CN114384606A - 无人机环境参数获取装置、无人机设备及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种无人机环境参数获取装置、无人机设备及系统，包括环境检测装置、数据处理装置、轻量结构件和通讯装置，环境检测装置通过轻量结构件设置于无人机外壳，环境检测装置和通讯装置均连接数据处理装置。环境检测装置通过轻量结构件设置于无人机外壳，可以检测到无人机真实飞行环境下的环境参数，提高了采集到的环境参数的准确性，数据处理装置使通讯装置可以正常识别环境参数，环境检测装置通过轻量化结构件设置于无人机外壳，可以减小增加的重量对无人机整体气动性能的影响，有利于提高无人机的工作性能，从而提高了无人机的使用可靠性。

Description

无人机环境参数获取装置、无人机设备及系统

技术领域

本申请涉及无人机技术领域，特别是涉及一种无人机环境参数获取装置、无人机设备及系统。

背景技术

随着科学技术的发展，无人机得到了越来越广泛的应用。无人机的种类很多，按用途分类可包括测绘无人机、植保无人机、巡检无人机和物流无人机等。无人机在飞行时，飞行环境对其工作性能的影响很大。例如在恶劣的气象条件下飞行时，无人机的方向、平衡能力等都会受到影响，此时需要及时对无人机的工作状态进行调整，避免造成进一步的损坏。因此，对无人机飞行环境的监测对保障无人机工作性能很重要。

传统的对无人机飞行环境的监测的方法一般是采用手持式风速计或微型气象站，在无人机作业环境下，进行实地气象数据采集，一旦气象出现异常，即停止无人机作业。然而，这种方法在地面端采集气象数据，与空中端环境在风速风向上有较大出入，尤其是无人机飞行航程较远时，无法获取无人机航线过程中的气象，使采集到的数据不准确，影响对无人机控制的准确性，降低了无人机的使用可靠性。

发明内容

本发明针对传统的对无人机飞行环境的监测的方法问题采集到的数据不准确，造成无人机的使用可靠性低的问题，提出了一种无人机环境参数获取装置、无人机设备及系统，该无人机环境参数获取装置、无人机设备及系统可以达到可靠、准确采集无人机飞行环境数据、提高无人机使用可靠性高的技术效果。

一种无人机环境参数获取装置，包括环境检测装置、数据处理装置、轻量结构件和通讯装置，所述环境检测装置通过所述轻量结构件设置于无人机外壳，所述环境检测装置和所述通讯装置均连接所述数据处理装置，所述通讯装置还用于连接飞行控制中心服务器；

所述环境检测装置用于检测所述无人机所处环境，生成环境参数并发送至所述数据处理装置，所述数据处理装置用于对所述环境参数进行处理后，将处理后的环境参数发送至所述通讯装置，所述通讯装置用于与所述飞行控制中心服务器进行数据传输。

一种无人机设备，包括无人机和如上述的无人机环境参数获取装置。

一种无人机系统，包括飞行控制中心服务器和如上述的无人机设备。

上述无人机环境参数获取装置、无人机设备及系统，包括环境检测装置、数据处理装置、轻量结构件和通讯装置，环境检测装置通过轻量结构件设置于无人机外壳，环境检测装置和通讯装置均连接数据处理装置，通讯装置还用于连接飞行控制中心服务器，环境检测装置用于检测无人机所处环境，生成环境参数并发送至数据处理装置，数据处理装置用于将环境参数进行处理后，将处理后的环境参数发送至通讯装置，通讯装置用于与飞行控制中心服务器进行数据传输。环境检测装置设置在在无人机外壳，可以检测到无人机真实飞行环境下的环境参数，提高了采集到的环境参数的准确性。数据处理装置将环境参数进行处理后发送至通讯装置，使通讯装置可以正常识别环境参数。通讯装置与飞行控制中心服务器进行数据传输，使飞行控制中心服务器可以获取到无人机所处环境的环境参数，作为对无人机飞行控制的依据。环境检测装置通过轻量化结构件设置于无人机外壳，可以减小增加的重量对无人机整体气动性能的影响，有利于提高无人机的工作性能，从而提高了无人机的使用可靠性。

在其中一个实施例中，所述轻量化结构件包括底座和轻量管，所述底座设置于所述无人机外壳，所述轻量管一端设置于所述底座，另一端用于设置所述环境检测装置。

在其中一个实施例中，所述底座设置于所述无人机外壳的顶部几何中心处，所述轻量管的轴向与所述无人机外壳的顶部所在平面垂直。

在其中一个实施例中，所述环境检测装置包括超声波传感器、温度传感器、湿度传感器和压力传感器中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述通讯装置包括数传电台和网络通讯装置中的至少一种。

在其中一个实施例中，还包括供电装置，所述数据处理装置和所述通讯装置均连接所述供电装置。

在其中一个实施例中，所述数据处理装置用于将所述环境参数进行格式转换后发送至所述通讯装置。

在其中一个实施例中，所述数据处理装置包括控制板和树莓派微型电脑中的至少一种。

附图说明

图1为一个实施例中无人机环境参数获取装置与无人机的结构示意图；

图2为一个实施例中无人机环境参数获取装置的结构框图；

图3为一个实施例中无人机系统的结构示意图；

图4为另一个实施例中无人机系统的结构示意图；

图5为一个实施例中数据处理装置的硬件连接图；

图6为一个实施例中无人机环境参数获取装置的部分结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，请参见图1与图2，提供一种无人机环境参数获取装置，包括环境检测装置200、数据处理装置300、轻量结构件100和通讯装置400，环境检测装置200通过轻量结构件100设置于无人机外壳，环境检测装置200和通讯装置400均连接数据处理装置300，通讯装置400还用于连接飞行控制中心服务器。环境检测装置200用于检测无人机所处环境，生成环境参数并发送至数据处理装置300，数据处理装置300用于将环境参数进行处理后，将处理后的环境参数发送至通讯装置400，通讯装置400用于与飞行控制中心服务器进行数据传输。环境检测装置200设置在在无人机外壳，可以检测到无人机真实飞行环境下的环境参数，提高了采集到的环境参数的准确性。数据处理装置300将环境参数进行处理后发送至通讯装置400，使通讯装置400可以正常识别环境参数。通讯装置400与飞行控制中心服务器进行数据传输，使飞行控制中心服务器可以获取到无人机所处环境的环境参数，作为对无人机飞行控制的依据。环境检测装置200通过轻量化结构件设置于无人机外壳，可以减小增加的重量对无人机整体气动性能的影响，有利于提高无人机的工作性能，从而提高了无人机的使用可靠性。

具体地，环境参数的类型并不是唯一的，根据环境检测装置200的类型不同，检测的环境参数的类型也不一样，环境参数的数量和类型可根据实际需求选择。例如，环境参数可以包括气象数据，例如风速风向、温度、光辐射强度、照度、降雨量、降雪量、湿度、能见度等，还可以包括其他影响因素，如噪音大小等。风速风向可作为核心指标，是影响无人机航程航时的重要因素，温度主要影响无人机电池工作状态，光辐射强度、照度会影响复材结构强度，降雨量、降雪量会影响无人机正常工作，湿度、能见度会影响无人机视觉和部分硬件电路工作状态，噪音可以用于检测电机和桨叶工作状态，作为检测无人机动力输出的依据。环境参数可包括上述的部分参数或全部参数，以这些参数作为依据可以准确地评估无人机飞行环境，有利于准确对无人机的工作状态做出判断，提高无人机的工作性能。可以理解，在其他实施例中，环境参数还可以包括其他类型的参数，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

环境检测装置200通过所述轻量结构件100设置于无人机外壳，环境检测装置200与无人机外壳不直接接触设置，使得环境检测装置200除与轻量结构件100接触的部分外，其他位置的部分都处在飞行环境中，有利于提高检测环境参数的准确性，如更有利于检测风速风向等。轻量化结构件一端固定设置与无人机外壳，以保持位置固定，另一端用于设置环境检测装置200，便于环境检测装置200采集环境参数。轻量结构件100的类型并不是唯一的，一般选用轻质的器件设计或组装而成，避免增加的器件重量太大影响无人机的气动性能。轻量化结构件的形状、尺寸等可根据实际需求调整。可扩展地，数据处理装置300和/或通讯装置400也可以通过轻量结构件100设置于无人机外壳，便于在环境检测装置200检测得到环境参数，及时对环境参数进行处理后发送至飞行控制中心服务器，具体位置可根据实际需求设置。

数据处理装置300用于将环境参数进行处理后发送至通讯装置400，数据处理装置300可以对环境参数的采样频率进行设置，具体可通过向环境检测装置200按照预设时间间隔发送采样指令，环境检测装置200接收到采样指令后才检测得到环境参数，并发送至数据处理装置300。进一步地，数据处理装置300还可以根据环境参数对无人机影响的重要程度不同，对不同类型的环境参数对应的环境检测装置200按照不同的时间间隔发送采样指令，在减轻环境检测装置200工作符合的同时，也能较全面地采集到所需要的数据。例如，根据无人机机型或实际需求，将作为核心指标的环境参数设置较高的采样频率，对其他环境参数设置较低的采样频率。例如，当环境参数包括风速和温度时，风速作为影响无人机飞行的重要指标，可设置较高的采样频率，例如一秒采集十次，而在实际情况下，温度变化微小，也不容易突变，一般一分钟采集一次就可以满足需求。按照实际需求设置环境参数的采样频率可以使采集得到的环境参数更加合理，更有利于对无人机飞行环境的评估。

通讯装置400用于与飞行控制中心服务器进行数据传输，可以将接收到环境参数等数据发送至飞行控制中心服务器，便于飞行控制中心服务器根据环境参数评估无人机的飞行环境，有利于合理、准确地控制无人机的飞行状态。例如，飞行控制中心服务器接收到环境参数后，与飞行数据作对比，作为无人机航线任务执行和维修保障的参考依据。飞行数据是指无人机飞行时的数据，例如航向，航速，电流，功耗等，当接收到的环境参数为风速风向时，无人机自身也有航速航向，电流功耗，可以通过对比发现此时此刻无人机顺逆风状态是否异常，极端情况如逆风风速过大，若无人机抗风飞行，电流功耗过大，温度过高，则无人机预警。飞行控制中心服务器认为当前环境不适合无人机飞行，可向无人机发出着陆指令，控制无人机尽快着陆，可待天气好转后重新开始工作。

通讯装置400可以采用无人机本身具有的通讯器，在通讯器上增加相应的功能即可，可以节约硬件成本，或者，通讯装置400也可以是另外设置的通讯装置400，使无人机环境参数获取装置的通讯链路与无人机通讯链路完成独立开来，不需要进行无人机航电系统上的软件开发工作，也可以多条通道传输数据，提高数据传输的效率。

在一个实施例中，轻量化结构件包括底座和轻量管，底座设置于无人机外壳，轻量管一端设置于底座，另一端用于设置环境检测装置200。底座可以将轻量管和设置在轻量管上的环境检测装置200位置保持固定，避免抖动过大影响环境检测装置200检测数据的准确性，也能减小环境检测装置200掉落或摔坏等意外情况的发生概率。

具体地，底座和轻量管的类型并不是唯一的，在本实施例中，底座为铝合金底座，铝合金底座强度高，固定效果好。进一步地，底座与无人机外壳可拆卸设置，铝合金底座紧固件可以根据不同型号无人机进行调整适配，更换无人机只需要更换不同铝合金底座结构件即可。轻量管可以为碳纤维管，碳纤维管一端设置于底座，另一端用于设置环境检测装置200，碳纤维管质量较轻，可以实现轻量化，碳纤维管是标准件，可按需切割长度，成本低，实施简单，且碳纤维管中间可以穿线，便于连接其他器件，此外，碳纤维管管壁光滑，风阻小，不会造成很大的飞行阻力，碳纤维是导体，可以起到信号屏蔽作用，可以减小信号干扰，有利于提高无人机环境参数获取装置的工作性能。可以理解，在其他实施例中，底座和轻量管也可以为其他类型的器件，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，底座设置于无人机外壳的顶部几何中心处，轻量管的轴向与无人机外壳的顶部所在平面垂直。

具体地，无人机外壳的顶部为无人机上盖，一般在出厂时，根据无人机结构即可确定。在无人机飞行时，无人机的升空方向为从无人机下盖指向无人机上盖的方向。底座设置于无人机上盖的几何中心处，轻量管的轴向与上盖所在平面垂直，环境检测装置200设置在轻量管远离无人机的一端，如此，环境检测装置200安装在无人机上盖的垂直高度处，可以减少无人机旋翼上下气流的影响，且不影响无人机自身的重心，可以大大减少对无人机本身工作的影响程度。可以理解，在其他实施例中，底座和轻量管也可以安装在其他位置，但需要进行一定程度的调整。例如，底座安装在下盖时，需考虑无人机起飞和降落时的安全，或是增加伸缩机构。底座安装在侧盖时，需通过增加配重或装传感器使左右对称，避免影响无人机自身的重心等。

在一个实施例中，环境检测装置200包括超声波传感器、温度传感器、湿度传感器和压力传感器中的至少一种。超声波传感器可以检测无人机所处环境的风速风向，温度传感器可以检测无人机所处环境的温度，湿度传感器可以检测无人机所处环境的湿度，压力传感器可以检测无人机所处环境的气压大小等，环境检测装置200可以根据需要配备上述传感器中的部分或全部，还可以配备其他器件，以提高检测数据的全面性，具体可根据实际需求调整。

具体地，当环境检测装置200包括超声波传感器时，风速风向可通过超声原理测量，利用超声波传感器发送的声波脉冲，测量接收端的时间或频率(多普勒变换)差别来计算风速和风向。无人机在飞行时，采集的风速矢量(大小和方向)为此时无人机飞行速度矢量与当前环境风速矢量和。采集风速、无人机飞行速度已知，可计算出当前环境风速矢量。超声波传感器可以同时测量风速、风向的瞬时数值，具有重量轻、没有任何移动部件、坚固耐用的特点，而且不需维护和现场校准，使用便捷。温度传感器可以检测无人机所处环境的温度，湿度传感器可以检测无人机所处环境的湿度，压力传感器可以检测无人机所处环境的气压大小，通过当前气压大小和无人机的海拔高度还能计算得到无人机所处环境的空气密度。环境检测装置200还可以包括加速度计，用于检测无人机的加速度等，以提高检测数据的全面性，具体可根据实际需求调整。

在一个实施例中，通讯装置400包括数传电台和网络通讯装置400中的至少一种。当通讯装置400包括数传电台时，可以通过数传电台将环境参数传输至飞行控制中心服务器，当通讯装置400包括网络通讯装置400时，可以通过网络通讯装置400将环境参数上传至飞行控制中心服务器，当通讯装置400同时包括数传电台和网络通讯装置400时，可以针对不同的应用场景选择合适的装置来进行通讯，例如在偏远山区时，网络信号差，就可以选择通过数传电台传输数据，提高无人机环境参数获取装置的使用可靠性。

具体地，电台是专网无线传输通讯技术之一，无人机电台包括机载端和地面端，机载端电台即数传电台，安装在无人机内部，无人机飞行数据通过机载端电台，传输至地面端电台(通常又称为基站电台，区别与机载端电台)，一个地面端可以连接两个以上的数传电台，实现一对多连接，地面端电台可接入控制中心。当通讯装置400包括数传电台时，可采用无人机本来就包括的器件进行数据传输，可以减小硬件成本，此时飞行控制中心服务器可以包括地面端电台和控制中心。网络通讯装置400可以为4G模块，可以通过4G网络向飞行控制中心服务器传输数据，传输数据快，飞行控制中心服务器可以包括4G基站和无人机运控平台的服务器，地面端4G基站收到发送过来的环境参数后，将数据通过4G网络上传至无人机运控平台的服务器中，同时当前气象以表格和图形曲线的形式实时显示更新，便于及时查看。

在一个实施例中，请参见图1，环境参数获取装置还包括供电装置500，数据处理装置300和通讯装置400均连接供电装置500。供电装置500可以给数据处理装置300和通讯装置400提供电能，也可以给与之连接的其他装置提供电能，保障与之连接的装置的正常供电。

具体地，供电装置500可以采用无人机本身具有的供电装置500，以减少硬件成本，也可以另外设置与原有供电装置500独立的装置作为供电装置500，使无人机环境参数获取装置具有单独的供电系统，不仅增大了无人机及其具有的无人机环境参数获取装置的总电量，也能在其中一个供电装置500出现故障时，可以考虑采用另一个供电装置500作为备用电源，减小供电异常对器件工作造成的影响。供电装置500的类型并不是唯一的，例如可以为锂电池，锂电池性能佳，使用寿命长。

在一个实施例中，数据处理装置300用于将环境参数进行格式转换后发送至通讯装置400。数据处理装置300将环境参数进行格式转换后再发送至通讯装置400，可以使格式转换后的环境参数被通讯装置400正常接收，也能便于后续通讯装置400将数据转发至其他装置。具体地，环境检测装置200包括的器件类型不同，不同厂家生产的器件类型不一样，都会导致环境参数具有不同的数据格式。数据格式将环境参数进行格式转换后再发送至通讯装置400，可以使格式转换后的环境参数被通讯装置400正常接收。

在一个实施例中，数据处理装置300包括控制板和树莓派微型电脑中的至少一种。控制板可以实现丰富的控制功能，树莓派微型电脑作为一个用于处理图像等大量处理能力需求的设备，可以满足用户的更多需求。

具体地，当数据处理装置300包括控制板时，根据需求用途，对外接口及提供的扩展功能为：一路RS485+一路CAN用于作为气象站用途接线，提供RS485接口用于对外扩展HUB，用于接入多路modbus协议的气象环境传感器，以及一路CAN，用于接入无人机信号。第二路RS485+第二路CAN用于接入自定义协议的RS485设备和CAN设备(外设)，可以用于无人机自动机场外设或无人机测试台外设信息采集。进一步地，控制板包括以太网接口、点对点通信接口、树莓派接口、USB接口和WiFi无线接入，以太网接口的数量可以为3个，其中一个用于连接树莓派提供高速率的大流量数据传输，其余2个可以用于在机载运行时接入自组网电台进行以太网传输或获取机载以太网摄像头，也可以用于在地面使用时接入其他网络设备如4G路由器提供公网通信功能。点对点通信接口提供F4的USB/RS232(TTL-UART)*2接口，2路RS232可用于机载任务通信，也可用于串口调试，1路TTL-UART用于接收GPS模块的消息。树莓派接口用于接入树莓派，USB接口分为F4采集核心的USB和树莓派的USB。控制板内部带上TF卡存储记录的信息，对外提供USB接口作为USB外设，方便PC笔记本连接时直接读取拷贝其内部的记录数据。采集终端提供无线接入方式进行非接触数据传输。传输速率需求大于1MB/S，因此设计了WiFi无线接入，SMA接头用于外接WiFi天线、信号频段是2.4G。

当数据处理装置300同时包括控制板和树莓派微型电脑时，两部分由整体外壳组合一起，提高数据处理装置300的集成度和整体性。由控制板操作并对外提供RS232接口2个、RS485接口2个、CAN接口2个、UART TTL接口2个，其中一个作为print debug口，控制板集成一个5口交换机，对外提供3个以太网接口。由树莓派微型电脑提供USB口4个、micro HDMI2个、模拟音频口1个。数据处理装置300向后兼容性扩展性好，后期如果机型需要更换/升级，不论是软硬件，可以兼容，数据处理装置300预留充分的电气接口，所有的数据处理都由数据处理装置300完成，不需要增加无人机运控平台额外的工作量。机型更换/升级,只需要更换对应的机载气象采集处理模块即可。

数据处理装置300的输入和输出电源的设计需要考虑到。输入应该尽可能宽电压范围，如10-55V,满足12V,24V,48V供电系统。因此内部可采用支持4.5-100V输入，最大3.5A输出的电源芯片。对外供电，则主要考虑接口的电压和对树莓派供电。树莓派的供电需求为5V、3A，在对外接口所附带的电源电压上，CAN/485接口是总线通信，无需附带电压输出。RS232*2所接设备除去电台外，其余均无需电压输出。TTL-UART接口在外接GPS定位授时模块时，需要对外供应5V电压。因此对外输出电压电源为5V。

无人机环境参数获取装置还可以包括防护盒。具体地，防护盒可以为室外防护铝盒。在气象站使用场景下，室外防护铝盒作为安装主机，可以对数据处理装置300、通讯装置400等提供保护，对外使用防水航插接头。环境检测装置200包含的风速风向、雨量、气压、噪声等气象传感器统一用防水航插连接到HUB上，HUB提供485集线功能和电源转换功能，负责把外部电源(48VDC等)转换到数据处理装置300所需的12V(24V)电压。4G DTU提供4G公网接入功能，通过射频接口接到铝盒外部，接入外部塔式天线。GPS模块同样利用SMA射频接口外接平板天线。

信息处理装置还可以同时具备某些气象传感器，如温湿度传感检测温湿度,压力传感器检测大气压，这些气象传感器可集成在控制板上，可以与外置传感器同时采集并互相校验。树莓派的USB口可提供U盘存储能力，或者也可存储在其Micro SD卡内。

信息处理单元的接入电源额定电压为12V，最低输入电压可在8V，最高可到16V，最大功率不超过15W。信息处理单元对外的接口同时提供对外电压输出，其中，485接口同时可对外输出12V，232接口12V，CAN口12V，UART口提供5V,Debug Print口提供3.3V输出。第二层的接口板具备DCDC电压转换能力，从12V转成5V给树莓派，3.3V给F4核心板，并分配不同的通信接口相应的电压。和第一层的stm32f407核心板和采用双排针连接，树莓派与F4通过交换机连接网口进行通信。

为了安装、维护和检修的便利性，信息处理装置提供非接触式的无线近场通信，方式是利用树莓派上自身自带的WiFi模组或BLE蓝牙。通过手持终端如手机等可以连接，从而进行自诊断信息上报、存储的数据传输拷贝、固件更新等操作。通过作为WiFi节点的方式，信息处理装置也可接入机库专用的用于数据备份、维护的WiFi热点，无需人工操作而自动上传记录的数据信息。

为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细的解释说明。在一个实施例中，无人机环境参数获取装置有两种实施方式，第一种基于当前无人机航电系统架构，来进行气象数据采集，依托现有通讯和供电系统。第二种完全独立，自主通讯和独立供电，不依托现有设备。环境检测装置200的核心采集指标为风速风向，其他指标为温湿度，雨量，光照等，采样频率视机型情况决定，可设置为核心指标采样频率高，其他指标采样频率低。传感器数据(环境参数)接入飞行控制中心服务器(基站和系统)，飞行控制中心服务器可以获取信息，并与飞行数据作对比，作为无人机航线任务执行和维修保障的参考依据。

具体地，无人机环境参数获取装置安装于在无人机上盖处，环境检测装置200与无人机之间通过碳管和铝合金结构件相连。环境检测装置200包括超声波传感器，该超声波传感器重量轻，体积小，RS232输出，可测量风速，环境检测装置200还可以通过其他类型的传感器测量风速、风向、温度、湿度、压力，加速度、磁力、空气密度等数据。连接碳管长度短，例如可以为50cm，结构安装对机体和飞行状态影响较小。

无人机环境参数获取装置的硬件接口设置为：A方案：通常无人机厂家使用的电台，有RS232接口，TTL接口，可作为传感器数据的传输通道，通过电台发送至地面端基站、无人机地面站；B方案：通常无人机航电系统上有can总线，传感器可直接与can总线相连，经过飞控后，通过无人机电台发送至地面站；C方案：无人机环境参数获取装置采用独立的通讯装置400，但仍然保留方案A和B的接口。无人机环境参数获取装置的通讯协议为：采用单独的通讯协议，环境检测装置200一般采用modbus协议，硬件接口采用A方法时，环境参数通过数传电台发送至地面站，由地面站或后台解析；硬件接口采用B方法时，通过飞控传输，由飞控端完成内部协议转换，或通过电台发送至地面站，由地面站或后台解析。硬件接口采用C方法时，数据直接本地解析，按要求格式发送给无人机运控平台。

无人机环境参数获取装置的结构和工作流程可参见图2，图中左边部分为无人机环境参数获取装置，包括环境检测装置200、数据处理装置300、通讯装置400和供电装置500，环境检测装置200包括外部气象传感器(根据不同需求，增加或更换传感器)，通讯装置400包括数传电台和4G装置，数据处理装置300为采集处理模块，采集处理模块采集传感器数据并处理，按照指定协议格式，发送给数传电台，供电装置500为锂电池，锂电池根据功耗和应用场景，选择合适的电压和容量。图2中右边部分为地面端，硬件包括4G基站，即带有4G功能的地面端电台，可以实现在信号覆盖的区域，一个基站连接多个机载端数传电台，达到一个基站控制多台无人机的效果。

首先，根据测试任务搭载气象传感器(标配传感器为超声波风速风向传感器)，数据处理装置300对传感器采集的原始数据进行解析，数据解析分两个方面，第一个方面，通常情况传感器采集数据的频率较高，如温度一秒采集一次，风速一秒采集十次等，实际情况下，温度变化微小，也不容易突变，一般一分钟采集一次即可；另一方面，要将各个厂家的传感器数据整合成可以通过电台发送的格式化数据，发送给地面端。其次，地面端4G基站收到发送过来的气象数据后(也包括无人机的飞行数据)，将数据通过4G网络上传至无人机运控平台的服务器中，同时当前气象以表格和图形曲线的形式实时显示更新。最后，运控平台根据内部设定的阈值和安全策略，向地面站发送指示或告警信息，基站根据地面站接收的显示信息，对无人机进行相关操作。整个流程形成闭环，采集的气象数据达到了辅助无人机安全运行的目的。

当采用其他厂家的无人机机型时，对应的数传电台和4G基站使用的不同厂家自己的产品，故此时将数传电台换成4G模块即可，如图3所示。此次机载端设备为气象传感器、采集处理模块、4G模块和锂电池。气象信号直接通过4G网络发送给无人机运控平台，整个通讯链路与无人机通讯链路完成独立开来，不需要进行无人机航电系统上的软件开发工作。只需要按照厂家地面站的要求，通过无人机运控平台发送相关气象指示或告警信息。图4为数据采集模块的硬件连接图，该无人机环境参数获取装置，除了能够采集气象数据，还可以采集其他传感器数据和视频信息，可以作为机载端设备，也可以作为远程端设备，可以适应不同的场景需求，且扩展性极强。

数据处理装置300可以为数据采集处理模块，数据采集处理模块核心包括控制板，根据需求用途分析，对外接口提供如下扩展功能：一路RS485+一路CAN用于作为气象站用途接线，提供RS485接口用于对外扩展HUB，用于接入多路modbus协议的气象环境传感器，以及一路CAN，用于接入无人机信号；第二路RS485+第二路CAN用于接入自定义协议的RS485设备和CAN设备(外设)，可以用于无人机自动机场外设或无人机自动测试台外设信息采集。

进一步地，控制板包括以太网接口、点对点通信接口、树莓派接口、USB接口和WiFi无线接入，以太网接口的数量可以为3个，其中一个用于连接树莓派提供高速率的大流量数据传输，其余2个可以用于在机载运行时接入自组网电台进行以太网传输或获取机载以太网摄像头，也可以用于在地面使用时接入其他网络设备如4G路由器提供公网通信功能。点对点通信接口提供F4的USB/RS232(TTL-UART)*2接口，2路RS232可用于机载任务通信，也可用于串口调试，1路TTL-UART用于接收GPS模块的消息。树莓派接口用于接入树莓派，USB接口分为F4采集核心的USB和树莓派的USB。控制板内部带上TF卡存储记录的信息，对外提供USB接口作为USB外设，方便PC笔记本连接时直接读取拷贝其内部的记录数据。采集终端提供无线接入方式进行非接触数据传输。传输速率需求大于1MB/S，因此设计了WiFi无线接入，SMA接头用于外接WiFi天线、信号频段是2.4G。

数据采集处理模块的输入和输出电源的设计需要考虑到。输入应该尽可能宽电压范围，如10-55V,满足12V,24V,48V供电系统。因此内部可采用支持4.5-100V输入，最大3.5A输出的电源芯片。对外供电，则主要考虑接口的电压和对树莓派供电。树莓派的供电需求为5V、3A，在对外接口所附带的电源电压上，CAN/485接口是总线通信，无需附带电压输出。RS232*2所接设备除去电台外，其余均无需电压输出。TTL-UART接口在外接GPS定位授时模块时，需要对外供应5V电压。因此对外输出电压电源为5V。

在气象站使用场景下，室外防护铝盒作为安装主机，可以对环境检测装置200、通讯装置400等提供保护，对外使用防水航插接头。请参见图5，环境检测装置200包含的风速风向、雨量、气压、噪声等气象传感器统一用防水航插连接到HUB上，HUB提供485集线功能和电源转换功能，负责把外部电源(48VDC等)转换到数据处理装置300所需的12V(24V)电压。4G DTU提供4G公网接入功能，通过射频接口接到铝盒外部，接入外部塔式天线。GPS模块同样利用SMA射频接口外接平板天线。

可扩展地，无人机环境参数获取装置根据应用场景可以分为机载版和地面版，数据处理装置300为信息处理单元，环境检测装置200为外接传感器，供电装置500为地面电源，通讯装置400为通信单元，轻量结构件100为结构支撑部件。因为尺寸、安装方式、性能指标的不同，机载型和地面型具有各自的外置传感器。而信息处理单元为机载型和地面型共用。由于地面端可以承受更多的重量和空间，同时也为了考虑地面实际部署时可能具有多种供电来源和通信方式，因此地面型气象采集系统在防护等级达到IP54的室外安装铝盒里会安置电源适配器和通信电台(或4G DTU/自组网电台等)组成一个整体的气象信息采集站(不包含外置的传感器)。

信息处理单元的作用是采集传感器信息，对传感器信息进行筛选、压缩、转协议等一系列处理并进行存储等操作，同时也提供应用扩展开发的空间。信息处理单元包括树莓派微型电脑和控制板。两部分由整体外壳组合一起。由控制板操作并对外提供RS232接口2个；RS485接口2个；CAN接口2个；UART TTL接口2个，其中一个作为print debug口；控制板集成一个5口交换机，对外提供3个以太网接口。由树莓派微型电脑提供USB口4个，micro HDMI2个，模拟音频口1个。

信息处理装置还可以同时具备某些气象传感器，如温湿度传感检测温湿度,压力传感器检测大气压，这些气象传感器可集成在控制板上，可以与外置传感器同时采集并互相校验。树莓派的USB口可提供U盘存储能力，或者也可存储在其Micro SD卡内。

信息处理单元的接入电源额定电压为12V，最低输入电压可在8V，最高可到16V，最大功率不超过15W。信息处理单元对外的接口同时提供对外电压输出，其中，485接口同时可对外输出12V，232接口12V，CAN口12V，UART口提供5V,Debug Print口提供3.3V输出。第二层的接口板具备DCDC电压转换能力，从12V转成5V给树莓派，3.3V给F4核心板，并分配不同的通信接口相应的电压。和第一层的stm32f407核心板和采用双排针连接，树莓派与F4通过交换机连接网口进行通信。

为了安装、维护和检修的便利性，信息处理装置提供非接触式的无线近场通信，方式是利用树莓派上自身自带的WiFi模组或BLE蓝牙。通过手持终端如手机等可以连接，从而进行自诊断信息上报、存储的数据传输拷贝、固件更新等操作。通过作为WiFi节点的方式，信息处理装置也可接入机库专用的用于数据备份、维护的WiFi热点，无需人工操作而自动上传记录的数据信息。

上述无人机环境参数获取装置，包括环境检测装置200、数据处理装置300、轻量结构件100和通讯装置400，环境检测装置200通过轻量结构件100设置于无人机外壳，环境检测装置200和通讯装置400均连接数据处理装置300，通讯装置400还用于连接飞行控制中心服务器，环境检测装置200用于检测无人机所处环境，生成环境参数并发送至数据处理装置300，数据处理装置300用于将环境参数进行处理，将处理后的环境参数后发送至通讯装置400，通讯装置400用于与飞行控制中心服务器进行数据传输。环境检测装置200设置在在无人机外壳，可以检测到无人机真实飞行环境下的环境参数，提高了采集到的环境参数的准确性。数据处理装置300将环境参数进行处理后发送至通讯装置400，使通讯装置400可以正常识别环境参数。通讯装置400与飞行控制中心服务器进行数据传输，使飞行控制中心服务器可以获取到无人机所处环境的环境参数，作为对无人机飞行控制的依据。环境检测装置200通过轻量化结构件设置于无人机外壳，可以减小增加的重量对无人机整体气动性能的影响，有利于提高无人机的工作性能，从而提高了无人机的使用可靠性。

在一个实施例中，提供一种无人机设备，包括无人机和如上述的无人机环境参数获取装置。

上述无人机设备，包括环境检测装置200、数据处理装置300、轻量结构件100和通讯装置400，环境检测装置200通过轻量结构件100设置于无人机外壳，环境检测装置200和通讯装置400均连接数据处理装置300，通讯装置400还用于连接飞行控制中心服务器，环境检测装置200用于检测无人机所处环境，生成环境参数并发送至数据处理装置300，数据处理装置300用于将环境参数进行处理，将处理后的环境参数后发送至通讯装置400，通讯装置400用于与飞行控制中心服务器进行数据传输。环境检测装置200设置在在无人机外壳，可以检测到无人机真实飞行环境下的环境参数，提高了采集到的环境参数的准确性。数据处理装置300将环境参数进行处理后发送至通讯装置400，使通讯装置400可以正常识别环境参数。通讯装置400与飞行控制中心服务器进行数据传输，使飞行控制中心服务器可以获取到无人机所处环境的环境参数，作为对无人机飞行控制的依据。环境检测装置200通过轻量化结构件设置于无人机外壳，可以减小增加的重量对无人机整体气动性能的影响，有利于提高无人机的工作性能，从而提高了无人机的使用可靠性。

在一个实施例中，提供一种无人机系统，包括飞行控制中心服务器和如上述的无人机设备。当通讯装置400包括数传电台时，飞行控制中心服务器可以包括地面端电台和控制中心。当通讯装置400包括网络通讯装置400时，网络通讯装置400可以为4G模块，飞行控制中心服务器可以包括4G基站和无人机运控平台的服务器。

上述无人机系统，包括环境检测装置200、数据处理装置300、轻量结构件100和通讯装置400，环境检测装置200通过轻量结构件100设置于无人机外壳，环境检测装置200和通讯装置400均连接数据处理装置300，通讯装置400还用于连接飞行控制中心服务器，环境检测装置200用于检测无人机所处环境，生成环境参数并发送至数据处理装置300，数据处理装置300用于将环境参数进行处理，将处理后的环境参数后发送至通讯装置400，通讯装置400用于与飞行控制中心服务器进行数据传输。环境检测装置200设置在在无人机外壳，可以检测到无人机真实飞行环境下的环境参数，提高了采集到的环境参数的准确性。数据处理装置300将环境参数进行处理后发送至通讯装置400，使通讯装置400可以正常识别环境参数。通讯装置400与飞行控制中心服务器进行数据传输，使飞行控制中心服务器可以获取到无人机所处环境的环境参数，作为对无人机飞行控制的依据。环境检测装置200通过轻量化结构件设置于无人机外壳，可以减小增加的重量对无人机整体气动性能的影响，有利于提高无人机的工作性能，从而提高了无人机的使用可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无人机环境参数获取装置，其特征在于，包括环境检测装置、数据处理装置、轻量结构件和通讯装置，所述环境检测装置通过所述轻量结构件设置于无人机外壳，所述环境检测装置和所述通讯装置均连接所述数据处理装置，所述通讯装置还用于连接飞行控制中心服务器；

所述环境检测装置用于检测所述无人机所处环境，生成环境参数并发送至所述数据处理装置，所述数据处理装置用于对所述环境参数进行处理后，将处理后的环境参数发送至所述通讯装置，所述通讯装置用于与所述飞行控制中心服务器进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的无人机环境参数获取装置，其特征在于，所述轻量化结构件包括底座和轻量管，所述底座设置于所述无人机外壳，所述轻量管一端设置于所述底座，另一端用于设置所述环境检测装置。

3.根据权利要求2所述的无人机环境参数获取装置，其特征在于，所述底座设置于所述无人机外壳的顶部几何中心处，所述轻量管的轴向与所述无人机外壳的顶部所在平面垂直。

4.根据权利要求1所述的无人机环境参数获取装置，其特征在于，所述环境检测装置包括超声波传感器、温度传感器、湿度传感器和压力传感器中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的无人机环境参数获取装置，其特征在于，所述通讯装置包括数传电台和网络通讯装置中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的无人机环境参数获取装置，其特征在于，还包括供电装置，所述数据处理装置和所述通讯装置均连接所述供电装置。

7.根据权利要求1所述的无人机环境参数获取装置，其特征在于，所述数据处理装置用于将所述环境参数进行格式转换后发送至所述通讯装置。

8.根据权利要求1所述的无人机环境参数获取装置，其特征在于，所述数据处理装置包括控制板和树莓派微型电脑中的至少一种。

9.一种无人机设备，其特征在于，包括无人机和如权利要求1-8任意一项所述的无人机环境参数获取装置。

10.一种无人机系统，其特征在于，包括飞行控制中心服务器和如权利要求9所述的无人机设备。

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