CN114608523B

CN114608523B - 一种高精度与高稳定性的气压测高***

Info

Publication number: CN114608523B
Application number: CN202111651966.8A
Authority: CN
Inventors: 陈春梅; 陈旭磊; 杨世恩; 孙小东
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114608523A

Abstract

本发明涉及数据处理领域，提供一种高精度与高稳定性的气压测高***，设计了一套气压测高***并对其进行了实验验证与性能分析。该***主要由自研功能主控板、MEMS谐振式压力传感器、上位机软件构成。主控板采用密集型四层制版，完成数据采集、处理、收发功能。压力传感器输出频率与温度数据，由主控模块进行精确采集、温度补偿得到气压数据。通过差分气压测高将气压数据转化为高度数据，以无线或有线方式发送至显示模块进行解析、显示与储存，满足了无人机在精准作业时对高度信息的高精度与稳定性需求。

Description

一种高精度与高稳定性的气压测高***

技术领域

本发明涉及无人机检测技术领域，具体涉及一种高精度与高稳定性的气压测高***。

背景技术

近些年无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)在航空、摄影、救援、安防等领域取得了广泛的应用，其功能需求与应用场景亦愈发复杂，对高度信息的可靠性需求不断增加。无人机高度信息的重要来源之一为压力传感器，因大气压强与高度呈一定规律变化，因此根据气压与高度的关系，测量大气压值便可以间接计算出高度。目前使用较多的压力传感器为压阻近些年无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)在航空、摄影、救援、安防等领域取得了广泛的应用，其功能需求与应用场景亦愈发复杂，对高度信息的可靠性需求不断增加。无人机高度信息的重要来源之一为压力传感器，因大气压强与高度呈一定规律变化，因此根据气压与高度的关系，测量大气压值便可以间接计算出高度。目前使用较多的压力传感器为压阻式、电容式与谐振式压力传感器，其中谐振式压力传感器通过检测物体的固有频率间接测量压力，输出为谐振器的频率信号，相对于电压信号具有信号处理方便，抗噪声能力强等优点，精度和稳定性一般优于压阻式压力传感器和电容式压力传感器。并且随着微机电***(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)发展，MEMS谐振式压力传感器具备体积微小、性能稳定、制作成本低、容易进行芯片集成等特点。

针对无人机对高度信息高精度与高稳定性的需求，本申请使用MEMS谐振式压力传感器设计了一套气压测高***。

发明内容

本发明目的在于提供一种高精度与高稳定性的气压测高***，***分别对传感器频率信号与温度信号设计了高精度采集模块集成于主控***中，加入温度补偿校准气压数值。依据气压测高原理，以差分测高的方式消除周围环境对高度转换的影响，得到准确的高度信息。完成集数据采集、处理、收发于一体的功能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高精度与高稳定性的气压测高***，包括有传感器模块、主控模块和显示模块，

传感器模块用于获取无人机在待测点时的模拟参数，模拟参数为传感器模块在待测点时的频率变化值和电压输出值，通过频率变化值确定初步气压值，通过电压输出值确定初步温度值；

主控模块用于将模拟参数进行处理，通过温度补偿后得到标准气压值，结合已测定参考点的气压值和温度值关系序列，计算得到待测点的高度；

主控模块通过无线通信将待测点高度发送至显示模块。

优选的，传感器模块为硅谐振式压力传感器，硅谐振式压力传感器的输出端分别与主控模块上的频率采集模块和电压采集模块连接。

优选的，所述频率采集模块和电压采集模块的输出端分别与主控模块上的数据处理模块连接，通过数据处理模块对转化后的模拟参数进行处理，数据处理模块内预存有已测定参考点的气压值和温度值。

优选的，所述待测点高度h的计算公式为，

式中，T_m可由待测点温度值与参考点温度值的进行平均得到，单位为℃，R_d取常数287.05J/(kg·K)，g取常数9.8m/s²，P为待测点的大气压强，单位为Pa；P₀为参考点的大气压强，单位为Pa；h为待测点的海拔高度值，单位m；h₀为参考点的海拔高度值，单位为m。

优选的，补偿后的气压值计算过程，包括下列内容：

步骤S1：通过硅谐振式压力传感器测量不同高度实验点的频率输出和电压输出，硅谐振式压力传感器上设置有温度传感器；

步骤S2：通过多组数据，计算得到气压值为，

Pressure＝∑_i∑_jK_ij·xⁱ·yⁱ

式中，Pressure为在绝压下的气压值，单位为kPa；K_ij为每支传感器对应的系数补偿表；i取0～4，j取0～3；x＝传感器频率输出-x′，y＝传感器电压输出-y′，步骤S3：通过标定建立硅谐振式压力传感器系数补偿表，通过得到待测点的补偿气压值P为，

P＝∑_i∑_jK_ij·xⁱ·yⁱ

P为待测点的大气压强，单位为Pa，补偿系数分别为x′、y′，均为常数。

优选的，所述频率采集模块为FPGA Spartan6 xc6slx16及74LVC245构成，74LVC245为8位总线收发器。

优选的，所述数据处理模块采用STM32F407ZET6。

优选的，温度采集模块选用AD7606模块内置ADC进行电压采集。

综上所述，本发明的有益效果为：

1、本发明基于自研的MEMS谐振式压力传感器，持续研发了本气压测高***。有益效果为：在中长距离测量范围内的相对标准偏差小于1％，精度达厘米级，优于当前市面上同等功能的分米级主流产品，具备精度高、稳定可靠等明显优势。

附图说明

图1为本发明的一种高精度与高稳定性的气压测高***的示意图；

图2为本发明实施例中的等精度测频法示意图；

图3为本发明实施例中的频率采集模块设计图；

图4为本发明实施例中的温度采集模块设计图；

图5为本发明实施例中的实验平台；

图6为本发明实施例中固定25cm高度差测量情况；

图7固定50cm高度差测量情况；

图8固定75cm高度差测量情况；

图9固定100cm高度差测量情况；

图10东7A楼1-8层高度差测量情况。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种高精度与高稳定性的气压测高***，***的总体方案如图1所示，传感器除了输出一路代表气压的频率信号外，还输出一路代表温度的电压信号用于补偿。传感器输出两路信号分别进入频率采集模块与温度采集模块，频率采集模块主要由FPGA Spartan6xc6slx16及74LVC245构成：FPGA具备独特的可编程特性，使得其可以针对特定任务实现特定数字电路，从底层优化设计，从而有着高效率、高速性与高可靠性的特点。并且其具备并行执行多个指令的特点，在测量频率信号时可以减小误差，达到高精度的需求。74LVC245是8位总线收发器，在发送和接收方向上具有非反相3态总线兼容输出，可使总线有效隔离。其作用将频率信号电压降至FPGA引脚耐受范围内，辅助检测频率的上升沿完成计数的要求；温补采集模块使用AD7606，为16位、8通道同步采样模数数据采集***，内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器等，可以处理±5V双极性输入信号，最高吞吐速率可达200Ksps。并且其采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，无需驱动运算放大器和外部双极性电源，满足精确采集的同时占用较小的空间。两路信号采集完成后进入数据处理模块进行补偿，数据处理模块采用STM32F407ZET6，其具备高性能，低功耗，多外设的特点，有着良好的扩展性与丰富的固件库，能挂载多路设备，完成复杂功能，适合多设备间的数据交换与多类型数据的计算处理。显示模块使用Labview软件进行设计，Labview具备较好的展示性以及兼容性，支持多种语言和平台，有丰富的工具包和驱动程序，适合对嵌入式平台控制与测试，完成实时接收数据、显示数据、保存日志等功能。整个***首先由频率采集模块采集频率数据，温度采集模块采集温度数据，通过数据处理模块计算温度补偿后的气压、高度差等信息，最终通过串口UART或者无线wifi方式发送至显示模块，显示模块解析数据后将数据进行实时显示并储存。

常用的频率测量方法有直接频率测频法、直接周期测频法、等精度频率测频法等。直接频率测频法是在单位时间内对被测信号的脉冲数进行计数，即为被测信号的频率；直接周期测频法是先测出被测信号的周期，频率则为周期的倒数。这两种方法都会产生±1个被测脉冲的误差，达不到高精度的需求。等精度测频法的闸门时间不是一个固定的值，而是被测信号的整倍周期时间，且与被测信号是同步的。在计数允许时间内，同步计数标准信号和被测信号，其次用公式推导出被测信号的频率。由于标准信号周期是被测信号周期的整数倍，因此消除了被测信号产生的±1个脉冲的误差。相比前两种方法，等精度测频法精度更高，误差更小，因此选择等精度测频法来测量频率，具体原理如图2，

等精度测频需要选用一个较大的时钟源来测量待测频率，本文选用FPGA***时钟。当检测到待测频率的上升沿后，***时钟与待测频率同时开始计数，当待测频率经过了N个周期后，***时钟相应也经过了n个周期，由于***时钟频率是已知的，因此可以计算出待测频率的周期，由式(1)所示，

式中，T为待测频率的周期，N为待测频率的计数个数，S为***时钟频率(Hz)，n为***时钟的计数个数。由式(1)可以计算出待测频率F(Hz)为

FPGA***时钟为50MHz，采用的MEMS谐振式压力传感器的待测频率限定于25kHz-35kHz范围内，为了使***尽量接近于一秒中测量两次数据，将25kHz与35kHz分别带入式(2)的待测频率F中，n取5×10⁷的一半2.5×10⁷，得到结果N取值位于12500-17500的区间，这里取N的值为16000，则最终计算式为式(3)，频率检测精度达到1/50MHz。

Fre输入为传感器输出的频率信号，经过74LVC245电平转换芯片将频率信号的电平降至FPGA芯片的引脚耐受电压范围内。FPGA根据阈值检测信号的上升沿并计数，当计数达到16000时，输出***时钟个数至内部串口模块，并将标志信号进行一次翻转。内部串口模块检测到标志信号翻转后，将输出时钟个数以ASCII码的格式发送至STM32F407。FPGA芯片使用50Mhz的有源晶振提供***时钟，W25Q128JVFIQ芯片作为FLASH芯片固化程序，并具有JTAG端口用于下载调试程序。

温度测量实际为电压测量，使用AD7606模块内置ADC进行采集，其位数为16位，可同时采样8通道，采样速率最高为200kSPS，且内置2.5V基准电压，可精准测-5V～5V的电压，电压计算公式为

式中，V为电压值(V)，AD为温度采集模块测量的AD值。根据式(4)，将AD设置为1个单位，可以算出分辨率为0.15mV，满足精度需求。

温度采集模块主要设计部分如图4所示，Value输入为传感器输出的温度信号，AD7606与STM32F407以并行接口方式通过FSMC进行数据交互，此种方式时钟是由MCU硬件产生，可以确保采集时钟的稳定性，最后将数字地与模拟地进行分割以减少干扰。采集过程配置/SER/BYTE SEL接口为并行接口输入模式；CONVST A与CONVST B接口为全通道ADC进行同时采样；OS0、OS1、OS2接口为无过采样倍率；REF SELECT接口接高电平使用内部基准电压；RANGE接口设置电压范围为-5V～5V。通过BUSY信号电平状态监视ADC启动与完成等状态以设置中断触发，当有中断产生时通过片选信号/>与/>/SCLK信号输出采样结果，并将结果转化为电压数据，得到数据后清除中断进行下一次采样，进而完成循环采集温度的过程。

由于半导体材料对自身温度非常敏感，使得硅谐振式压力传感器的输出不仅受压力的影响，还受工作温度变化的影响，从而产生温度漂移，加上传感器自身存在的非线性问题，使其测量精度大大降低，需要采取措施进行温漂补偿和非线性校正。本文使用的MEMS谐振式压力传感器芯片内有一只用于温度补偿的温度传感器，通过标定建立了气压与温度变化的关系模型，得出了每支传感器的对应的系数补偿表如表1，并采用了以下的多项式拟合用于温度补偿。

Pressure＝∑_i∑_jK_ij·xⁱ·yⁱ (5)

式中，Pressure为气压值(绝压，单位为kPa)；K_ij为每支传感器对应的系数补偿表；i取0～4，j取0～3；x＝传感器频率输出(Hz)-x′，y＝传感器电压输出(mV)-y′。采集到的数据经过多项式运算后得到补偿后的气压值。

表1谐振式传感器系数补偿表

在地球重力场中，大气压强与高度呈一定规律变化，因此根据气压与高度的关系可以间接计算出高度。然而气压会受多种因素如大气温度、纬度、季节等影响，这种物理特性导致直接计算的海拔高度误差比较大。差分气压测高方式可以有效的解决这一问题：一定区域内的大气运动、变化规律等物理特性比较接近，因此可以利用区域内已经测定、校准好的基准点气压、温度值与待测点的气压、温度值做差分校正，从而获取基准点和待测点之间的精确高度差。

当一空气块在保持静力平衡状态，水平方向上各面受力相互抵消的条件下，它在垂直方向上所受向上净压力(上、下压力差)必为重力所平衡，即为静力平衡方程

式中，P为当前大气压强(Pa)；z为海拔高度(m)；ρ为大气空气密度(kg/m³)；g为重力加速度(m/s²)。如果暂不考虑湿度对本地气压的影响，只考虑温度对气压影响的前提下，不含任何水蒸气的绝对干燥空气的气体状态方程为：

P＝ρR_dT (7)

式中，P为当前大气压强(Pa)；ρ为大气空气密度(kg/m³)；T为待测点的空气热力学温度(K)；R_d取287.05J/(kg·K)为干燥空气的气体常数。将式(6)带入式(5)中，对高度从h₀到h积分，可以得到气压与高度的关系式：

式中，P为待测点的大气压强(Pa)；P₀为参考点的大气压强(Pa)；h为待测点的海拔高度值(m)；h₀为参考点的海拔高度值(m)。对上式进行变换得：

由于高度与大气温度的关系较为复杂，简单的函数关系难以表示，所以对式(8)求积分较为困难。因此，假设在大气压强值相同时，温度也相同，令T_m为待测点与参考点之间大气层的平均温度，带入进行积分可得：

将华氏温度转化为摄氏温度，利用换底公式进行转换可得：

式中，T_m(℃)可由参考点温度值与待测点温度值的进行平均得到。R_d取常数287.05J/(kg·K)，g取常数9.8m/s²，最终高度差只需获取参考点的温度、气压数据与待测点的温度、气压数据四个未知量即可得到。

显示模块用于接收主控模块传输的数据，并且在界面中显示这些数据的实时变化。模块采用Labview完成，软件运行后首先对所有数据区进行初始化，读取下位机传递来的数据，读取到数据后对数据位数及帧头进行判断，如果无误则对数据进行解析，得到频率、电压、气压等数据。根据气压数据计算出高度，并且通过图表等方式将数据显示出，最终将数据存储至日志文件里，便于后期统计查看。

根据以上软硬件设计，开发并搭建了一套实验平台如图5所示。除本设计所用的MEMS谐振式压力传感器外，额外加入了MS5611压力传感器用作对照实验。MS5611是MEMS压阻式传感器，内部具备温度传感器可进行温度补偿功能，分辨率可达10cm，目前广泛应用于飞控***。平台中温湿度传感器DHT11用于检测环境温度辅助差分气压测高，与上位机通信使用EPS8266无线wifi的方式，整个***由主控板采集MEMS谐振式压力传感器与MS5611压力传感器的信号，将信号转化为气压数据并进行补偿，最终将气压转化为高度信息通过无线方式发送至上位机实时显示。

为了测试***的准确度及稳定性，分别在一天之内，室内环境下，搭建固定高度为25cm、50cm、75cm、100cm的平台，以及选取西南科大的东7A楼的1层和8层，在同一位置、同一高度进行了多次高度差测量。首先将设备放置在平台底层位置进行半分钟的静置，再将设备移动至平台顶层的位置进行半分钟的静置，静置期间记录时间，温度，气压等值。在一天内的不同时刻进行多组实验，保持每次设备放置的位置与之前一致，得到完整的实验数据。数据收集完成后，抽取其中20/12组，使用差分气压测高方式求出高度差，按照时间顺序以每栋楼的测试时间计次为横坐标，每次测得的高度差为纵坐标，绘制所有数据，情况如图6、图7、图8、图9、图10所示。根据每组测试结果进行分析，对高度差求平均值，标准差(Standard Deviation，SD)，相对标准偏差(Relative Standard Deviation，RSD)，结果汇总如表2所示。

表2高度测试结果的相对标准偏差

从图表中可以看出，在距离较短的测量中，本***的平均值更接近于真实值，每个时间点测得的高度差基本相等，且标准差与相对标准偏差明显优于MS5611，准确性、稳定性与重复性较好，误差在厘米级范围内。在距离相对较长的测量中，两者的平均值相差不大，并无异常数据，相对标准偏差均小于1％，而本***的标准差与相对标准偏差相比之下更小，重复性与稳定性更为优异。

首先对当前无人机应用背景下的高度计需求进行了深入分析，指出稳定、准确可靠是其重要指标。为此，使用自主设计小型功能主控板与MEMS谐振式压力传感器设计了一套气压测高***，将频率测量、温补计算集成于一体，实现数据采集、计算、补偿、传输等功能，完成了实时气压检测与高度转换。同时，通过远端上位机程序可实时监控数据变化并对数据进行可视化显示与分析。通过大量的实验分析表明，本***测高数据准确、稳定、可靠，能适应不同的外界环境。在无人机应急救援、消防救灾以及环境监测等场合具有较好的应用价值。

综上所述，为满足无人机在精准作业时对高度信息的高精度与稳定性需求，设计了一套气压测高***并对其进行了实验验证与性能分析。该***主要由自研功能主控板、MEMS谐振式压力传感器、上位机软件构成。主控板采用密集型四层制版，完成数据采集、处理、收发功能。压力传感器输出频率与温度数据，由主控模块进行精确采集、温度补偿得到气压数据。通过差分气压测高将气压数据转化为高度数据，以无线或有线方式发送至显示模块进行解析、显示与储存。为了验证该测高***的性能指标和工作优势，对其进行了高度重复性实验与对比实验。结果表明，本***在短距离测量范围内的相对标准偏差小于6％；在相对长距离测量范围内的相对标准偏差小于1％，精度达厘米级，优于当前市面上同等功能的分米级主流产品，具备精度高、稳定可靠等明显优势。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，包括有传感器模块、主控模块和显示模块，

主控模块通过无线通信将待测点高度发送至显示模块；

其中，通过等精度测频法来测量频率变化值：选用FPGA***时钟，当检测到待测频率的上升沿后，***时钟与待测频率同时开始计数，当待测频率经过了N个周期后，***时钟相应也经过了n个周期，由于***时钟频率是已知的，由此计算出待测频率的周期，计算如式(1)所示：

由式(1)计算出待测频率F(Hz)为：

式中，T为待测频率的周期，N为待测频率的计数个数，S为***时钟频率(Hz)，n为***时钟的计数个数；

传感器模块为硅谐振式压力传感器，硅谐振式压力传感器的输出端分别与主控模块上的频率采集模块和电压采集模块连接；为了使***尽量接近于一秒中测量两次数据，将硅谐振式压力传感器的待测频率范围分别带入式(2)的待测频率F中，则最终计算式为式(3)：

其中，FPGA***时钟为50MHz，硅谐振式压力传感器的待测频率范围限定于25kHz-35kHz范围内，频率检测精度达到1/50MHz。

2.根据权利要求1所述的一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，所述频率采集模块和电压采集模块的输出端分别与主控模块上的数据处理模块连接，通过数据处理模块对转化后的模拟参数进行处理，数据处理模块内预存有已测定参考点的气压值和温度值关系序列。

3.根据权利要求2所述的一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，所述待测点高度h的计算公式为，

4.根据权利要求1所述的一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，补偿后的气压值计算过程，包括下列内容：

步骤S2：通过多组数据，计算得到气压值为，

Pressure＝∑_i∑_jK_ij·xⁱ·yⁱ

式中，Pressure为在绝压下的气压值，单位为kPa；K_ij为每支传感器对应的系数补偿表；i取0～4，j取0～3；x＝传感器频率输出-x′，y＝传感器电压输出-y′，

步骤S3：通过标定建立硅谐振式压力传感器系数补偿表，通过得到待测点的补偿气压值P为，

P＝∑_i∑_jK_ij·xⁱ·yⁱ

P为待测点的大气压强，单位为Pa，x′、y′为该硅谐振式压力传感器补偿系数值，x′、y′为常数。

5.根据权利要求2所述的一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，所述频率采集模块为FPGA Spartan6 xc6slx16及74LVC245构成，74LVC245为8位总线收发器。

6.根据权利要求5所述的一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，所述数据处理模块采用STM32F407ZET6。

7.根据权利要求6所述的一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，温度采集模块选用AD7606模块内置ADC进行电压采集。

8.根据权利要求7所述的一种高精度与高稳定性的气压测高***，其特征在于，Fre输入为传感器输出的频率信号，经过74LVC245电平转换芯片将频率信号的电平降至FPGA芯片的引脚耐受电压范围内；FPGA根据阈值检测信号的上升沿并计数，当计数达到16000时，输出***时钟个数至内部串口模块，并将标志信号进行一次翻转；

内部串口模块检测到标志信号翻转后，将输出时钟个数以ASCII码的格式发送至STM32F407；FPGA芯片使用50Mhz的有源晶振提供***时钟，W25Q128JVFIQ芯片作为FLASH芯片固化程序，并具有JTAG端口用于下载调试程序。