无人机数据通信与存储系统及减震装置和通信与存储方法与流程

本发明属于无人机技术领域，具体涉及无人机数据通信与存储系统及减震装置和通信与存储方法。

背景技术：

近几年，无人机事业发展迅速，从军事用途逐渐发展到民用，应用范围和领域越来越广泛，随着国土资源大调查的启动，航空物探工作在全国大面积开展，工作难度日益加大，其中无人机航空伽玛能谱勘查就是航空物探工作中一个重要的组成部分。无人机航空伽玛能谱勘察对无人机的各方面要求都很高，其中数据通信、存储以及无人机挂载的结构设计就是其中很重要的几部分。目前无人机的数据传输基本有两种形式，其一是采用单一的机载存储设备记录飞行数据，等飞行任务结束后，再从机载存储设备中下载飞行数据进行备份，若飞机在飞行过程中发生事故，机上设备受到破坏或无法正常回收无人机时，机载存储设备很可能会损坏或者丢失，这种情况下则无法获得我们想要的数据；另外一种就是在飞行过程中实时将数据传到地面站，如果因操作失误或飞机故障等导致飞行的距离超过了通信范围或在飞行过程中信号被阻挡或屏蔽，则会发生数据部分或者全部丢失的情况，这种情况下也无法保证我们收到完整的测试数据。除此之外，飞机挂载的减震设计也很重要，无人机航空伽玛能谱系统需要在无人机上挂载探测器及其工作电路，探测器通常价格昂贵且较为脆弱，飞行中的颠簸和摇摆都可能会导致探测器工作异常，甚至损坏，因此减震设计就必不可少，它可以大大降低机上设备因颠簸、震动或摇摆而损坏的情况，也在保障飞机的正常工作和机上设备完好上发挥着不可替代的作用。

综上可见，如何实现无人机航空伽玛能谱勘察系统在飞机飞行过程中保持机上设备平稳、测量和通信正常，且收到完整的飞行或测试数据是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无人机数据通信与存储系统，本发明中的数据存储采用机上存储与地面存储同步的方式，并具有实时信息交互的功能，同时为无人机设置了多方向天线，避免飞行过程中因信号受阻而影响与地面的通信和数据的传输；本发明中还提供了系统及减震装置，最大限度的减少机上设备的颠簸和摇摆，保障无人机设备在飞行中的稳定。

无人机数据通信与存储系统，包括探测器探头、探测器工作电路、主控板、gps模块、路由器、机上嵌入式工控机，以及地面站；

所述的探测器探头与探测器工作电路连接，探测器工作电路通过路由器与机上嵌入式工控机通讯连接；探测器工作电路用于接收探测器探头测得的能谱数据，并对数据做处理，处理完成后将能谱数据通过路由器发送至机上嵌入式工控机；

主控板与探测器探头上每条晶体的温度传感器连接，还与雷达连接；采集探测器探头上每条晶体的温度，还用于采集飞机飞行高度数据；主控板还与机上嵌入式工控机连接；

gps/bd模块与机上嵌入式工控机连接，用于获取地理信息并向机上嵌入式工控机提供高精度时间戳数据，对每一个测量数据包增加一个gps时间标识；

机上嵌入式工控机用于控制探测器探头及探测器工作电路并与探测器探头通信、向主控板发送命令并采集其返回的数据信息、采集gps/bd模块发送的数据、对接无人机数据链路、实时存储所接收到的数据，以及将收到的所有数据打包通过数传电台发送至地面站；工控机由gps/bd模块提供的高精度时间戳来控制路由器采集能谱数据，对每次采集的数据添加时间戳信息和地理位置信息；嵌入式工控机先对接收到的数据进行预处理，然后数据被分为两路，这两路数据的格式和内容完全相同，一路数据被封装后存储到机上嵌入式工控机中，完成机上数据存储，即数据备份，在测量结束并与地面站稳定连接的情况下，可以通过有线传输、拷贝或者无限发送的方式将机上备份数据传送到地面站；另一路数据被打包并通过数传电台实时将数据包发送到地面站；

地面站包括地面嵌入式工控机、数传/图传接收机、锂电池、键盘触控板和电容触屏，以及防爆减震外壳；机上嵌入式工控机将数据打包后通过以太网控制器和无限传输模块，将数据发送到地面站，地面站接收到无人机发送的数据后对数据进行备份，并对接收的数据进行显示和实时分析处理；地面站对探测器测量控制、测量数据多窗口实时处理显示、飞行平台操控、航拍视屏显示、数据库备份、历史数据回放和分析；

地面站与机上嵌入式工控机之间通过数传电台通信，机上和地面站分别有一台数传电台；在飞行测量过程中，实时信息交互；测量结束，将无人机回收后，实时信息交互。

进一步的，无人机上所述的数传电台设有天线，所述的天线通过射频转接元件分为多个方向的支路天线，支路天线分别安装在无人机挂载箱体的各个侧面，用防松卡扣固定在机箱的面板上，方向面向地面。

该设备的无人机数据通信与存储的方法，包括以下步骤：

采用该无人机数据通信与存储系统，进行数据通信与存储；

所述的探测器探头探测伽马能谱数据；探测器工作电路接收探测器探头测得的能谱数据，并对数据做处理，处理完成后将能谱数据通过路由器发送至机上嵌入式工控机；

主控板采集探测器探头上每条晶体的温度，还用于采集飞机飞行高度数据；

gps/bd模块＝获取地理信息并向机上嵌入式工控机提供高精度时间戳数据，gps/bd模块提供高精度时间戳数据，对每一个测量数据包增加一个gps时间标识，地面站根据gps时间标识对测量数据包排序，当地面站收到的数据包有丢失或错位的情况时，可根据数据包的gps时间标识恢复数据信息；

机上嵌入式工控机工作包括：控制探测器探头及探测器工作电路并与探测器探头通信、向主控板发送命令并采集其返回的数据信息、采集gps/bd模块发送的数据、对接无人机数据链路、实时存储所接收到的数据，以及将收到的所有数据打包通过数传电台发送至地面站；工控机由gps/bd模块提供的高精度时间戳来控制路由器采集能谱数据，对每次采集的数据添加时间戳信息和地理位置信息；嵌入式工控机先对接收到的数据进行预处理，然后数据被分为两路，这两路数据的格式和内容完全相同，一路数据被封装后存储到机上嵌入式工控机中，完成机上数据存储，即数据备份，在测量结束并与地面站稳定连接的情况下，可以通过有线传输、拷贝或者无限发送的方式将机上备份数据传送到地面站；另一路数据被打包并通过数传电台实时将数据包发送到地面站；

机上嵌入式工控机将数据打包后通过以太网控制器和无限传输模块，将数据发送到地面站，地面站接收到无人机发送的数据后对数据进行备份，并对接收的数据进行显示和实时分析处理。

进一步的，还包括，地面站与无人机端数据同步，如果在飞行过程中，某段数据、甚至所有数据因特殊情况发送失败，则在飞行结束或重新连接稳定连接状态下，通过对比地面站和无人机端数据库的时间戳信息，即可将丢失的数据包全部补齐，保证数据的准确完整，在数据回放的功能中即可看到完成的测量过程和数据。

还包括，在飞行测量过程中，实时信息交互体现在，地面端可以随时给无人机端发送控制命令，无人机端向地面站返回命令执行结果和测量数据信息；测量结束，将无人机回收后，实时信息交互体现在，无人机和地面站在稳定连接的情况下，自动对比时间戳信息，寻找丢失的数据片段，地面站将丢失的数据片段同步，补全数据信息。

本发明还提供无人机数据通信与存储系统的减震装置，包括主控箱和两个探测器箱，该无人机数据通信与存储系统各部件对应的安装在主控箱和两个探测器箱内；两个探测器箱分别通过探测器箱固定支架与无人机两侧面安装杆相连；所述的主控箱通过主控箱支架与无人机机头安装板固定；

所述的主控箱支架为三根支架，主控箱支架通过螺栓与主控箱连接；主控箱支架与无人机通过螺栓连接，所述的螺栓上设有减震弹簧和防松销钉；

所述的探测器箱固定支架端部设有法兰盘，探测器箱与法兰盘通过螺栓连接；探测器箱固定支架上还设有上部固定座和下部固定座，所述的上部固定座和下部固定座相对的一面分别设有半圆槽，上部固定座和下部固定座组成一个完整固定座，两个半圆槽形成一个圆孔用于套在无人机置物架上，所述的上部固定座和下部固定座的半圆槽的槽底分别设有减震簧；上部固定座和下部固定座之间通过螺栓和防松螺母固定。

本发明具有的技术效果：

1.采用机上存储与地面存储同步的数据存储方式，且在飞行中地面站可与无人机进行实时信息交互。在飞行中，测量数据会在发送到地面站的同时，将格式完全相同的数据备份存储在机上数据库内，如果飞机与地面站的通信发生中断，导致某段数据传输失败，则可以在飞行结束后将丢失段的数据从机上备份数据中找到并再次发送到地面站，即可补全数据。这样的设计很好地避免了测量数据的丢失，尽可能地保障了测量数据的完整。

2.本发明中无人机天线的设计从传统的单根天线变为了多方向多根天线，分布在挂载的各个平面，避免了在飞行过程中，某一方向的信号被阻挡，导致与地面站通信中断或数据传送失败的情况。

3.本发明中为无人机机上挂载设计了完整的减震和安装方案，尽可能地保障了机上探测器、工作电路等设备在飞行过程中的稳定，避免了因空中飞行颠簸而引起的机上设备错位或损坏、工作线路接触不良等故障的出现。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明机上嵌入式工控机数据流示意图；

图3为本发明的数据传输示意图；

图4为实施例的多天线结构示意图；

图5为本发明的减震装置结构示意图；

图6为本发明的主控箱支架结构示意图；

图7为本发明的主控箱焊接有加强筋的盖板结构示意图；

图8为本发明的主控箱支架减震机构示意图；

图9为本发明探测器箱固定支架结构示意图；

图10为本发明探测器箱固定支架减震机构示意图；

图11为本发明探测器箱固定支架减震机构剖面示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明具体技术方案。

如图1所示，无人机数据通信与存储系统，包括探测器探头、探测器工作电路、主控板、gps模块、路由器、机上嵌入式工控机，以及地面站；

所述的探测器探头，本实施例中探测器探头由碘化钠(nai)晶体和光电倍增管(pmt)，及其相关电路组成，用于探测伽马能谱数据。

探测器工作电路用于接收探测器探头测得的能谱数据，并对数据做处理，处理完成后将能谱数据通过路由器发送至机上嵌入式工控机；

主控板用于采集探测器探头上每条晶体的温度，还用于采集飞机飞行高度数据；

gps/bd模块用于获取地理信息并向机上嵌入式工控机提供高精度时间戳数据，gps/bd模块提供高精度时间戳数据，对每一个测量数据包增加一个gps时间标识，地面站根据gps时间标识对测量数据包排序，当地面站收到的数据包有丢失或错位的情况时，可根据数据包的gps时间标识恢复数据信息；

机上嵌入式工控机工作包括控制探测器探头及探测器工作电路并与探测器探头通信、向主控板发送命令并采集其返回的数据信息、采集gps/bd模块发送的数据、对接无人机数据链路、实时存储所接收到的数据，以及将收到的所有数据打包通过数传电台发送至地面站；工控机由gps/bd模块提供的高精度时间戳来控制路由器采集能谱数据，对每次采集的数据添加时间戳信息和地理位置信息；嵌入式工控机先对接收到的数据进行预处理，然后数据被分为两路，这两路数据的格式和内容完全相同，一路数据被封装后存储到机上嵌入式工控机中，完成机上数据存储，即数据备份，目前有3种可选的存储位置，分别是超快速的小型数据库sqlite、flash存储器或sd卡，即使出现机器断电等特殊情况，这三种存储方式依然可以保证数据的完整，不会丢失数据。在测量结束并与地面站稳定连接的情况下，可以通过有线传输、拷贝或者无限发送的方式将机上备份数据传送到地面站；另一路数据被打包并通过数传电台实时将数据包发送到地面站进行存储和显示等，如图2所示。

地面站包括地面嵌入式工控机、数传/图传接收机、锂电池、键盘触控板和电容触屏，以及防爆减震外壳；机上嵌入式工控机将数据打包后通过以太网控制器和无限传输模块，如图3所示将数据发送到地面站，地面站接收到无人机发送的数据后对数据进行备份，并对接收的数据进行显示和实时分析处理；地面站对探测器测量控制、测量数据多窗口实时处理显示、飞行平台操控、航拍视屏显示、数据库备份、历史数据回放和分析；地面站与无人机端数据同步，如果在飞行过程中，某段数据、甚至所有数据因特殊情况发送失败，则在飞行结束或重新连接稳定连接状态下，通过对比地面站和无人机端数据库的时间戳信息，即可将丢失的数据包全部补齐，保证数据的准确完整，在数据回放的功能中即可看到完成的测量过程和数据。

地面站与机上嵌入式工控机之间的通信是通过数传电台，机上和地面站分别有一台数传电台；在飞行测量过程中，实时信息交互体现在地面端可以随时给无人机端发送控制命令，无人机端向地面站返回命令执行结果和测量数据信息；测量结束，将无人机回收后，实时信息交互体现在，无人机和地面站在稳定连接的情况下，自动对比时间戳信息，寻找丢失的数据片段，地面站将丢失的数据片段同步，补全数据信息。

无人机上所述的数传电台设有天线，所述的天线通过射频转接元件分为多个方向的支路天线，支路天线分别安装在无人机挂载箱体的各个侧面，用防松卡扣固定在机箱的面板上，方向面向地面。为保证无线数据传输的稳定性，避免在飞行中出现信号被阻挡或距离过远导致的通信中断等特殊情况，将一根天线通过射频转接元件分为多个支路天线，如图4所示，构成高增益多方向天线布局设计，其中每根支路天线的发射功率不变，与只有一根天线时的发射功率相同，这样可以增大数据传输距离，扩大可探测区域的范围，也可以有效避免某个方向的信号被阻挡，保证与地面站的通信稳定，保障数据传输的效率。

采用该无人机数据通信与存储系统，进行数据通信与存储；具体的过程为：

所述的探测器探头探测伽马能谱数据；探测器工作电路接收探测器探头测得的能谱数据，并对数据做处理，处理完成后将能谱数据通过路由器发送至机上嵌入式工控机；

主控板采集探测器探头上每条晶体的温度，还用于采集飞机飞行高度数据；

gps/bd模块＝获取地理信息并向机上嵌入式工控机提供高精度时间戳数据，gps/bd模块提供高精度时间戳数据，对每一个测量数据包增加一个gps时间标识，地面站根据gps时间标识对测量数据包排序，当地面站收到的数据包有丢失或错位的情况时，可根据数据包的gps时间标识恢复数据信息；

机上嵌入式工控机工作包括：控制探测器探头及探测器工作电路并与探测器探头通信、向主控板发送命令并采集其返回的数据信息、采集gps/bd模块发送的数据、对接无人机数据链路、实时存储所接收到的数据，以及将收到的所有数据打包通过数传电台发送至地面站；工控机由gps/bd模块提供的高精度时间戳来控制路由器采集能谱数据，对每次采集的数据添加时间戳信息和地理位置信息；嵌入式工控机先对接收到的数据进行预处理，然后数据被分为两路，这两路数据的格式和内容完全相同，一路数据被封装后存储到机上嵌入式工控机中，完成机上数据存储，即数据备份，在测量结束并与地面站稳定连接的情况下，可以通过有线传输、拷贝或者无限发送的方式将机上备份数据传送到地面站；另一路数据被打包并通过数传电台实时将数据包发送到地面站；

机上嵌入式工控机将数据打包后通过以太网控制器和无限传输模块，将数据发送到地面站，地面站接收到无人机发送的数据后对数据进行备份，并对接收的数据进行显示和实时分析处理。

地面站与无人机端数据同步，如果在飞行过程中，某段数据、甚至所有数据因特殊情况发送失败，则在飞行结束或重新连接稳定连接状态下，通过对比地面站和无人机端数据库的时间戳信息，即可将丢失的数据包全部补齐，保证数据的准确完整，在数据回放的功能中即可看到完成的测量过程和数据。

在飞行测量过程中，实时信息交互体现在，地面端可以随时给无人机端发送控制命令，无人机端向地面站返回命令执行结果和测量数据信息；测量结束，将无人机回收后，实时信息交互体现在，无人机和地面站在稳定连接的情况下，自动对比时间戳信息，寻找丢失的数据片段，地面站将丢失的数据片段同步，补全数据信息。

如图5，无人机数据通信与存储系统的减震装置，包括主控箱1和两个探测器箱3，所述的无人机数据通信与存储系统各部件对应的安装在主控箱1和两个探测器箱3内；两个探测器箱3分别通过探测器箱固定支架4与无人机两侧面安装杆相连；所述的主控箱1通过主控箱支架2与无人机机头安装板固定；

由于机头采用三点固定方式，所以设计了对应的三根支架的主控箱支架2用于固定主控箱1，其安装位置如图6所示，通过螺栓将主控箱支架2与预留有安装孔的主控箱1连接。

由于主控箱1采用三点固定方式所以受力点也是对于的安装孔位，而为了减轻主控箱1的重量箱体采用3mm的航空铝材焊接而成，上盖板面积大而且比较薄。所以为了防止长期受力主控箱1上盖板变形，在主控箱1上盖板上焊接有铝型材避免变形甚至断裂而发生事故，其焊接后三维图如图7所示。

由于飞机飞行自身及外部因素导致的长期振动会对主控箱1内电路及电子元器件产生影响，所以在主控箱支架2与无人机安装板5连接做了专门的减震设计。其原理如图8所示，主要螺栓21、减震弹簧24、螺母22及防松销钉23等组成。其中减震弹簧24用于吸收高频振动、螺母22为减震弹簧24提供预紧力防止主控箱支架2与无人机安装板5发生松动。

如图9和图10、图11所示，所述的探测器箱固定支架4端部设有法兰盘41，探测器箱3与法兰盘通过法兰螺栓42连接；同理在晶体箱安装面的内侧焊接有对应的加强筋。探测器箱固定支架4上还设有上部固定座43和下部固定座44，所述的上部固定座43和下部固定座44相对的一面分别设有半圆槽，上部固定座43和下部固定座44组成一个完整固定座，两个半圆槽形成一个圆孔用于套在无人机置物架6上，所述的上部固定座43和下部固定座44的半圆槽的槽底分别设有减震簧45；上部固定座43和下部固定座44之间通过固定座螺栓46和防松螺母47固定。

半圆槽的孔径比无人机置物架6直径大0.1mm，如果没有弹簧的作用探测器箱3体支架与无人机置物架6会发生晃动，而在上下两根减震簧45的作用下不再发生晃动，同时减震簧45也能吸收无人机的振动避免无人机振动对探测器的影响。