摘  要： 介紹了基于DSP和BMP085數(shù)字氣壓傳感器的高精度高度采集系統(tǒng)在無人機(jī)上的設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行測試分析，實(shí)現(xiàn)高度的測量與傳輸。重點(diǎn)描述了系統(tǒng)采集端軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，闡述了軟件與硬件的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、且能減少環(huán)境因素變化的影響，該測量系統(tǒng)使用卡爾曼濾波算法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以便更準(zhǔn)確地計(jì)算出相對高度。
關(guān)鍵詞： DSP；BMP085；卡爾曼濾波；無人機(jī)

　具有自主飛行能力的無人駕駛飛機(jī)是一個(gè)應(yīng)用到多學(xué)科前沿性的研究課題，無人機(jī)在機(jī)艙內(nèi)不需要有人進(jìn)行操縱，它在飛行的過程中依靠各種電子設(shè)備，全自動地完成各種姿態(tài)飛行。高度信息作為無人機(jī)的一項(xiàng)飛行參數(shù)，是保障無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)正常有維持飛機(jī)安全平穩(wěn)飛行的一個(gè)重要指標(biāo)。本文以BMP085氣壓傳感器為研究對象，采用卡爾曼濾波算法，通過TMS320F2812 DSP構(gòu)建一種更為精確的高度采集系統(tǒng)[1]。
1 系統(tǒng)工作原理及硬件結(jié)構(gòu)
　基于DSP的無人機(jī)高度采集系統(tǒng)的硬件部分主要包括氣壓和溫度采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)發(fā)送3個(gè)部分。該系統(tǒng)使用氣壓溫度傳感器采集無人機(jī)的氣壓和溫度值送到無人機(jī)的處理器，使用無線傳輸發(fā)送給地面控制中心并通過公式計(jì)算得到相對高度值，經(jīng)過卡爾曼濾波算法修正數(shù)據(jù)得到更為精確的高度值，以便于地面站工作人員對無人機(jī)進(jìn)行控制，使無人機(jī)運(yùn)行在安全可靠的飛行高度。
1.1 系統(tǒng)總體框架
　基于DSP的無人機(jī)高度采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)硬件部分由BMP085數(shù)字式氣壓傳感器、TMS320F2812 DSP、無線傳輸模塊、電源模塊以及其他外圍電路組成。TMS320F2812控制器通過I/O口模擬I2C總線與BMP085氣壓傳感器相連接，BMP085氣壓傳感器實(shí)時(shí)獲得測量點(diǎn)的壓強(qiáng)值與溫度值，通過I/O口發(fā)送給控制器處理，并將壓強(qiáng)值與溫度值數(shù)據(jù)通過無人機(jī)的無線傳輸模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)綗o人機(jī)地面站。無人機(jī)地面站接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)壓力與高度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得在該氣壓下的相對應(yīng)的高度值，對高度值進(jìn)行補(bǔ)償，并用卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，分析后進(jìn)行存儲，再通過上行數(shù)據(jù)鏈把控制指令發(fā)送給飛控中心，調(diào)整無人機(jī)的姿態(tài)，從而控制無人機(jī)的高度，使無人機(jī)的飛行更加平穩(wěn)[2]。

1.2 系統(tǒng)硬件選擇
　TMS320F2812數(shù)字信號處理器是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其頻率高達(dá)150 MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力；處理數(shù)據(jù)位數(shù)也從16位定點(diǎn)躍升到32位定點(diǎn)；最大的亮點(diǎn)是其擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的A/D數(shù)據(jù)采集，支持JTAG邊界掃描接口；具有8 KB內(nèi)部ROM存儲器和128 KB的內(nèi)部Flash存儲器，3個(gè)32位CPU定時(shí)器；串口通信外設(shè)主要包括1個(gè)SPI串行接口、兩個(gè)SCI串行接口、增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)通信接口Ecan2.0B；56個(gè)可配置通用I/O引腳；具有低功耗模式和省電模式；外部I/O口電壓為3.3  V，內(nèi)核電壓為1.8 V，F(xiàn)lash的編程電壓為3.3 V；有179引腳BGA封裝和176引腳的LQFP封裝[3]。
　為了滿足系統(tǒng)的抗超過載的要求，采用德國Bosch公司基于MEMS的BMP085氣壓傳感器。BMP085采用強(qiáng)大的8-pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，其壓力測量范圍為30 kPa~110 kPa（相當(dāng)于-500 m~9 000 m），絕對精度最低可以達(dá)到0.03 hPa（0.25 m），溫度測量范圍為-40℃~+85℃。BMP085傳送的是沒有經(jīng)過補(bǔ)償?shù)臏囟群蛪毫χ?，要想得到補(bǔ)償過的溫度和壓力值可以通過BMP085的EEPROM存儲器中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。EEPROM儲存了176位單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用于溫度和壓力補(bǔ)償，而176位的EEPROM被劃分為11個(gè)字，每個(gè)字16位，一共11個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)，每個(gè)器件模塊都有自己單獨(dú)的校準(zhǔn)系數(shù)[4]。
1.3 DSP系統(tǒng)內(nèi)部框架
　由于壓力傳感器的數(shù)據(jù)都是通過I2C總線傳輸給DSP，而TMS320F2812缺少I2C總線接口，所以這里使用TMS320F2812的I/O模擬I2C總線。無線收發(fā)模塊則是通過SPI把數(shù)據(jù)發(fā)送給無人機(jī)地面站，因此在系統(tǒng)中要有SPI和I/O才能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，以完成該系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)。而DSP內(nèi)部則包含了這兩部分，只需要調(diào)用這些模塊再配置好參數(shù)就可以與外部接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[5]，如圖2所示。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)程序是基于Keil uVision4，使用C語言編寫。程序設(shè)計(jì)思路為從頂層到底層，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要包括系統(tǒng)及其初始化、I/O口模擬I2C口通信以及卡爾曼濾波算法修正數(shù)據(jù)等3個(gè)子程序模塊。主程序以循環(huán)方式進(jìn)行，系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

2.1 I/O口模擬I2C口通信
　I/O口模擬I2C口通信主要用于TMS320F2812與BMP085之間的通信。對I/O口模擬I2C口通信進(jìn)行設(shè)置后，控制器通過I2C接口提前將BMP085中的EEPROM的11個(gè)補(bǔ)償系數(shù)讀取出來，便于后面的溫度補(bǔ)償計(jì)算。DSP發(fā)送開始信號給BMP085傳感器，啟動傳感器的壓強(qiáng)與溫度測量。BMP085傳感器接到DSP發(fā)來的開始信號后，開始對當(dāng)前壓強(qiáng)與溫度進(jìn)行測量。經(jīng)過4.5 ms的時(shí)間轉(zhuǎn)換后，DSP利用I2C接口讀取BMP085傳感器中測量的壓強(qiáng)與溫度，并結(jié)合獲取的補(bǔ)償系數(shù)對溫度和壓強(qiáng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

　該無人機(jī)于2011年暑假期間制作完畢，經(jīng)過遙控試飛調(diào)試后，整機(jī)載重可達(dá)2.5 kg，飛行時(shí)長可滿足一般性巡航任務(wù)。機(jī)艙內(nèi)空間較為充足，可安裝的體積為7 cm×8 cm×9 cm，考慮到該點(diǎn)，硬件電路板采用接插板的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　BMP085數(shù)字式壓力傳感器對氣壓-海拔高度提供了參考公式，利用該公式配合傳感器采集到的氣壓值能得到較好的海拔高度，再經(jīng)過卡爾曼濾波后得到的值更為精確。
其中氣壓-海拔高度公式為：
　Altitude=44 330[1-（P-P0）（1/5.255）]
　其中，Altitude是以m為單位的海拔高度值，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，P為當(dāng)前某一高度的大氣壓強(qiáng)值。
整機(jī)測試結(jié)果如表1所示，以海拔高度測量結(jié)果作為理論值，將本機(jī)高度測量結(jié)果和海拔儀結(jié)果作對比。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，高度取值范圍為0~500 m。

　從表1可以看出，經(jīng)過系統(tǒng)解算出的高度誤差值在測量范圍內(nèi)最大為0.52 m，系統(tǒng)誤差普遍小于1 m。氣壓高度采集系統(tǒng)誤差主要由傳感器本身誤差、電路誤差和解算誤差造成。系統(tǒng)經(jīng)過傳感器校正、溫度補(bǔ)償、軟件濾波和解算高度公式，確保了測量結(jié)果的高精度，因此該高度測量系統(tǒng)滿足高度測量的需求。
　采用BMP085大氣壓力傳感器和TMS320F2812 DSP設(shè)計(jì)的高精度高度采集測試系統(tǒng)，通過簡潔的電路和有效的軟件濾波算法，具有良好的穩(wěn)定性和較高的精度，適用于精度高、體積小、方便攜帶等多功能的需求，在實(shí)際生活中有較為廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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