基于無(wú)人機(jī)的航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉士凱　李江坤　李藝舟

摘 要：介紹了基于無(wú)人機(jī)的航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量過(guò)程中對(duì)空地?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨螅芯苛舜谕ㄓ嵓捌浣涌陂_(kāi)發(fā)技術(shù)，利用C++Builder軟件編程平臺(tái)和Pcomm動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航空伽瑪能譜測(cè)量飛行作業(yè)過(guò)程中測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和保存，并以圖形的方式在地面監(jiān)控站進(jìn)行顯示。飛行結(jié)果表明，系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效，可靠性高，可以滿足無(wú)人機(jī)航空伽瑪能譜測(cè)量作業(yè)的需要。

關(guān)鍵詞：伽瑪能譜 串口通訊 無(wú)人機(jī) 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)：TL812 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0005-02

該文利用串口通信技術(shù)和無(wú)線電通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于無(wú)人機(jī)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(cè)量作業(yè)中，實(shí)時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到地面，實(shí)現(xiàn)對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過(guò)地面測(cè)試、機(jī)載地面測(cè)試和實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可滿足目前工作的需要。

1 系統(tǒng)的組成

基于無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)平臺(tái)、地面控制站和輔助設(shè)備組成。航空伽瑪能譜儀包括三箱晶體和應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的小型化機(jī)載計(jì)算機(jī)，測(cè)量作業(yè)中航空伽瑪能譜儀采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)通信接口發(fā)送給無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，然后經(jīng)由無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信鏈路傳送到無(wú)人機(jī)的地面控制站上，控制站經(jīng)過(guò)通信接口和航放地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交換。

2 軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

航空伽瑪能譜儀測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)通訊鏈路與地面控制站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令交換。無(wú)線電通訊鏈路由無(wú)人機(jī)部分配置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了串口通訊模塊、航空伽瑪能譜儀與無(wú)人機(jī)接口軟件、地面接口與控制軟件等工作。

2.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)包括無(wú)人機(jī)與航空伽瑪能譜儀、無(wú)人機(jī)地面控制站與航放控制站之間的接口設(shè)計(jì)。其中，串口通訊接口使用RS422接口，采用航空插頭連接，用于無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)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(shè)計(jì)為三芯航空插頭。

2.1.1 串行通信接口設(shè)計(jì)

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

（1）機(jī)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(diǎn)對(duì)多的雙向通信，采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道。本設(shè)計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)接口采用RS422接口，本設(shè)計(jì)中采用波特率為19200bps，完成無(wú)人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)下傳。

（2）地面遙控遙測(cè)接口。

地面遙控遙測(cè)接口是指航空伽瑪能譜地面監(jiān)控軟件通過(guò)RS422串口發(fā)送控制指令及接收航空伽瑪能譜設(shè)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(shè)計(jì)完善的通信協(xié)議，遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)接口按以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)約定進(jìn)行通信，見(jiàn)表1和表2。

2.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件采用面向?qū)ο蟮目梢暬瘧?yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具C++buider完成，針對(duì)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(shè)計(jì)。

在Windows環(huán)境下，對(duì)串口通訊進(jìn)行編程，有多種實(shí)現(xiàn)方法。該文在C++Builder環(huán)境下，利用Pcomm動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)完成串口數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的設(shè)計(jì)。Pcomm是一種用于處理多進(jìn)程/多線程的串口通信軟件開(kāi)發(fā)工具，它提供了許多基于API函數(shù)的命令集來(lái)處理串口通信，可以在C++Builder、Visual C++、VB、Delphi等多種開(kāi)發(fā)工具下使用，且具有傳輸速度快、使用靈活方便等特點(diǎn)，能夠滿足復(fù)雜情況下的串口通信要求。串口數(shù)據(jù)讀寫(xiě)編程實(shí)現(xiàn)如下。

（1）串口設(shè)置。

3 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)完成后與無(wú)人機(jī)進(jìn)行了集成，完成了地面聯(lián)合調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中，設(shè)備的工作狀態(tài)與飛行中條件保持一致，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)備儀器與無(wú)人機(jī)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(cè)量數(shù)據(jù)與GPS、雷達(dá)高度計(jì)和氣壓高度計(jì)等數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。

系統(tǒng)進(jìn)行了無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試，獲取了實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)資料。結(jié)果表明：在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。地面可實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)下行數(shù)據(jù)包，按選定的數(shù)據(jù)流格式實(shí)時(shí)存儲(chǔ)接收到得數(shù)據(jù)；以數(shù)字及圖形方式顯示航放測(cè)量數(shù)據(jù)、飛行高度等數(shù)據(jù)。地面控制站實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)如圖2所示。

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，圖3為2013年9月21日無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。上圖為機(jī)載航空伽瑪能譜儀記錄的總道（TC）數(shù)據(jù)，中圖為無(wú)人機(jī)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(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸基本正確，但在11000基點(diǎn)附近出現(xiàn)跳點(diǎn)，其原因?yàn)轱w機(jī)無(wú)線電通訊短暫中斷，導(dǎo)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(wú)人機(jī)平臺(tái)，利用串口通訊技術(shù)和C++ Builder軟件平臺(tái)完成了航空伽瑪能譜測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)地面集成測(cè)試與試驗(yàn)飛行，可得出以下結(jié)論。

（1）系統(tǒng)軟硬件與無(wú)人機(jī)集成后工作穩(wěn)定、運(yùn)行良好，穩(wěn)定性高。

（2）系統(tǒng)可對(duì)航空伽瑪能譜測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，地面控制站可獲取高質(zhì)量的能譜測(cè)量數(shù)據(jù)和GPS、雷達(dá)高度及氣壓高度等數(shù)據(jù)資料。

（3）通過(guò)分析實(shí)時(shí)下傳的數(shù)據(jù)，工作人員可及時(shí)了解儀器在飛行過(guò)程中的工作狀態(tài)，并作出相應(yīng)決策。

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

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