基于无人机的航空伽玛能谱数据传输系统设计

刘士凯　李江坤　李艺舟

摘 要：介绍了基于无人机的航空伽玛能谱数据传输系统设计方法。针对无人机航空伽玛能谱测量过程中对空地数据实时传输的需求，研究了串口通讯及其接口开发技术，利用C++Builder软件编程平台和Pcomm动态链接库，设计了一种数据实时传输系统，实现了航空伽玛能谱测量飞行作业过程中测量数据的实时传输。可对数据进行接收和保存，并以图形的方式在地面监控站进行显示。飞行结果表明，系统获取数据准确、有效，可靠性高，可以满足无人机航空伽玛能谱测量作业的需要。

关键词：伽玛能谱 串口通讯 无人机 数据传输

中图分类号：TL812 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0005-02

该文利用串口通信技术和无线电通讯技术，设计了基于无人机的航空伽玛能谱数据传输系统，可在航空伽玛能谱测量作业中，实时将测量数据传送到地面，实现对航测数据的实时监控。经过地面测试、机载地面测试和实际飞行试验验证，系统可满足目前工作的需要。

1 系统的组成

基于无人机的航空伽玛能谱数据传输系统主要由航空伽玛能谱仪、通信接口、无人机平台、地面控制站和辅助设备组成。航空伽玛能谱仪包括三箱晶体和应用于无人机的小型化机载计算机，测量作业中航空伽玛能谱仪采集的数据经过通信接口发送给无人机飞行平台，然后经由无人机的无线通信链路传送到无人机的地面控制站上，控制站经过通信接口和航放地面站进行数据和指令交换。

2 软硬件设计与实现

航空伽玛能谱仪测量数据经过通讯链路与地面控制站之间进行数据和指令交换。无线电通讯链路由无人机部分配置，系统设计完成了串口通讯模块、航空伽玛能谱仪与无人机接口软件、地面接口与控制软件等工作。

2.1 硬件设计与实现

硬件设计包括无人机与航空伽玛能谱仪、无人机地面控制站与航放控制站之间的接口设计。其中，串口通讯接口使用RS422接口，采用航空插头连接，用于无人机飞行平台与航空伽玛能谱仪，地面控制站与航放控制站之间的数据传输和指令发送。电源接口采用DC/DC模块，插头设计为三芯航空插头。

2.1.1 串行通信接口设计

通信接口主要分为机载通信接口和地面通信接口。机载通信接口包括遥控通讯接口和遥测数据接口，地面通信接口为遥控遥测接口。

（1）机载通信数据接口。

遥控通信数据接口采用RS422接口，该接口支持点对多的双向通信，采用单独的发送和接收通道。本设计中采用传输波特率为115200bps。完成地面控制站控制指令的上传和航空伽玛能谱数据的下传；遥测数据接口采用RS422接口，本设计中采用波特率为19200bps，完成无人机测量数据下传。

（2）地面遥控遥测接口。

地面遥控遥测接口是指航空伽玛能谱地面监控软件通过RS422串口发送控制指令及接收航空伽玛能谱设备状态回传数据。

2.1.2 数据格式

为保证可靠的通信，必须设计完善的通信协议，遥控遥测数据接口按以下数据结构约定进行通信，见表1和表2。

2.2 软件设计与实现

软件采用面向对象的可视化应用程序开发工具C++buider完成，针对数据传输系统的工作要求，完成了串口数据的读取和地面监控软件的设计。

在Windows环境下，对串口通讯进行编程，有多种实现方法。该文在C++Builder环境下，利用Pcomm动态链接库来完成串口数据读写的设计。Pcomm是一种用于处理多进程/多线程的串口通信软件开发工具，它提供了许多基于API函数的命令集来处理串口通信，可以在C++Builder、Visual C++、VB、Delphi等多种开发工具下使用，且具有传输速度快、使用灵活方便等特点，能够满足复杂情况下的串口通信要求。串口数据读写编程实现如下。

（1）串口设置。

3 测试结果

系统完成后与无人机进行了集成，完成了地面联合调试。调试过程中，设备的工作状态与飞行中条件保持一致，测试结果表明设备仪器与无人机集成后，数据通讯链路工作正常，状态良好，可以获取航空伽玛能谱测量数据与GPS、雷达高度计和气压高度计等数据。实测数据如图1所示。

系统进行了无人机飞行测试，获取了实际测量数据资料。结果表明：在无人机飞行过程中，航空伽玛能谱仪和地面系统之间通信正常，数据可实现实时传输。地面可实时接收无人机下行数据包，按选定的数据流格式实时存储接收到得数据；以数字及图形方式显示航放测量数据、飞行高度等数据。地面控制站实时接收数据如图2所示。

对实测数据进行了分析，图3为2013年9月21日无人机飞行试验实测数据。上图为机载航空伽玛能谱仪记录的总道（TC）数据，中图为无人机下传到地面控制站的总道（TC）数据，图3为空中和地面记录数据相减的差值。分析数据可知：数据传输过程中，数据传输基本正确，但在11000基点附近出现跳点，其原因为飞机无线电通讯短暂中断，导致地面控制站丢失数据，造成空中和地面记录数据不一致。

4 结论

该文基于无人机平台，利用串口通讯技术和C++ Builder软件平台完成了航空伽玛能谱测量数据实时传输系统，经过地面集成测试与试验飞行，可得出以下结论。

（1）系统软硬件与无人机集成后工作稳定、运行良好，稳定性高。

（2）系统可对航空伽玛能谱测量数据进行实时传输，地面控制站可获取高质量的能谱测量数据和GPS、雷达高度及气压高度等数据资料。

（3）通过分析实时下传的数据，工作人员可及时了解仪器在飞行过程中的工作状态，并作出相应决策。

同时，该系统也存在如工作范围受到地面控制车无线电控制半径的限制而不能太大，无线电通讯受遮挡中断造成数据丢失等问题，还需要开展进一步的研究工作。

参考文献

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