劉士凱　李江坤　李藝舟

摘 要：介紹了基于無人機的航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計方法。針對無人機航空伽瑪能譜測量過程中對空地數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨?，研究了串口通訊及其接口開發(fā)技術，利用C++Builder軟件編程平臺和Pcomm動態(tài)鏈接庫，設計了一種數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了航空伽瑪能譜測量飛行作業(yè)過程中測量數(shù)據(jù)的實時傳輸?？蓪?shù)據(jù)進行接收和保存，并以圖形的方式在地面監(jiān)控站進行顯示。飛行結(jié)果表明，系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)準確、有效，可靠性高，可以滿足無人機航空伽瑪能譜測量作業(yè)的需要。

關鍵詞：伽瑪能譜 串口通訊 無人機 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TL812 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0005-02

該文利用串口通信技術和無線電通訊技術，設計了基于無人機的航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可在航空伽瑪能譜測量作業(yè)中，實時將測量數(shù)據(jù)傳送到地面，實現(xiàn)對航測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。經(jīng)過地面測試、機載地面測試和實際飛行試驗驗證，系統(tǒng)可滿足目前工作的需要。

1 系統(tǒng)的組成

基于無人機的航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由航空伽瑪能譜儀、通信接口、無人機平臺、地面控制站和輔助設備組成。航空伽瑪能譜儀包括三箱晶體和應用于無人機的小型化機載計算機，測量作業(yè)中航空伽瑪能譜儀采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過通信接口發(fā)送給無人機飛行平臺，然后經(jīng)由無人機的無線通信鏈路傳送到無人機的地面控制站上，控制站經(jīng)過通信接口和航放地面站進行數(shù)據(jù)和指令交換。

2 軟硬件設計與實現(xiàn)

航空伽瑪能譜儀測量數(shù)據(jù)經(jīng)過通訊鏈路與地面控制站之間進行數(shù)據(jù)和指令交換。無線電通訊鏈路由無人機部分配置，系統(tǒng)設計完成了串口通訊模塊、航空伽瑪能譜儀與無人機接口軟件、地面接口與控制軟件等工作。

2.1 硬件設計與實現(xiàn)

硬件設計包括無人機與航空伽瑪能譜儀、無人機地面控制站與航放控制站之間的接口設計。其中，串口通訊接口使用RS422接口，采用航空插頭連接，用于無人機飛行平臺與航空伽瑪能譜儀，地面控制站與航放控制站之間的數(shù)據(jù)傳輸和指令發(fā)送。電源接口采用DC/DC模塊，插頭設計為三芯航空插頭。

2.1.1 串行通信接口設計

通信接口主要分為機載通信接口和地面通信接口。機載通信接口包括遙控通訊接口和遙測數(shù)據(jù)接口，地面通信接口為遙控遙測接口。

（1）機載通信數(shù)據(jù)接口。

遙控通信數(shù)據(jù)接口采用RS422接口，該接口支持點對多的雙向通信，采用單獨的發(fā)送和接收通道。本設計中采用傳輸波特率為115200bps。完成地面控制站控制指令的上傳和航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)的下傳；遙測數(shù)據(jù)接口采用RS422接口，本設計中采用波特率為19200bps，完成無人機測量數(shù)據(jù)下傳。

（2）地面遙控遙測接口。

地面遙控遙測接口是指航空伽瑪能譜地面監(jiān)控軟件通過RS422串口發(fā)送控制指令及接收航空伽瑪能譜設備狀態(tài)回傳數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)格式

為保證可靠的通信，必須設計完善的通信協(xié)議，遙控遙測數(shù)據(jù)接口按以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)約定進行通信，見表1和表2。

2.2 軟件設計與實現(xiàn)

軟件采用面向?qū)ο蟮目梢暬瘧贸绦蜷_發(fā)工具C++buider完成，針對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作要求，完成了串口數(shù)據(jù)的讀取和地面監(jiān)控軟件的設計。

在Windows環(huán)境下，對串口通訊進行編程，有多種實現(xiàn)方法。該文在C++Builder環(huán)境下，利用Pcomm動態(tài)鏈接庫來完成串口數(shù)據(jù)讀寫的設計。Pcomm是一種用于處理多進程/多線程的串口通信軟件開發(fā)工具，它提供了許多基于API函數(shù)的命令集來處理串口通信，可以在C++Builder、Visual C++、VB、Delphi等多種開發(fā)工具下使用，且具有傳輸速度快、使用靈活方便等特點，能夠滿足復雜情況下的串口通信要求。串口數(shù)據(jù)讀寫編程實現(xiàn)如下。

（1）串口設置。

3 測試結(jié)果

系統(tǒng)完成后與無人機進行了集成，完成了地面聯(lián)合調(diào)試。調(diào)試過程中，設備的工作狀態(tài)與飛行中條件保持一致，測試結(jié)果表明設備儀器與無人機集成后，數(shù)據(jù)通訊鏈路工作正常，狀態(tài)良好，可以獲取航空伽瑪能譜測量數(shù)據(jù)與GPS、雷達高度計和氣壓高度計等數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)如圖1所示。

系統(tǒng)進行了無人機飛行測試，獲取了實際測量數(shù)據(jù)資料。結(jié)果表明：在無人機飛行過程中，航空伽瑪能譜儀和地面系統(tǒng)之間通信正常，數(shù)據(jù)可實現(xiàn)實時傳輸。地面可實時接收無人機下行數(shù)據(jù)包，按選定的數(shù)據(jù)流格式實時存儲接收到得數(shù)據(jù)；以數(shù)字及圖形方式顯示航放測量數(shù)據(jù)、飛行高度等數(shù)據(jù)。地面控制站實時接收數(shù)據(jù)如圖2所示。

對實測數(shù)據(jù)進行了分析，圖3為2013年9月21日無人機飛行試驗實測數(shù)據(jù)。上圖為機載航空伽瑪能譜儀記錄的總道（TC）數(shù)據(jù)，中圖為無人機下傳到地面控制站的總道（TC）數(shù)據(jù)，圖3為空中和地面記錄數(shù)據(jù)相減的差值。分析數(shù)據(jù)可知：數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)傳輸基本正確，但在11000基點附近出現(xiàn)跳點，其原因為飛機無線電通訊短暫中斷，導致地面控制站丟失數(shù)據(jù)，造成空中和地面記錄數(shù)據(jù)不一致。

4 結(jié)論

該文基于無人機平臺，利用串口通訊技術和C++ Builder軟件平臺完成了航空伽瑪能譜測量數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過地面集成測試與試驗飛行，可得出以下結(jié)論。

（1）系統(tǒng)軟硬件與無人機集成后工作穩(wěn)定、運行良好，穩(wěn)定性高。

（2）系統(tǒng)可對航空伽瑪能譜測量數(shù)據(jù)進行實時傳輸，地面控制站可獲取高質(zhì)量的能譜測量數(shù)據(jù)和GPS、雷達高度及氣壓高度等數(shù)據(jù)資料。

（3）通過分析實時下傳的數(shù)據(jù)，工作人員可及時了解儀器在飛行過程中的工作狀態(tài)，并作出相應決策。

同時，該系統(tǒng)也存在如工作范圍受到地面控制車無線電控制半徑的限制而不能太大，無線電通訊受遮擋中斷造成數(shù)據(jù)丟失等問題，還需要開展進一步的研究工作。

參考文獻

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