摘 要: 针对 机载单元需要对 个压力筒分时加压的实际需求，设计了一种单传感器和单气源组成的自动加压系统 以 单片机为核心，依靠多路切换阀和高精度的压力传感器可实现对多压力筒的分时测控 实验结果表明: 本系统结构简单，工作稳定，控制精度较高，能够满足现场探测单元自动弹射的需求 该系统可以人机交互进行加压控制，也可以自动控制，为多气路加压和控制提供了一种有效方法

关键词: 机载单元; 自动弹射; 压力传感器; 多路切换阀;

引 言

新型远海机动水文环境现场监测系统 (，［，］) 是一种基于无人机技术流星余迹通信技术和海洋现场探测技术的深远海机动海洋水文环境监测系统 主要由无人机及其控制发射机动单元舰船和岸基用户单元流余主站和现场探测单元四大部分组成 采用无人机机载方式，实现现场探测单元的超远距离目标区域的现场投放任务

机载单元投放技术在海洋探测和探空领域已有相关的研究 例如: 机载抛弃式海洋水文探测系统，以美国公司产品为代表，技术相对成熟，已有系列产品，如机载温盐深剖面计( ) 机载声速剖面计( ) 和机载流速剖面计( ) 等［，］，但这些机载投掷系统均为手动方式，而 的运载平台是无人机，需 实 现 自 动投放功能 芬兰维萨拉公司在机载下投式探空系统中用到了自动投放装置，可以支持载人飞机和无人机投掷 但是探空仪的体制尺 寸工 作 原 理 与 现 场 探 测 单元差 异 较 大，不 能 在 机 载 单 元 中 得 到 直 接 应用 为确保现场探测单元投放时期不碰到无人机，本文探索以压缩空气为动力源将现场探测单元弹射出去，使现场探测单元离开无人机时达到一定初速度 调整压力筒内气体的压力，即可改变现场探测单元的出仓初速度

由于无人机空间和质量载荷的约束，设计的机载单元应结构紧凑，形状满足机载要求，因此，设计成由 个压力筒 组成的 立 方 体 结 构，能 同 时 携 带枚现场探测单元 为了节省每个压力筒的空间和考虑到弹射的安全性和可靠性，系统没有采取机械弹射方式，而是开发了一种利用单传感器和单气源对多个压力筒进行加压和测控的装置，通过检测压力筒内压力，并与预设值进行比较，把这种比较的结果作为反馈信号发送给控制器，控制器控制气泵动作 通过气路的自动切换，能对机载单元的 个压力筒分时进行加压和控制系统组成与工作原理系统主要由 单片机( 控制器) 气泵压力筒压力传感器微电子驱动器多路切换阀和安全电磁阀等组成 压力传感器安装在多路切换阀和气泵之间的气路上，实现对 个压力筒内压力的分时检测 装置设置了键盘，可设定压力筒控制的目标压力值，并将其显示在 显示器上 按下键盘上的开始按键，系统开始工作，微处理器通过 串口发送指令给微电子驱动器，微电子驱动器驱动多路切换阀切换到加压压力筒; 气泵开始加压，压力传感器感应压力变化，将压力信号转换为 的电压信号，经过滤波电路滤波后， 转换电路将模拟信号转换为数字信号，再经过单片机程序处理，将电压信号转换成气压值也显示在 显示器上 微处理器以闭环回路方式将压力筒内的压力控制在目标值，达到目标值后，微处理器控制继电器切断气泵电源，气泵停止工作 若压力筒的弹射出现故障，不能正常弹射时，通过压力传感器检测压力筒内的压力，判断是否需要借助电磁阀给压力筒释放压力 电路采用 直流电源供电，并通过稳压模块获得 和直流电压供给相关电路，并在设计中 使 用 为 单 片机和 芯片提供精准的稳定电压，可提高电路工作的稳定性和 采集的精度 系统设计框图如图 所示图 系统设计框图硬件电路设计控制器主要功能包括: 检测是否有按键闭合和判断按下的数字键; 采集 的转换值; 控制继电器组的状态转换; 控制位 数码管显示; 串口通信方式控制微电子驱动器本文以 单片机为主控制器， 单片机有的 和 的内部程序存储器; 个三态双向 口，均为全双 工 的 串 行 口，其 中 口 用 于 控 制 位数码管，实现共阴极动态显示 口作为段数据 口，经 驱动连接显示器的各个段， ， ， 口作为扫 描 口，通 过 译 码，接 显 示 器 的 阴 极; ，分别作为 总线的串行时钟和数据线，实现 芯片 与单片机通信，采样 芯片的转换值; 由于气泵的工作电流较大，大于继电器的额定电流，因此，继电器两路并联来控制气泵， 和 用于同时控制两路继电器触点的闭合， 用于控制电磁阀; 个中断源，分为 个优先级，本装置定时器 工作于方式，作为串行口的波特率发 生 器 串行中断用于和微电子驱动器进行通信 单片机使用的晶振频率为 ，大部分指令的执行时间为 ，少部分为 ，乘除指令的执行时间为依据压力筒内压力的需求，选择了 型压阻式压力传感器，其输出电压经运算放大和 转换后变为数字信号，经微处理器进行温度补偿和信号处理后，输出一个与压力呈正比变化的 的电压信号，外部的 芯片采集此压力信号压力筒的体积较小，气泵加压过程中压力筒内压力变化较快，因此， 转换电路应具有较快的转换速度 本文采用 位逐次逼近型 转换芯片 ，其具有片上跟踪和保持功能及可编程差分输入功能，是一种单电源低功耗 位 型 转换芯片，它具有 路模拟量输入 通 道 路模拟量输出通道和 个 总 线 接 口芯片 总线的低三位由芯片的 ，， 个地址引脚决定，所以，在不增加任何硬件的情况下同一条总线最多可以连接 个同类型的器件 芯片使用总线只占用单片机的 个串行口，可以节省单片机的资源， 与 总线的串行数据线( ) 连 接与 总线的串行时钟线( ) 连接 飞利浦公司规定器件地址为 ，引脚地址编址为 ，压力传感器输出的压力值经过 滤波后，输入到 的模拟通道 的最大转换速率为 ，可满足采样的要求 单片机内部没有 总 线 接 口，需 使 用程序方法模拟 器件的时序，实现与 的通信自动多路切换阀选择 公司的 位阀，流路通径为 ，比较适合空气介质气路的切换 自动多路切换阀由微电子驱动器和多路切换阀组成，微电子驱动器由控制部件步 进 马 达齿 轮 箱连接电缆和电源部件组成及第 期 翁兴国，等: 机载单元自动加压系统设计串口通信接口位多位阀具有多通道选择切换的功能，阀的公共通道与转子连通，转子在步进电机的带动下正反转动，即可与阀上的各定子连通，从而使压力筒和气泵连接，实现气路切换功能［］，其工作原理示意图如图 所 示 机载单元自动加压系统中的 个压力筒与 位阀中的 位流路通道( 定 子) 连 接，余 下 的 位 为 备 用，公 共 通 道( 转子) 连接微型步进电机，步进电机控制转子的转动即可实现各个流路通道的切换 微电子驱动器是 位阀自动切换的动力装置，只需给步进电机指令，让其带动阀分步旋转即可图 多位阀的工作原理微电子驱动器的控制方式主要有手动控制和自动控制两种，使用手持终端可手动控制驱动器的步进复原以及顺时针和逆时针转动 自动控制是通过上位机进行的，在机上运行 ， ， 软件可实现 阀 的 自 动 控 制，由于系统小型化的需求，使 用单片机作为上位机，以程控的方式对自动多路切换阀进行控制 上位机通过 串口发送指令，传输驱动器的位置和方向信息，转子可相对定子准确地以任意倍数的角度正反向旋转，实现气路的切换 微电子驱动器的功能比较强大，能够自动使多位阀以最小的路径切换到系统所需气路，也可以设定驱动器的旋转方向和旋转路径微电子驱动器与上位机的通信协议如表 所示，自动多路切换阀的控制模块如图 所示表 微电子驱动器与上位机间的通信协议串口命令 意义设置 为当前阀的位置驱动器顺时针旋转到设定位置驱动器逆时针旋转到设定位置驱动器以最小的路径旋转到设定位置设置驱动器的数字输入状态设置驱动器的默认转动方向设置驱动器的 ，设置驱动器的波特率图 自动多路切换阀控制模块考虑到机载单元的可靠性问题，自动加压系统中使用了安全电磁阀，可以保证现场探测单元在没有安全弹射的情况下，释放压力筒中的压力，而不影响系统的继续工作电磁阀安装在多路切换阀和气泵之间的气路上，依靠多路切换阀的切换，利用 个安全电磁阀即可实现 个压力筒的安全泄压自动加压系统使用的安全电磁阀为二位三通电磁阀，加压的过程中电磁阀处于常闭状态，当压力传感器检测到压力筒没有安全弹射的 情况下， 单 片 机 的口使继电器闭合，电磁阀工作，能够实现压力筒的安全泄压软件设计系统使用 语言对单片机进行编程设计，应用软件包括初始化子程序 总线驱动子程序，数据采集子程序数字滤波子程序串口通信子程序键盘测试子程序 显示子程序和判键号子程序等功能模块，实现气路的切换压力的采集和自动控制功能由于 单片机内部没有 串行扩展接口，需使用软件模拟串行通信时序 总线驱动子程序由启动总线子函数结束总线子函数字节数据发送函数字节数据接受函数和应答子函数组成 总线传送中应包括启动位数据位应答位和停止位，这些位的传送时序如图所示 最大的传输速率为 ，时钟线 低电平时间大于 ，高电平时间大于图 位传送时序系统在实际工作过程中，信号源电磁阀以及各种用电设备等都会对压力传感器和采集电路产生不同程度的干传感器与微系统 第 卷扰，为了提高测量和控制的精度，必须减小或消除这些干扰信号 虽然在硬件设计中已设计了一些滤波电路，但很难彻底抑制各种干扰，因此，在软件程序设计中引入了数字滤波常用的数字滤波算法有中值判断法算术平均滤波法加权平均滤波法滑动平均滤波法低通滤波法和中位值平均滤波等 由于压力传感器输出的电压信号易受脉冲干扰的影响，而且其输出压力信号变化较快，因此，采用中位值平均滤波 中位值平均滤波是一种复合数字滤波器，这种滤波方法兼容了递推平均滤波算法和中位值滤波算法的优点，能够有效滤掉采样值中的脉冲干扰［］软件滤波的程序流程图如图 所示图 软件滤波常用高精度压力控制系统中一般会结合正压泵和负压泵来控制容器内的压力，但 机载单元自动加压系统的搭载平台是无人机，有效空间载荷比较有限，考虑到空间的约束，故仅使用正压泵给压力筒加压 由于气体的可压缩性和粘性，导致气体压力控制具有显著的非线性和不确定性，这给气动系统的控制带来了困难［，］，因此，在压力控制的过程中需设定一个目标区间，当压力筒内的压力落在这个区间时，气泵停止工作压力控制过程中，气泵为被控对象，与压力传感器一起构成负反馈回路 键盘设定压力筒内需控制的压力值，被控量是气泵的工作时间，单片机采集压力传感器输出的电压值，转换成气压值后与设定的压力值比较，控制气泵的通断电 压力控制的流程图如图 所示实验与分析在室外对装置的功能进行验证，室外温度为 ，弹射横向风速为 ，实验所用的现场探测单元的质量为 ，选择 个压力实验点进行测试，得到的实验结果如表 所示图 压力控制流程图表 实验数据设定压力( )输出压力( )时间( )初速度( )压力筒的外观为一个长方体，外 部 尺 寸 为，内部空气的容积约为 ，满足无人机机载的设计要求; 由表 可以看出: 由于压力控制装置没有安装负压泵且 芯片只有 位，因此，输出压力会在一个控制范围内变动，但可以满足系统弹射的要求; 自动加压系统将压力控制在设定压力所需时间短，响应速度快; 系统能够控制的压力范围较大，能够满足机载单元弹射不同质量现场探测单元的需求 初步得到了不同压力条件下，现场探测单元的出仓初速度，为本装置的实际应用奠定基础

结束语

本文以 单片机为核心，采用 总线的芯片 ，借助于自动多路切换阀，设计了一种基于单气源和单压力传感器，实现对多压力筒进行加压和控制的自动压力控制系统 此种压力控制方法结构简单 结构紧凑体积小功耗低，节省系统的成本和使用多传感器的开支，可有效提高无人机的质量和空间载荷利用率 系统经过调试，工作稳定，控制效果比较理想，获取了实验数据，为多气路自动加压和控制提供了一种高效的实现方法 提高了解的精度，加快了其收敛速度 此外，新算法利用对立策略对算法随机产生的初始种群进行调整，改善了初始种群的质量 实验结果表明: 算法求解精度高，收敛速度快且稳定性高，这进一步说明，本文对于 算法的改进是可行且有效的

    参考文献: 毕晓君，王艳娇改进人工蜂群算法［］哈尔滨工程大学学报， ，( ) :［］胡 珂，李迅波，王振林改进的人工蜂群算法性能［］计算机应用 拓守恒一种求解高维约束优化问题的人工蜂群算法［］计算机应用研究， ，( ) :［］高卫峰，刘三阳混合人工蜂群算法［］系统工程与电子技术 龚 纯，王正林精通 最优化计算［］北京: 电子工业出版社， :