d u l a r d e s i g n t h e d e s i g n p r o c e e d s t r e a t i s e .a d o p t e d t o p r e s s f u n c t i o n to p a r t i t i o n t h e e a c h m o l d p i e c e f o r , a n d d i s t i n g u i s h i n g d e s i g n s y s t e m o f e a c h m o l d p i e c e i n t h e d e s i g n . wi t h t e s t i n s t ru c t i o n a i r s p e e d v i s y s t e m c o n d u c t a n d a c t i o n s s y s t e m t h a t d e s i g n t h a t m a i n t ru n k l i n e , i n d e t a i l d i s c u s s e d t h e t e s t t o i n s t ru c t i o n e d a i r s p e e d t o i s s o o n t h e v i e d t o c o n s t i t u t e a n d o f t h e e a c h m o l d p i e c e r e l a t i o n .b e c a u s e o f a l l m o l d s p i e c e t h e p l a i t f o r p l a i t f o r a l l a d o p t i n g t h e v f i d l l a n g u a g e p r o c e e d i n g s o u r c e c o d e w r i t i n g , t h e r e f o r e a f t e r p r o c e e d i n g h a r d w a r e o f r i g h t to t a l a n d e a c h m o l d p i e c e s e t u p m o l d c o m p l e t e , t h e n p r o c e e d i n g s o r c e c o d e w r i t e .a t h a v e a s o r c e c o d e p l a i t w r i t e t o c o m p l e t e h e r e a f t e r , p a s s p l a i t t o w r i t e t o t e s t t o e n c o u r a g e r i g h t a l l m o l d p i e c e s e s a n d t o t a l p r o c e e d i n g f u n c t i o n s o f d o c u m e n t s o n t i m e t h e p r e f a c e i m i t a t e t r u e ,a n d t h e a n a l y s i s i m i t a t e t ru e r e s u l t . f i n a l l y ,p a s s t o t e s t w o r k t h a t d o w n l o a d t h e b it f i l e t o t h e t e s t b o a r d ,v a li d a t e t h e p - o s s i b i l i t y o f t h e d e s i g n o f a c c o r d in g to t h e f p g a a t m o s p h e r e d a t a t e s t s y s t e m . k e y wo r d s : i n s t ru c t i o n a i r s p e e d、 h d l , m o d u l a r d e s i g n , f p g a 西北 r 业大学硕上论文:基于f p g a的无人机大气数据测试系统 第一章绪论 1 . 1 课题的背景和意义 无人驾驶飞机， 即不载人飞机， 简称无人机， 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。 它具有体积小、 重量轻、 机动性好、 造价低廉、 用 途广泛、 不依赖机场、空勤保障简单、 不受人的生理特点限制等优点， 在现代战 争、 气象、 地质勘探和科学实验中得到广泛应用。 同 其它通用的飞机一样， 无人 机大气数据的采集与处理也同样非常重要。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。 最早的飞机是在没有任何飞行仪表的情况下飞行的， 驾驶员只能依赖于他的 视觉、 感觉、 和听觉给出 相对地面的高度和速度等大气参数。因此， 这种飞行只 限于在良 好的气候条件下进行的， 试图在恶劣天气下飞行维修会发生飞行事故。 随着航空技术的发展， 航空专家们越来越多的认识到必须设计一种能够在能 见度很差的条件下操纵飞机的系统， 即飞行状态仪表。 大气数据仪表即是表征飞 行状态仪表的一部分。 最初的空速指示器和高度表非常简单。空速指示器就是利用表内的开口 膜 盒， 在动压的作用下产生膨胀， 从而带动指针指示出相应的空速。 这是因为动压 的大小与气流的速度等因素有关， 所以 指针的指示能够反映气流速度的大小， 即 空速的大小。 而由 于在标准大气压条件下， 气压高度与静压是一一对应的单值函 数关系， 所以 可以用气压的大小来反映飞机气压高度的大小， 因此最初的高度表 实际上就是一种真空膜盒式气压计， 以 米或英尺计量高度。 首先把膜盒内 部抽成 接近真空， 作用在膜盒外部的为静压， 这样， 高度表便是测量绝对压力的气压计， 不过刻度为与气压相对应高度罢了。 气动式大气仪表的进步发展，造就了升降速度指示器和马赫数指示器的出 现。 机械式大气数据仪表依靠空气流动直接驱动指示器，结构简单、可靠性好。 经过专家的多年研制，出现了许多修正方案， 如: 温度误差的机械补偿， 气压校 正等，因而提高了指示精度。 随着气动仪表的高速发展， 从而导致了气动传感器的出现， 促进了大气数据 测试系统发展， 并逐渐在此基础之上演变成大气数据计算机系统， 研究大气数据 测试系统正是为以后设计数字式大气数据计算机系统做准备。 由于飞机飞行时所需的大气数据参数有很多， 要想把所有的参数都测量出来 西北 r 业大学硕上论文:基于f p g a的无人机大气数据测试系统 第一章绪论 1 . 1 课题的背景和意义 无人驾驶飞机， 即不载人飞机， 简称无人机， 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。 它具有体积小、 重量轻、 机动性好、 造价低廉、 用 途广泛、 不依赖机场、空勤保障简单、 不受人的生理特点限制等优点， 在现代战 争、 气象、 地质勘探和科学实验中得到广泛应用。 同 其它通用的飞机一样， 无人 机大气数据的采集与处理也同样非常重要。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。 最早的飞机是在没有任何飞行仪表的情况下飞行的， 驾驶员只能依赖于他的 视觉、 感觉、 和听觉给出 相对地面的高度和速度等大气参数。因此， 这种飞行只 限于在良 好的气候条件下进行的， 试图在恶劣天气下飞行维修会发生飞行事故。 随着航空技术的发展， 航空专家们越来越多的认识到必须设计一种能够在能 见度很差的条件下操纵飞机的系统， 即飞行状态仪表。 大气数据仪表即是表征飞 行状态仪表的一部分。 最初的空速指示器和高度表非常简单。空速指示器就是利用表内的开口 膜 盒， 在动压的作用下产生膨胀， 从而带动指针指示出相应的空速。 这是因为动压 的大小与气流的速度等因素有关， 所以 指针的指示能够反映气流速度的大小， 即 空速的大小。 而由 于在标准大气压条件下， 气压高度与静压是一一对应的单值函 数关系， 所以 可以用气压的大小来反映飞机气压高度的大小， 因此最初的高度表 实际上就是一种真空膜盒式气压计， 以 米或英尺计量高度。 首先把膜盒内 部抽成 接近真空， 作用在膜盒外部的为静压， 这样， 高度表便是测量绝对压力的气压计， 不过刻度为与气压相对应高度罢了。 气动式大气仪表的进步发展，造就了升降速度指示器和马赫数指示器的出 现。 机械式大气数据仪表依靠空气流动直接驱动指示器，结构简单、可靠性好。 经过专家的多年研制，出现了许多修正方案， 如: 温度误差的机械补偿， 气压校 正等，因而提高了指示精度。 随着气动仪表的高速发展， 从而导致了气动传感器的出现， 促进了大气数据 测试系统发展， 并逐渐在此基础之上演变成大气数据计算机系统， 研究大气数据 测试系统正是为以后设计数字式大气数据计算机系统做准备。 由于飞机飞行时所需的大气数据参数有很多， 要想把所有的参数都测量出来 西北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机大气数据侧试系统 需要建立一个庞大的大气数据计算机系统， 而基于f p g a的无人机大气数据测试 系统这一课题正是为此做准备的研究工作。 结合无人机的特点， 本人的设计就是 以测试指示空 速v i 、 气压高度场这两个大气数据参数为目 的， 设计一个专门 的 系统来实现测试的目 的，为以后建立数字式大气数据计算机系统做好准备工作。 而在具体的系统设计时，以测试指示空速 v i 为设计的主干线。本课题主要的 研 究内容就是如何根据大气原始参数传感器输出的信号， 经过采集和处理以后， 得 到满足精度和速度要求的指示空速v i 、气压高度h p 等大气数据参数。而系统的 载体则是一片f p g a芯片， 在此芯片内 部构造一个能对前端传送过来的信号进行 采集和处理的系统则是研究的重点。 互 1 .2 本人的主要工作 f p g a以 其功能强 大， 开 发过 程投资 少、 周期短、 可反复 修改、 保密 性好 ( 黑 匣 子 ) 、 开 发 工 具 智能 化 等 特点 成为 当 今硬 件 设 计的 首 选方 式 之一。 本课 题的 工 作主要是在研究大气数据的 采集与计算、以 及 f p g a模块化设计的 基础上，以 x i li n x s p a r t a n - i i x c 2 s 1 0 0 芯 片为 依 托， 在 其中 构 建一 个 满 足一 定 精度 和 速 度专 用 的大气数据测试系统。 具体包括以下几方面的工作: 1 .研究无人机大气数据测试系统的组成及测试方法， 着重研究指示空速、 气 压高 度的测试与计算推导过程， 得出 在满足一定条件下的最佳运算方式; 2 . 掌握f p g a的特点和工作原理， 将 f p g a的模块化设计合理运用于本设 计之中; 3 . 重点研究片内 系统各个模块构造，以 及各个模块之间或内 部的 信号 联系。 考虑到本 课题所使 用的开 发板中内 嵌的mi n x s p a rt a n - 1 1 x c 2 s 1 0 0的f p g a芯片 为系统之载体，在满足一定精度与速度的条件下搭建出系统的各个模块: 4 .对各 个模块及总体功能进行分析， 编写出 相应的基于v h d l 语言的 源代 码，并完成设计输入; 5 .设计输入完成之后， 对所设计的系统各模块进行仿真、 综合、 实现， 并得 出功能仿真、 综合后仿真、 布局布线后仿真的结果， 并把结果反馈到原设计之中， 参照预先的设定的要求， 根据仿真结果对不足之处进行不断修改， 直到 满足要求 为止; 6 在仿真得出正 确结果之后， 将系统综合、 实现并生成b i t 文件， 下载至f p g a 芯片内进行最后的上板验证，并分析结果，以待以后进一步的研究。 西北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机大气数据侧试系统 需要建立一个庞大的大气数据计算机系统， 而基于f p g a的无人机大气数据测试 系统这一课题正是为此做准备的研究工作。 结合无人机的特点， 本人的设计就是 以测试指示空 速v i 、 气压高度场这两个大气数据参数为目 的， 设计一个专门 的 系统来实现测试的目 的，为以后建立数字式大气数据计算机系统做好准备工作。 而在具体的系统设计时，以测试指示空速 v i 为设计的主干线。本课题主要的 研 究内容就是如何根据大气原始参数传感器输出的信号， 经过采集和处理以后， 得 到满足精度和速度要求的指示空速v i 、气压高度h p 等大气数据参数。而系统的 载体则是一片f p g a芯片， 在此芯片内 部构造一个能对前端传送过来的信号进行 采集和处理的系统则是研究的重点。 互 1 .2 本人的主要工作 f p g a以 其功能强 大， 开 发过 程投资 少、 周期短、 可反复 修改、 保密 性好 ( 黑 匣 子 ) 、 开 发 工 具 智能 化 等 特点 成为 当 今硬 件 设 计的 首 选方 式 之一。 本课 题的 工 作主要是在研究大气数据的 采集与计算、以 及 f p g a模块化设计的 基础上，以 x i li n x s p a r t a n - i i x c 2 s 1 0 0 芯 片为 依 托， 在 其中 构 建一 个 满 足一 定 精度 和 速 度专 用 的大气数据测试系统。 具体包括以下几方面的工作: 1 .研究无人机大气数据测试系统的组成及测试方法， 着重研究指示空速、 气 压高 度的测试与计算推导过程， 得出 在满足一定条件下的最佳运算方式; 2 . 掌握f p g a的特点和工作原理， 将 f p g a的模块化设计合理运用于本设 计之中; 3 . 重点研究片内 系统各个模块构造，以 及各个模块之间或内 部的 信号 联系。 考虑到本 课题所使 用的开 发板中内 嵌的mi n x s p a rt a n - 1 1 x c 2 s 1 0 0的f p g a芯片 为系统之载体，在满足一定精度与速度的条件下搭建出系统的各个模块: 4 .对各 个模块及总体功能进行分析， 编写出 相应的基于v h d l 语言的 源代 码，并完成设计输入; 5 .设计输入完成之后， 对所设计的系统各模块进行仿真、 综合、 实现， 并得 出功能仿真、 综合后仿真、 布局布线后仿真的结果， 并把结果反馈到原设计之中， 参照预先的设定的要求， 根据仿真结果对不足之处进行不断修改， 直到 满足要求 为止; 6 在仿真得出正 确结果之后， 将系统综合、 实现并生成b i t 文件， 下载至f p g a 芯片内进行最后的上板验证，并分析结果，以待以后进一步的研究。 西北工业大学硕士论文签于f p g a的无人机大气数据测试系统 1 . 3 本文的内容安排 本文在内容上做了如下安排: 第一章， 绪论部分，总体对设计工作及论文情况进行简要介绍; 第二章，对大气数据测试系统的组成进行较为详细的阐述，并对指示空速 v i 、 气压高 度h p 的计算原理加以 全面的推导; 第三章， 简单的介绍一下f p g a的基本原理以及它的设计流程， 另外还论述 了 本 人对f p g a 模 块化 设计 ( m o d u l a r d e s ig n ) 方法的 理 解; 第四章， 然后， 通过对测试系统的各种条件分析， 对本课题所研究的对象在 所基于的f p g a芯片内部进行系统级的搭建， 并详细论述了系统内部各模块的设 计方法与设计流程，并且使用基于 v h d l语言的描述编写出源代码，为下一步 的各级仿真工作做准备; 第五章， 在完成设计输入之后， 通过各级仿真确定系统的功能及时序是否正 确， 验证系统的精度和速度是否满足要求， 在各模块及总体的各级仿真通过之后， 便进行最后的上板验证工作，并分析结果; 第六章，结论。 西 北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机大气数据侧试系统 第二章无人机大气数据测试系统的理论基础 大气数据各种参数的测量是现代化飞行中必不可少的一项工作， 它为机载火 控系统， 飞行控制系统和导航系统等提供所需的实时大气数据信息， 其性能的 好 坏不仅直接关系到对大气数据的准确检测和指示， 而且还影响飞行任务的完成及 飞行的安全。 因此， 世界上各个国家都非常重视大气数据测试系统的发展和应用。 随着航空与电子技术的飞速发展， 大气数据测试系统逐渐演变为大气数据计算机 系统。 2 . 1 大气 数据测试系 统的功能 要求 飞机的大气数据参数主要应用于飞 机上的导航系统、 火控系统、 发动机自 控 系统、 空管系统， 另外即时的仪表显示、 警告系统等也是必不可少的信息。 因 此， 为了满足飞机上其它系统对大气数据信息的需求和对大气数据系统的安全性、 可 靠性、可维修性的要求，一般来说， 大气数据计算机应具有一下功能r 1 1 : 1 . 如果该系统 在输入 静压p s ， 总 压p 或 动压p q ) 、 大 气总 温t t ， 气压修正 信号a p 。 和指示仰角a ; 和静压源误差修正信号的条件下， 应能提供下列大气参 考信息， 即 气压高 度h p ， 气压修正高 度伽、 气压高 度变 化率、 高 度 偏差信号4 h p 、 马 赫数m a . m a 的 变化率、 指示空 速v i 、 真空 速v 、 最 大允 许空 速v . n 和 最大允许马赫数m - 、 真实仰角a ， 、大气密 度p . 、大气静温t . 、大气总温t . 真实静压p . 、指示动压p q i 、 真实动压巧、空 速保持a v和静压变化率等; 2 . 系统应具有输出不同形式信息的功能。 如根据实际需要能输出 直流、 单向 交流、 三项交流等模拟信息， 也能输出二进制和二一十进制串行或并行的数字量 信息等; 3 .系统应具有误差修正功能: 如静压源误差修正、 传感元件的非线性修正等; 4 . 系统应具有自 监控功能和故障警告功能， 其中包括全部主要部件的监控能 力; 5 .系统应具有飞行前和飞行中的自 检测功能; 6 . 系统应具有可快速方便地更换组件功能等。 上述对大气数据系统的全面功能要求， 视飞机机种的不同 而有所差别。 除上 述功能要求外， 其还应该满足一般常规要求， 如静态性能、 动态性能、 体积、重 量和功耗等。 事实上， 并不是所有的飞机都完全满足上述功能要求，当然也没有必要。例 西 北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机大气数据侧试系统 第二章无人机大气数据测试系统的理论基础 大气数据各种参数的测量是现代化飞行中必不可少的一项工作， 它为机载火 控系统， 飞行控制系统和导航系统等提供所需的实时大气数据信息， 其性能的 好 坏不仅直接关系到对大气数据的准确检测和指示， 而且还影响飞行任务的完成及 飞行的安全。 因此， 世界上各个国家都非常重视大气数据测试系统的发展和应用。 随着航空与电子技术的飞速发展， 大气数据测试系统逐渐演变为大气数据计算机 系统。 2 . 1 大气 数据测试系 统的功能 要求 飞机的大气数据参数主要应用于飞 机上的导航系统、 火控系统、 发动机自 控 系统、 空管系统， 另外即时的仪表显示、 警告系统等也是必不可少的信息。 因 此， 为了满足飞机上其它系统对大气数据信息的需求和对大气数据系统的安全性、 可 靠性、可维修性的要求，一般来说， 大气数据计算机应具有一下功能r 1 1 : 1 . 如果该系统 在输入 静压p s ， 总 压p 或 动压p q ) 、 大 气总 温t t ， 气压修正 信号a p 。 和指示仰角a ; 和静压源误差修正信号的条件下， 应能提供下列大气参 考信息， 即 气压高 度h p ， 气压修正高 度伽、 气压高 度变 化率、 高 度 偏差信号4 h p 、 马 赫数m a . m a 的 变化率、 指示空 速v i 、 真空 速v 、 最 大允 许空 速v . n 和 最大允许马赫数m - 、 真实仰角a ， 、大气密 度p . 、大气静温t . 、大气总温t . 真实静压p . 、指示动压p q i 、 真实动压巧、空 速保持a v和静压变化率等; 2 . 系统应具有输出不同形式信息的功能。 如根据实际需要能输出 直流、 单向 交流、 三项交流等模拟信息， 也能输出二进制和二一十进制串行或并行的数字量 信息等; 3 .系统应具有误差修正功能: 如静压源误差修正、 传感元件的非线性修正等; 4 . 系统应具有自 监控功能和故障警告功能， 其中包括全部主要部件的监控能 力; 5 .系统应具有飞行前和飞行中的自 检测功能; 6 . 系统应具有可快速方便地更换组件功能等。 上述对大气数据系统的全面功能要求， 视飞机机种的不同 而有所差别。 除上 述功能要求外， 其还应该满足一般常规要求， 如静态性能、 动态性能、 体积、重 量和功耗等。 事实上， 并不是所有的飞机都完全满足上述功能要求，当然也没有必要。例 西北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机大气数据测试系统 如我们所要讨论的无人机大气数据测试系统就属于这种情况， 我们只需要研究由 输入参数中最基本的参数一一动压p q 或者静压p s 来测量出指示空速v i 或者气压 高度h p 来。 2 .2 无人机大气数据测试系统的组成 无人机大气数据测试系统， 虽然对大气数据各个参数的测量范围及功能不及 其它大型飞机强大，但是对它的研究也是十分重要的。 通用大气数据测试系统是一种典型的综合实时测试系统， 它依靠少量的传感 器获得基本信息后， 通过数据处理单元计算出几十个甚至上百个有用的大气数据 参数， 提供给其它需要大气参数的机载电子设备。 同时， 它的运算及传递速度快， 能及时采集、运算和输出信息，以适应飞机系统的快速动态响应要求。 针对无人机的具体特点， 我们提出了 无人机大气数据测试系统的具体设计方 案，其工作原理框图如图2 .1 所示。 图2 . 1无人机大气数据测试系统原理框图 因为我们研究的是无人机大气数据测试系统，受无人机成本、体积、重量、 功耗、 使用环境条件等诸多方面因素的限制， 它不可能像普通大型飞机上所使用 的大气数据计算机一样， 全面地测量出 大气静压p s 、大气动压巧、总温度t c , 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。同样的道理， 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。从图2 . 1 可见，它 由原始参数传感器、输入接口、基于f p g a的运算处理单元等组成。 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 西北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机大气数据测试系统 如我们所要讨论的无人机大气数据测试系统就属于这种情况， 我们只需要研究由 输入参数中最基本的参数一一动压p q 或者静压p s 来测量出指示空速v i 或者气压 高度h p 来。 2 .2 无人机大气数据测试系统的组成 无人机大气数据测试系统， 虽然对大气数据各个参数的测量范围及功能不及 其它大型飞机强大，但是对它的研究也是十分重要的。 通用大气数据测试系统是一种典型的综合实时测试系统， 它依靠少量的传感 器获得基本信息后， 通过数据处理单元计算出几十个甚至上百个有用的大气数据 参数， 提供给其它需要大气参数的机载电子设备。 同时， 它的运算及传递速度快， 能及时采集、运算和输出信息，以适应飞机系统的快速动态响应要求。 针对无人机的具体特点， 我们提出了 无人机大气数据测试系统的具体设计方 案，其工作原理框图如图2 .1 所示。 图2 . 1无人机大气数据测试系统原理框图 因为我们研究的是无人机大气数据测试系统，受无人机成本、体积、重量、 功耗、 使用环境条件等诸多方面因素的限制， 它不可能像普通大型飞机上所使用 的大气数据计算机一样， 全面地测量出 大气静压p s 、大气动压巧、总温度t c , 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。同样的道理， 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。从图2 . 1 可见，它 由原始参数传感器、输入接口、基于f p g a的运算处理单元等组成。 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 西北工业大学硕_ l : 论文:基于f p g a的无人机人气数据测试系统 数静 压p s 和 动 压p q ， 并以 模 拟 量的 形 式 送 到 输入 接口 电 路。 由 于 本 课 题 主 要 考 虑的 是在f p g a片内 系 统的 构造， 对前端只要 考虑接收正常的电 压信号 ( 0 - 5 v ) 经电 压变频率 ( v / f ) 转换后的 频率信号 f i ， 并对它们 进行处理 而不用考虑何 种 型号的传感器， 毕竟我们最关心的还不是前端送过来的电压信号， 对此信号的采 集与处理才是大气数据测试系统设计的关键。 输入接口电路主要由v / f 变换器组成， 把来自 原始参数传感器信号变成频率 信号 输入到f p g a芯片中 去， 经过 相应的函 数运算处理， 得到 气压高 度h p 和 指 示空速 v i 这两个最为关键的大气数据参数。得到的结果可以经过一些变换再传 递给无人机的控制系统，以供其它机载设备使用。 2 .3 大气数据参数的计算原理 大气数据参数有很多， 这里着重介绍气压高度、 指示空速及真空速这几个无 人机必需的大气参数的计算原理。 2 .3 .1气压高度计算的原理 2 . 3 . 1 . 1 国际标准大气 为了满足飞机仪表标准化的需要，1 9 7 2年由 航空与航天器技术委员会 起草， 国际民 航组织和世界各相关组织共同讨论， 并得到世界上主要国家同 意的 “ 国 际 标 准 大 气” ，已 由 国 际 化 标 准 组 织 ( i s o ) 正 式 编 入 国 际 标准i s 0 2 5 3 3 一 标 准大气 ， 该标准规定一 2 0 0 1) 米一+8 0 0 0 0 米高度范围内大气各参数与高度的关 系。 国际标准大气规定 f 1 1 : ( 1 ) . 空气为干燥的理想气体， 并遵循理想气体方程所确定的关系: 。 p r t_ _ 。 ， f . 一 尸 、 j m ( 2 . 1 ) 式中: 一气体的 气 压( 单位: 一气体的密度( 单位: t 一气体的 温度 ( 单位: m一平均空气克分子量 p a ) k g / - 3 ) k ) m= 2 8 . 9 6 4 4 2 0 ( k 留 k m o l ) 西北工业大学硕_ l : 论文:基于f p g a的无人机人气数据测试系统 数静 压p s 和 动 压p q ， 并以 模 拟 量的 形 式 送 到 输入 接口 电 路。 由 于 本 课 题 主 要 考 虑的 是在f p g a片内 系 统的 构造， 对前端只要 考虑接收正常的电 压信号 ( 0 - 5 v ) 经电 压变频率 ( v / f ) 转换后的 频率信号 f i ， 并对它们 进行处理 而不用考虑何 种 型号的传感器， 毕竟我们最关心的还不是前端送过来的电压信号， 对此信号的采 集与处理才是大气数据测试系统设计的关键。 输入接口电路主要由v / f 变换器组成， 把来自 原始参数传感器信号变成频率 信号 输入到f p g a芯片中 去， 经过 相应的函 数运算处理， 得到 气压高 度h p 和 指 示空速 v i 这两个最为关键的大气数据参数。得到的结果可以经过一些变换再传 递给无人机的控制系统，以供其它机载设备使用。 2 .3 大气数据参数的计算原理 大气数据参数有很多， 这里着重介绍气压高度、 指示空速及真空速这几个无 人机必需的大气参数的计算原理。 2 .3 .1气压高度计算的原理 2 . 3 . 1 . 1 国际标准大气 为了满足飞机仪表标准化的需要，1 9 7 2年由 航空与航天器技术委员会 起草， 国际民 航组织和世界各相关组织共同讨论， 并得到世界上主要国家同 意的 “ 国 际 标 准 大 气” ，已 由 国 际 化 标 准 组 织 ( i s o ) 正 式 编 入 国 际 标准i s 0 2 5 3 3 一 标 准大气 ， 该标准规定一 2 0 0 1) 米一+8 0 0 0 0 米高度范围内大气各参数与高度的关 系。 国际标准大气规定 f 1 1 : ( 1 ) . 空气为干燥的理想气体， 并遵循理想气体方程所确定的关系: 。 p r t_ _ 。 ， f . 一 尸 、 j m ( 2 . 1 ) 式中: 一气体的 气 压( 单位: 一气体的密度( 单位: t 一气体的 温度 ( 单位: m一平均空气克分子量 p a ) k g / - 3 ) k ) m= 2 8 . 9 6 4 4 2 0 ( k 留 k m o l ) 西北工业大学硕士论文: 基于f p g a的无人机大气数据测试系统 r 一通用气体常数 r = 8 3 1 4 .3 2 ( 比 m 2 / s 2 k k m o l) r一空气专用气体常数r = r m = 2 8 7 .0 5 2 8 7 ( m 2 / s 2 k ) ; ( 2 ) . 以 海 平面 为 零 高 度， 海 平 面 大 气的 标 准状 态为: 气 压 p o 为7 6 0 m m h g ( 或 1 0 1 .3 2 5 k p a ) ; 气 温t o 为2 8 8 . 1 5 k ; 标 准空 气 密度 为1 .2 2 5 k gj m ; ( 3 ) . 为了便于讨论大气中的压力分布， 国际标准大气引出重力势及重力势高度 h的 概念。 重力势。 ( x ,y , z ) 代表了 地球大气层内 某一给定点上空气微粒的势 能 (d ( x ,y z ) 。 在地 球重力 场内 ， 当4) ( x ,y , z ) 为 常数时， 其 所 确定的 面 上的 所有 势 能都相等， 就称之为 “ 等位势面” 或 “ 等重力势面” 。当 空气微粒沿地球外法线 从重力势为。 : 的 面移动到的4 d 2 ( (d 2 = (d i + d 4) ) 面时， 单位质量所 做的功为: d o= g , d h 或。 ， 丈 g xd h 式中: h 一几何高度弹位: 米) g * 一随 几 何 高 度h 变 化的自 由 落 体加 速 度 ( 单 位 用重力势中除以 标准自 由 落体加速度g n , 就得 到重力势高度h : 湘秒2 ) 的表示式: 411 2傀乙 中1 .h 月. 一 . 一 f . g . a n g . 9 . 1 1 d h. 互d h 在标准大气情况下， 只考虑地球万有引力时， 用下面的公式就可以足够精确 地求得不同高度的重力加速度: : 。 二 m- 2 一 ) ， r + n ( 2 . 6 ) 式中:r = 6 3 5 6 7 6 6 米.称为地球的公约半径。 将式( 2 .6 ) 代入式( 2 .4 ) ，可得: 70八 ，2 h 二 r h r +h h二 r h r一h ( 4 ) . 对流层的顶界为 1 1 公里; 上升 1 0 0 0 米，气温降低 6 .5 k ; 在对流层内， 气温垂直变化率为6 .5 k / k m ， 即每 在高度为 n公里至 随高度的变化而变化， 等于一 5 6 .6 0c ;当高度超过 2 5 公里的平流层内，气温不 2 5公里时，气温随高度的升 西北工业大学硕士论文;基于 f y g a的无人机大气数据侧试系统 高略有上升， 气温的垂直变化率约为1k/km.而每一高度分层的温度均取为重力 势高度的线性函数，即: 几二 t , + ,6 ( h 一 h , )( 2 . c, ) 式中:h b 一相应层的重力势高度下限值 t b 一相应大气温度下限值 0 一气温的 垂 直变化率 扣 = d t / d h ) 2 .3 . 1 .2 飞行高度的定义及种类: 飞行高度是指飞机在空中距离某一个基准面的垂直距离， 它是描述飞机的飞 行性能和飞行状态的主要参数之一，也是飞机在飞行中的一个重要的控制参数。 根据测量高度时所选取的基准面不同， 得出的飞行高度也不同， 在飞行中所使用 了飞行高度大约可分为以下几种: ( 1 ) . 相对高度:飞机从空中到一指定地点地面的垂直距离一 称为相对高度。 利 用大气特性测量相对高度时，一般指定地点的气压平面作为基准面; ( 2 ) . 真实高度:飞机从空中到正下方地面目 标上的垂直距离，称为真是高度; ( 3 )绝对高度:飞机从空中到实际 海平面的垂直距离; (4 ) . 气 压高 度: 指 飞 机 从空中 到 大 气 压 力 等于7 6 0 m m h g 的 标 准 气 压 平面 的 垂 直距离。这是一个人为的大气模型高度，由于大气是飞机等飞行器飞行的载体， 气压高度是控制飞机正常飞行的重要参数， 所以得出精确的气压高度是相当 重要 的。 另外， 气压高度在国际上是通用的， 在空中交通管制中有极大的作用。当飞 机作长途转场飞行或在指定空域待命飞行时， 都按某一指定的气压高度来保持飞 行高度， 以防止飞机在同一航线上与其它飞机相撞， 从而保证了飞机的飞行安全。 所以， 本课题以气压高度的测量作为主要对象之一， 如果不加注明的话， 我们这 里讨论的飞行高度一般都是指气压高度h p . 2 .3 . 1 . 3 气压高度公式的推导 我们知道， 利用大气压力随高度的变化而变化的特性， 通过测量飞机所在处 的大 气压力 ( 指静压p s ) . 就可以 间 接测量飞 机的 气压高 度h p 。 这 是假设 大气相对 于地球静止， 即没有水平和垂直方向的运动， 这时可在任意高度上取一个截面积 为d s ,高度为d h 的微型空气柱，如图2 .2 所示。 西北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机人气数据测试系统 图2 .2微型空气柱压力分析示意图 假设这微型空气柱的下底面所承受的大气压力为p s ; 上地面所受的 大气压力 为p s + d p s ，则压差为d p s ，而设其重量为g ，因为大气柱处于静止平等状态， 则 其静力平衡式为: 而 所以 且 p 只 d s 一 ( 只+ 识冲 g g. p g b d h d s 明d s + p bd h d s - 0 - p b . d h( 2 . 1 0 ) .- p s h. 只 一二二 g h 找 l ( 2 . 1 1 ) 识识一dh 将式( 2 .5 袱入上式， 得: 些 _ - g- d h rt ( 2 . 1 2 ) 当16 ， 0 时， 将t二 t b + ,6 ( h一 h b ) 代 入 ( 2 . 1 2 ) 式， 并 在h b 至h p ,p b 至p s 的高 度和气压范围内， 将式( 2 . 1 2 ) 两边积分，即: r e d p , h , 8 . 1. .一“止 j j 0 p d , r ( t n + ah一 “ b ) l 整理后，可得: “ 一 “ 1 + 扣， 一 幻 1一sh a r 二 ， 一 誉 (p )一 8r 一 卜 、 ( 2 . 1 3 ) ( 2 . 1 4 ) 西北工业大学硕士论文:基于f p g a的无人机大 气数据测试系统 当fl二 0 时，则可得: _ 9 . ( h ， 一 价) p二 p b e r 凡 凡， r t l 。 ph p = h b + bl n b g ., p ( 2 . 1 5 ) ( 2 . 1 6 ) 当用上式求解h p 时， 由 于标准大气温度不是连续的， 故h p 有不同的函 数表 达式，下面就分别讨论之: h p 1 1 0 0 0 米时 把 h o = o , p o = 1 0 1 .3 2 5 k p a ,t o = 2 8 8 . 1 5 k , 0 = - 0 .0 0 6 5 k / m代入( 2 . 1 6 ) 式， 可 得: h ， 一 4 4 3 3 0 .7 6 1 - 1 0 1 . 3 2 5 ) 0. 190 2 6 3 1( 2 . 1 7 ) 式中: h p 的 单位是米， p : 的 单位是k p a ; 1 1 0 0 0 h p 2 0 0 0 1) 米时 首先，由 ( 2 . 1 7 ) 式求出h p = 1 1 0 0 0米时的 p b = 2 2 .6 3 2 k p a ， 而在此时 t b = 2 1 6 .5 k 0 = 0 ，所以 h ， 二 1 1 0 0 0 - 式中:h p 的单位是米 .6 3 4 1 .5 3 l n (止琴) 1 2 2 . 6 3 2 - ， p s 的单位是k p a : ( 2 . 1 8 ) 2 0 0 0 0 h p l ) 同 理， 可以 对超音速流的 气动力方程( 2 .2 2 ) 做适当的整理，可得 p a = k+l