"Çalışma Notları" DSP Tabanlı İHA Yükseklik Edinim Sistemi Tasarımı
Özet: Bu makale, İHA üzerindeki DSP ve BMP085 dijital hava basıncı sensörüne dayalı yüksek hassasiyetli bir yükseklik toplama sisteminin tasarımını tanıtmakta ve yükseklik ölçümü ve iletimi elde etmek için sistemin fiili çalışmasının sonuç verilerini test etmekte ve analiz etmektedir. Sistem toplama terminalinin yazılım ve donanımının tasarımına ve uygulanmasına odaklanır ve yazılım ve donanımın tasarım gereksinimlerini detaylandırır. Sistem düşük güç tüketimine, basit yapıya, yüksek doğruluğa, güçlü anti-parazit yeteneğine sahiptir ve çevresel faktörlerin etkisini azaltabilir.Ölçüm sistemi, bağıl yüksekliği daha doğru hesaplamak için ölçüm verilerini düzeltmek için Kalman filtre algoritmasını kullanır.
Otonom uçuş kabiliyetine sahip insansız bir hava aracı, birden fazla disipline uygulanan son teknoloji bir araştırma konusudur.Dronun kabinde manipüle edilmesine gerek yoktur.Uçuş sırasında çeşitli görevleri otomatik olarak tamamlamak için çeşitli elektronik cihazlara güvenir. Uçan bir tavır. İHA'nın uçuş parametresi olan irtifa bilgisi, İHA'nın normal uçuş kontrol sisteminin uçağın güvenli ve istikrarlı uçuşunu sürdürmesini sağlamak için önemli bir göstergedir. Bu makale, BMP085 hava basıncı sensörünü araştırma nesnesi olarak alıyor, Kalman filtre algoritmasını benimsiyor ve TMS320F2812 DSP aracılığıyla daha doğru bir yükseklik toplama sistemi oluşturuyor.
1 Sistem çalışma prensibi ve donanım yapısı
DSP'ye dayalı İHA yükseklik toplama sisteminin donanım bölümü temel olarak üç bölümden oluşur: basınç ve sıcaklık edinimi, veri işleme ve veri iletimi. Sistem, İHA'nın hava basıncı ve sıcaklık değerlerini toplayıp İHA'nın işlemcisine göndermek için hava basıncı sıcaklık sensörünü kullanır.Yer kontrol merkezine göndermek için kablosuz iletimi kullanır ve formül üzerinden nispi irtifa değerini hesaplar.Kalman filtre algoritması daha fazlasını elde etmek için verileri düzeltir. İHA'nın emniyetli ve güvenilir bir uçuş irtifasında çalışabilmesi için yer istasyonu personelinin İHA'yı kontrol edebilmesi için doğru bir irtifa değeridir.
1.1 Genel sistem çerçevesi
DSP'ye dayalı İHA yükseklik toplama sisteminin genel yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Sistem donanımı BMP085 dijital hava basıncı sensörü, TMS320F2812 DSP, kablosuz iletim modülü, güç kaynağı modülü ve diğer çevresel devrelerden oluşmaktadır. TMS320F2812 kontrol cihazı, BMP085 hava basınç sensörüne I / O portu analog I2C veriyolu üzerinden bağlanır.BMP085 hava basıncı sensörü, ölçüm noktasının basınç değerini ve sıcaklık değerini gerçek zamanlı olarak alır ve bunu I / O portu üzerinden işlenmek üzere kontrolöre gönderir ve ardından basınç değeri ve sıcaklık değeri Veriler, İHA'nın kablosuz iletim modülü aracılığıyla gerçek zamanlı olarak İHA yer istasyonuna iletilir. İHA yer istasyonu verileri aldıktan sonra basınç ve yükseklik arasındaki dönüşüm ilişkisine göre basınç altında karşılık gelen irtifa değeri elde edilir, irtifa değeri telafi edilir ve verilerin düzeltilmesi, analiz edilmesi ve depolanması için Kalman filtre algoritması kullanılır. Daha sonra, yukarı bağlantı veri bağlantısı aracılığıyla, kontrol talimatları, dronun tutumunu ayarlamak için uçuş kontrol merkezine gönderilir, böylece dronun yüksekliğini kontrol eder ve dronun uçuşunu daha kararlı hale getirir.
1.2 Sistem donanımı seçimi
TMS320F2812 dijital sinyal işlemcisi, TI tarafından yeni başlatılan 32 bitlik sabit noktalı bir DSP denetleyicisidir ve şu anda kontrol alanındaki en gelişmiş işlemcilerden biridir. Frekansı 150 MHz'e kadardır, bu da kontrol sisteminin kontrol doğruluğunu ve çip işleme kapasitesini büyük ölçüde geliştirir; işleme verilerinin sayısı da 16 bit sabit noktadan 32 bit sabit noktaya sıçradı; en büyük vurgu, EVA, EVB olay yöneticisi ve 12'yi desteklemesi. 16 kanallı A / D veri toplama, JTAG sınır tarama arayüzünü destekler; 8 KB dahili ROM belleği ve 128 KB dahili Flash bellek, 332 bit CPU zamanlayıcı; seri iletişim çevre birimleri esas olarak 1 SPI seri arabirimi içerir , İki SCI seri arabirimi, gelişmiş denetleyici alan ağı iletişim arabirimi Ecan2.0B; 56 yapılandırılabilir genel G / Ç pini; düşük güç tüketimi modu ve güç tasarrufu modu; harici G / Ç bağlantı noktası voltajı 3,3 V, Çekirdek voltajı 1,8 V ve Flash'ın programlama voltajı 3,3 V'dir; 179 pimli BGA paketleri ve 176 pimli LQFP paketleri vardır.
Sistemin aşırı yük önleme gereksinimlerini karşılamak için Almanya, Bosch MEMS tabanlı BMP085 barometrik basınç sensörü kullanılır. BMP085, güçlü bir 8 pinli seramik kurşunsuz çip taşıyıcı (LCC) ultra ince paket kullanır, basınç ölçüm aralığı 30 kPa ~ 110 kPa'dır (-500 m ~ 9000 m'ye eşdeğer) ve mutlak doğruluk 0,03 hPa (0,25 m), sıcaklık ölçüm aralığı -40 ~ + 85 dir. BMP085, kompanse edilmemiş sıcaklık ve basınç değerlerini iletir Telafi edilmiş sıcaklık ve basınç değerlerini elde etmek için, telafi etmek için BMP085'in EEPROM belleğindeki standart verileri kullanabilirsiniz. EEPROM, sıcaklık ve basınç kompanzasyonu için kullanılan 176 bit ayrı standart veri depolar. 176 bit EEPROM, her biri 16 bit ve toplam 11 kalibrasyon katsayısı içeren 11 kelimeye bölünmüştür.Her cihaz modülünün kendine ait Ayrı kalibrasyon faktörü.
1.3 DSP sisteminin iç çerçevesi
Basınç sensörünün verileri DSP'ye I2C veriyolu üzerinden iletildiğinden ve TMS320F2812'de I2C veri yolu arabirimi bulunmadığından, TMS320F2812'nin G / Ç'si burada I2C veri yolunu simüle etmek için kullanılır. Kablosuz alıcı-verici modülü, verileri SPI aracılığıyla UAV yer istasyonuna gönderir, bu nedenle sistemin eksiksiz tasarımını tamamlamak için verileri almak ve göndermek için sistemde SPI ve I / O gerekir. Ancak DSP bu iki parçayı içerir.Şekil 2'de gösterildiği gibi, yalnızca bu modülleri çağırmanız ve harici arayüz modülü ile verileri aktarmak için parametreleri yapılandırmanız gerekir.
2 Sistem yazılım tasarımı
Ölçüm sisteminin yazılım tasarım programı, C dilinde yazılmış Keil uVision4'e dayanmaktadır. Program tasarım fikri yukarıdan aşağıya doğru, modüler bir tasarım şemasını benimsiyor, bu temelde sistem ve başlatma, G / Ç bağlantı noktası analog I2C bağlantı noktası iletişimi ve Kalman filtre algoritması düzeltme verileri gibi 3 alt program modülünü içeriyor. Ana program döngüsel bir şekilde yürütülür ve sistem iş akış şeması Şekil 3'te gösterilmiştir.
2.1 G / Ç bağlantı noktası analog I2C bağlantı noktası iletişimi
G / Ç bağlantı noktası analog I2C bağlantı noktası iletişimi esas olarak TMS320F2812 ve BMP085 arasındaki iletişim için kullanılır. G / Ç bağlantı noktası analog I2C bağlantı noktası iletişimini ayarladıktan sonra, kontrol cihazı BMP085'teki EEPROM'un 11 dengeleme katsayısını I2C arabirimi üzerinden önceden okur ve bu, sonraki sıcaklık dengeleme hesaplaması için uygundur. DSP, sensörün basınç ve sıcaklık ölçümünü başlatmak için BMP085 sensörüne bir başlatma sinyali gönderir. DSP'den başlatma sinyalini aldıktan sonra, BMP085 sensörü mevcut basıncı ve sıcaklığı ölçmeye başlar. 4,5 ms'lik zaman dönüşümünden sonra DSP, BMP085 sensöründe ölçülen basınç ve sıcaklığı okumak için I2C arayüzünü kullanır ve elde edilen kompanzasyon katsayılarını sıcaklık ve basıncı telafi etmek için birleştirir.
İHA, 2011 yaz tatilinde üretildi. Uzaktan kumandalı uçuş testi ve hata ayıklama sonrasında, tüm uçak 2,5 kg'a kadar taşıyabilir ve uçuş süresi genel seyir görevini karşılayabilir. Kabinde bol miktarda yer vardır ve kurulabilir hacim 7 cm × 8 cm × 9 cm'dir Bu göz önünde bulundurularak donanım devre kartı plug-in kartı şeklinde tasarlanmıştır.
BMP085 dijital basınç sensörü, hava basıncı-irtifa için bir referans formül sağlar.Sensör tarafından toplanan hava basıncı değeriyle işbirliği yapmak için bu formülü kullanmak daha iyi bir irtifa elde edebilir ve Kalman filtrelemesinden sonra elde edilen değer daha doğrudur.
Hava basıncı-irtifa formülü şöyledir: Yükseklik = 44330, burada Yükseklik m cinsinden rakım değeridir, P0 standart atmosferik basınç değeridir ve P belirli bir yükseklikte mevcut atmosferik basınç değeridir.
Tüm makinenin test sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir. Teorik değer olarak irtifa ölçüm sonucunu alın ve makinenin irtifa ölçüm sonucunu irtifa ölçer sonucuyla karşılaştırın. Sınırlı deneysel koşullar nedeniyle, yükseklik aralığı 0 ~ 500 m'dir.
Tablo 1'den sistem tarafından hesaplanan maksimum yükseklik hata değerinin ölçüm aralığında 0,52 m ve sistem hatasının genellikle 1 m'den az olduğu görülmektedir. Basınç yüksekliği toplama sisteminin hatası esas olarak sensörün kendisinin hatası, devre hatası ve hesaplama hatasından kaynaklanır. Sistem, ölçüm sonuçlarının yüksek doğruluğunu sağlamak için sensör kalibrasyonu, sıcaklık kompanzasyonu, yazılım filtreleme ve yükseklik formülünün hesaplanmasına tabi tutulmuştur, böylece yükseklik ölçüm sistemi yükseklik ölçümünün gereksinimlerini karşılar.
Basit devreler ve etkili yazılım filtreleme algoritmaları ile BMP085 atmosferik basınç sensörü ve TMS320F2812 DSP ile tasarlanmış yüksek hassasiyetli ve yüksek doğruluklu edinme ve test sistemi, iyi bir kararlılığa ve yüksek doğruluğa sahiptir ve yüksek doğruluk, küçük boyut ve rahat taşıma için uygundur. Çok işlevli talep, gerçek hayatta daha geniş bir uygulama olasılığına sahiptir.
Referanslar
Wang Xi, Li Xiaomin.Yüksek hassasiyetli küçük İHA hava basıncı yükseklik ölçüm sisteminin tasarımı.Ölçme ve kontrol teknolojisi, 2012, 31 (2): 12-15.
Liang Shengzhan, Guo Xuemei, Yu Xiaotian.BMP085 Barometrik Basınç Sensörü ve BP Algoritmasına Dayalı Yükseklik Ölçümünün Araştırılması ve Uygulanması Sensör Teknolojisi Dergisi, 2013 (5): 654-659.
Jiang Leping DSP tabanlı güneş hava gemisi uçuş kontrol sistemi üzerine araştırma Nanchang: Nanchang Hangkong Üniversitesi Enstitüsü, 2012.
Wang Juncai, Wang Fuping, Hou Ruifeng, vs. BMP085'e dayalı portatif bir yükseklik ölçüm sisteminin tasarımı Sensors and Microsystems, 2011, 30 (12): 123-125.
Wang Qi, Jiang Leping Hava gemisinde PSoC'ye dayalı sıcaklık edinim sisteminin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2012, 38 (1): 41-43.
Jingxi Kalman filtresi ve uygulama temeli Beijing: National Defense Industry Press, 1973.
