CN108279446A - 基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法，包括四轴飞行器、基于静压头的气压测量装置、单片机、无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块以及数据处理中心。基于静压头的气压测量装置包括静压头、巨压阻压力传感器、放大滤波电路、A/D模数转换器以及用于处理数据的单片机。本发明所述的基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法实现了对微压突变测量的高可靠性与高稳定性，可应用于监测气压突变所对应的气候变化，实现对气象灾害的预警。

Description

基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法，尤其适用于1km海拔以下气压微弱变化的测量。

背景技术

气压的微小突变一直是气象研究的一个重点，与气象灾害形成密切相关，所以，对微压突变的有效监测有利于气象灾害预警。目前，气压的测量主要用压阻式压力传感器，其成本低，但是它的测量精度较低，很难检测出气压中的微小突变，比如空气中5~20Pa左右的微小变化。由于高空中存在风，风压会影响气压的测量精度，导致测量结果产生误差，如何解决风压干扰问题，有效提高测量精度变得极为重要。

常规的气压测量是通过放飞探空气球实现的，这种方法虽然简单便捷，易于实现，但由于风的因素，测量的前后两点之间可能相距很远，气压值的变化很大，可能无法判断出是否发生了微压突变。同时，测量的点都是随风的方向而变化，不能测量固定点的气压值。而且，这种方法需要多次放飞探空气球，耗时长，前后两次的时间间隔较长，也无法实时监测气压值的突变。因此，采用新的测量方法，实现微压突变测量的实时性、高效性，也是一个刻不容缓的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置及方法，该微压突变测量装置采用四轴飞行器和基于静压头的气压测量装置相结合的方式，极大的提高了气压测量抗风压干扰的能力；通过四轴飞行器的无线通信模块、飞控模块和GPS模块、对四轴飞行器进行编队飞行，实现对微压突变的实时监测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于，包括：静压头、气压测量装置、四轴飞行器、飞行控制模块、GPS定位模块、无线通信模块和数据处理中心；所述静压头将来自各个方位的风压抵消，使得气压通过导管进入气压测量装置，所述气压测量装置将测量的数据传输至四轴飞行器，所述四轴飞行器通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心，所述飞行控制模块用于控制四轴飞行器，所述GPS定位模块用于定位四轴飞行器。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述气压测量装置包括电源模块、传感器模块、信号处理模块和信号转换模块，所述电源模块分为基准电压源、模拟电源和数字电源，所述基准电压源为传感器模块供电，所述模拟电源为信号处理模块供电，所述数字电源为信号转换模块供电；所述传感器模块是由巨压阻结构组成的巨压阻压力传感器，所述信号处理模块包括电压放大电路和低通滤波电路，所述信号转换模块包括AD模数转换器和单片机一；所述巨压阻压力传感器将采集到的电信号通过电压放大电路和低通滤波电路处理后，传输给AD模数转换器，所述AD模数转换器将信号转换后输出至单片机一，再由单片机一发送至四轴飞行器中设置的单片机二，所述单片机二再通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心。

所述AD模数转换器采用A/D7195，单片机一和单片机二均采用STM32F407，无线通信模块采用ESP8266WIFI。

所述巨压阻压力传感器包括自下而上依次叠放的玻璃基底层、硅底层和二氧化硅绝缘层，所述二氧化硅绝缘层的表面中心放置有应力薄膜，二氧化硅绝缘层的表面四周放置有四个钛硅镓异质结巨压阻结构，所述钛硅镓异质结巨压阻结构两两对称地放置在应力薄膜上。

所述钛硅镓异质结巨压阻结构包括自内而外依次嵌套的内层镓结构区、中间层硅结构区和外层钛结构区，所述钛结构区和硅结构区的交界处形成钛硅异质结，硅结构区和镓结构区的交界处形成镓硅异质结；所述镓结构区的两端设置有金属边，所述金属边通过引线连接至金属片，所述金属片通过电极连接至铝端子，将四个钛硅镓异质结巨压阻结构连接成为惠斯通电桥电路。

此外，还提出了一种采用上述基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将静压头与气压测量装置的组合固定在四轴飞行器上，单片机一得到的气压数据值传输给四轴飞行器上的单片机二，再由四轴飞行器上的无线通信模块传输回地面的控制中心；

步骤2，将所要测量的微压突变区域在水平面上划分为5*5的25个正方形区域，并进行区域编号1,2，…，25；在垂直方向上，将区域分为10个等距间隔的高度层，并进行编号1,2,3，…,10；这样将要测量的区域空间分为250个子区域，每个子区域用（M，N）表示，M表示子区域在水平面上的编号，N表示子区域在垂直方向上的编号；

步骤3，对每个子区域进行气压测量，首先在区域（1，1）的右上角释放四轴飞行器一，并在其对角线位置释放四轴飞行器二；

步骤4，四轴飞行器一和四轴飞行器二同时按逆时针方向沿区域边线飞行，在每条边线的起点、中点、终点进行一次气压测量；每次测量完成后，将四轴飞行器调整为悬停模式，悬停时间为1分钟，再次进行一次气压值测量，与1分钟前的值相比，是否有微小变化；

步骤5，当四轴飞行器一和四轴飞行器二飞到对方起点时，调整飞行方向，沿对角线方向飞行至对角线第一个六等分点，重复步骤4；

步骤6，将步骤5中的飞行方向改为对角线第二个六等分点，重复步骤5，这样就完成了对一个子区域内24个样本点的测量；依此类推，测量完第1个高度层的其余24个子区域；

步骤7，完成对水平面所有子区域的测量后，控制四轴飞行器飞到（M，2）平面，重复步骤3、4、5、6，完成对（M，2）平面的测量；依此类推，完成对10个高度层的全部测量。

本发明的有益效果是：

1.本发明将静压头与气压测量装置相结合，相比与传统的测量方式，消除了大气中风压对测量数据的影响，提高测量的精确度；

2.本发明采用的钛硅镓异质结巨压阻结构使得该压力传感器的压阻系数与应变系数均数量级地增加，极大地提高了测量装置的灵敏度和准确性，可以实现对微小的气压变化的探测；

3.本发明以四轴飞行器为载体，通过气压测量装置、无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块，实现了对区域内指定地点气压值微小突变的实时监测；

4.本发明采用两架四轴飞行器进行联合测量，提高微压突变区域测量效率；

5.本发明采用水平方向和垂直方向的区域划分方法，对每个子区域进行同时测量，提高了气压测量的效率；借助四轴飞行器的飞行控制模块，实现对每个子区域多个采样点的测量，并通过无线通信模块，将采集的数据快速准确地反映给地面控制中心，并通过GPS定位模块，实现气压数据的全局汇总，绘制出更加清晰直观的气压图，帮助气象工作人员更好的分析气压走势情况。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图。

图2本发明的气压测量装置结构图。

图3本发明的气压测量装置的模块框图。

图4本发明的钛硅镓异质结巨压阻结构示意图。

图5本发明的钛硅镓异质结巨压阻结构侧视图。

图6本发明的巨压阻压力传感器的内部结构俯视图。

图7本发明的巨压阻压力传感器的侧面剖面图。

图8本发明的A/D转换电路图。

图9本发明的水平面上的区域编号示意图。

图10本发明的所需测量空间划分的示意图。

图11本发明的四轴飞行器的飞行路径示意图。

附图标记如下：1-钛结构区，2-硅结构区，3-镓结构区，4-金属边，5-引线，6-金属片，7-电极，8-铝端子，9-巨压阻压力传感器，10-玻璃基底层，11-硅底层，12-二氧化硅绝缘层，13-钛硅异质结，14-镓硅异质结，15-应力薄膜。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示的基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，主要包括四轴飞行器、静压头、巨压阻压力传感器、放大滤波电路、AD7195模数转换器、STM32F407单片机、ESP8266WIFI无线通信模块、飞行控制模块、GPS定位模块和数据处理中心。

如图2所示，静压头将来自各个方位的风压抵消，气压就通过导管进入气压测量装置。巨压阻压力传感器将采集到的电信号通过放大滤波电路处理后传输给A/D7195模数转换器，A/D7195模数转换器转换后输出至STM32F407单片机一，由STM32F407单片机一通过RS232/485发送至四轴飞行器的STM32F407单片机二，单片机二再通过无线通信模块ESP8266WIFI将所接收到的数据实时地传输给地面的数据处理中心。

如图3所示，气压测量装置具体分为四个模块：电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号转换模块。电源模块分为基准电压源、模拟电源、数字电源，基准电压源为传感器模块供电，模拟电源为信号处理模块供电，数字电源为信号转换模块供电。传感器模块由巨压阻构成的惠斯通电桥电路组成，信号处理模块包括电压放大电路、低通滤波电路，信号转换模块由AD7195模数转换器和STM32F407单片机一组成。

如图4所示，钛硅镓异质结巨压阻结构包括外层钛结构区1、中间层硅结构区2、内层镓结构区3，外层钛结构区1为柱型，中间层硅结构区2为圆柱型，内层镓结构区3为柱型。进一步参见图5，钛结构区1和所述硅结构区2的交界处是钛硅异质结13，硅结构区2和镓结构区3的交界处是镓硅异质结14。

如图6、图7所示，巨压阻压力传感器9包括自下而上的玻璃基底层10、硅底层11和二氧化硅绝缘层12，二氧化硅绝缘层12表面放置有四个钛硅镓异质结巨压阻和应力薄膜15，硅底层11底部向上设置有空腔，位于空腔上方的硅底层11为巨压阻压力传感器9的应力薄膜15。镓结构区3的两端设置有金属边4，金属边4通过引线5连接至金属片6，金属片6通过电极7连接至铝端子8，将四个钛硅镓异质结巨压阻结构连接成为惠斯通电桥电路，使得压阻系数与应变系数成倍的增加，极大地提升了灵敏度，能够测量压力的微小变化。应力薄膜15受气体压力发生形变，处于应力薄膜15上的钛硅镓异质结会随着受力的变化而变化，从而使得压敏结构的电阻发生变化，实现了巨压阻效应。

如图8所示，巨压阻惠斯通电桥电路与AD7195模数转换器之间设有依次相连的放大滤波电路。放大滤波电路能有效的抑制共模干扰引入的误差，提高信噪比和***的精度，具有较高的增益及较宽的增益调节范围。

如图9所示，将所要测量空间的投影平面划分为5*5的正方形区域，四轴飞行器在每个正方形区域内进行飞行，测量气压值。进一步如图10所示，将所要测量空间分为10个等距的高度层，每层都划分为5*5的正方形区域。当每个区域内的无人机完成测量后，升高到下一个高度层，继续测量。

如图11所示的基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量的方法，包括以下步骤：

步骤1，将静压头与气压测量装置（巨压阻压力传感器、放大滤波电路、AD转换器、单片机）的组合固定在四轴飞行器上，单片机一得到的气压数据值传输给四轴飞行器上的单片机二，再由四轴飞行器上的无线通信模块传输回地面的控制中心。

步骤2，将所要测量的微压突变区域在水平面上划分为5*5的25个正方形区域，并进行区域编号，1,2，…，25。每个正方形区域的边长为6km，这样就可以测量900km²的区域。在垂直方向上，将区域分为10个等距间隔的高度层，并进行编号1,2,3，…,10。这样就可以将要测量的区域空间分为250个子区域，每个子区域用（M，N）表示，M表示子区域在水平面上的编号，N表示子区域在垂直方向上的编号。

步骤3，对每个子区域进行气压测量，以子区域（1，1）为例，在该区域的右上角释放四轴飞行器一，并在其对角线位置释放四轴飞行器二。

步骤4，四轴飞行器一和四轴飞行器二同时按逆时针方向沿区域边线飞行，在每条边线的起点、中点、终点进行一次气压测量；每次测量完成后，将四轴飞行器调整为悬停模式，悬停时间为1分钟，再次进行一次气压值测量，与1分钟前的值相比，是否有微小变化。

步骤5，当四轴飞行器一和四轴飞行器二飞到对方起点时，调整飞行方向，沿对角线方向飞行至对角线第一个六等分点，重复步骤4。

步骤6，将步骤5中的飞行方向改为第二个六等分点，重复步骤5，这样，就完成了对一个子区域内24个样本点的测量。依此类推，可以同时测量完其余24个子区域。

步骤7，完成对水平面所有子区域的测量后，控制四轴飞行器飞到（M，2）平面，重复上述步骤3、4、5、6，完成对（M，2）平面的测量。依此类推，完成对10个高度层的全部测量。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于，包括：静压头、气压测量装置、四轴飞行器、飞行控制模块、GPS定位模块、无线通信模块和数据处理中心；所述静压头将来自各个方位的风压抵消，使得气压通过导管进入气压测量装置，所述气压测量装置将测量的数据传输至四轴飞行器，所述四轴飞行器通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心，所述飞行控制模块用于控制四轴飞行器，所述GPS定位模块用于定位四轴飞行器。

2.如权利要求1所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述气压测量装置包括电源模块、传感器模块、信号处理模块和信号转换模块，所述电源模块分为基准电压源、模拟电源和数字电源，所述基准电压源为传感器模块供电，所述模拟电源为信号处理模块供电，所述数字电源为信号转换模块供电；所述传感器模块是由巨压阻结构组成的巨压阻压力传感器，所述信号处理模块包括电压放大电路和低通滤波电路，所述信号转换模块包括AD模数转换器和单片机一；所述巨压阻压力传感器将采集到的电信号通过电压放大电路和低通滤波电路处理后，传输给AD模数转换器，所述AD模数转换器将信号转换后输出至单片机一，再由单片机一发送至四轴飞行器中设置的单片机二，所述单片机二再通过无线通信模块将接收到的数据实时传输给地面的数据处理中心。

3.如权利要求2所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述AD模数转换器采用A/D7195，单片机一和单片机二均采用STM32F407，无线通信模块采用ESP8266WIFI。

4.如权利要求2所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述巨压阻压力传感器（9）包括自下而上依次叠放的玻璃基底层（10）、硅底层（11）和二氧化硅绝缘层（12），所述二氧化硅绝缘层（12）的表面中心放置有应力薄膜（15），二氧化硅绝缘层（12）的表面四周放置有四个钛硅镓异质结巨压阻结构，所述钛硅镓异质结巨压阻结构两两对称地放置在应力薄膜（15）上。

5.如权利要求4所述的一种基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置，其特征在于：所述钛硅镓异质结巨压阻结构包括自内而外依次嵌套的内层镓结构区（3）、中间层硅结构区（2）和外层钛结构区（1），所述钛结构区（1）和硅结构区（2）的交界处形成钛硅异质结（13），硅结构区（2）和镓结构区（3）的交界处形成镓硅异质结（14）；所述镓结构区（3）的两端设置有金属边（4），所述金属边（4）通过引线（5）连接至金属片（6），所述金属片（6）通过电极（7）连接至铝端子（8），将四个钛硅镓异质结巨压阻结构连接成为惠斯通电桥电路。

6.一种采用如权利要求2-5中任一项所述的基于四轴飞行器和静压头的微压突变测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将静压头与气压测量装置的组合固定在四轴飞行器上，单片机一得到的气压数据值传输给四轴飞行器上的单片机二，再由四轴飞行器上的无线通信模块传输回地面的控制中心；

步骤2，将所要测量的微压突变区域在水平面上划分为5*5的25个正方形区域，并进行区域编号1,2，…，25；在垂直方向上，将区域分为10个等距间隔的高度层，并进行编号1,2,3，…,10；这样将要测量的区域空间分为250个子区域，每个子区域用（M，N）表示，M表示子区域在水平面上的编号，N表示子区域在垂直方向上的编号；

步骤3，对每个子区域进行气压测量，首先在区域（1，1）的右上角释放四轴飞行器一，并在其对角线位置释放四轴飞行器二；

步骤4，四轴飞行器一和四轴飞行器二同时按逆时针方向沿区域边线飞行，在每条边线的起点、中点、终点进行一次气压测量；每次测量完成后，将四轴飞行器调整为悬停模式，悬停时间为1分钟，再次进行一次气压值测量，与1分钟前的值相比，是否有微小变化；

步骤5，当四轴飞行器一和四轴飞行器二飞到对方起点时，调整飞行方向，沿对角线方向飞行至对角线第一个六等分点，重复步骤4；

步骤6，将步骤5中的飞行方向改为对角线第二个六等分点，重复步骤5，这样就完成了对一个子区域内24个样本点的测量；依此类推，测量完第1个高度层的其余24个子区域；

步骤7，完成对水平面所有子区域的测量后，控制四轴飞行器飞到（M，2）平面，重复步骤3、4、5、6，完成对（M，2）平面的测量；依此类推，完成对10个高度层的全部测量。