計(jì)算機(jī)軟件論文基于GTS901A的測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化軟件的開發(fā)

1、計(jì)算機(jī)軟件論文:基于GTS901A的測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化軟件的開發(fā)【摘要】本文簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外知名的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和測(cè)量機(jī)器人產(chǎn)品,闡述了測(cè)量機(jī)器人在當(dāng)代變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的重要性。通過(guò)分析測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)化作業(yè)流程,定義了測(cè)量機(jī)器人通用類,并且對(duì)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)過(guò)程中所涉及的不同坐標(biāo)類型進(jìn)行了介紹;最后以拓普康公司的GTS901A測(cè)量機(jī)器人為例,實(shí)例化測(cè)量機(jī)器人通用類,獲取GTS901A測(cè)量機(jī)器人對(duì)象,開發(fā)了GTS901A變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化軟件(GROMA,GeoRobotOnlineAutomatic DeformationMonitoring software),并完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2、?！娟P(guān)鍵詞】變形監(jiān)測(cè);測(cè)量機(jī)器人;1引言測(cè)量機(jī)器人是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、識(shí)別、跟蹤和精準(zhǔn)照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離等信息的智能型電子全站儀1。研究開發(fā)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際熱點(diǎn)研究問(wèn)題,并產(chǎn)生了一批軟件產(chǎn)品,比較知名的有DIMONS位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2、GeoMoS自動(dòng)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3、武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院的Geo_ ADMOS等。以DIMONS為例,由新布朗士威(New Brunswick)大學(xué)研制并在2001年對(duì)美國(guó)加州南部谷湖區(qū)水庫(kù)(Diamond ValleyLake)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中得以應(yīng)用;該項(xiàng)目采用8個(gè)永久性RTS和218個(gè)棱鏡構(gòu)建了地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4,通過(guò)DIMO

3、NS實(shí)現(xiàn)了的形變數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與自動(dòng)分析。隨著自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和各大中型項(xiàng)目對(duì)測(cè)量機(jī)器人需求的增加,一些生產(chǎn)廠商也推出了相應(yīng)的硬件軟件產(chǎn)品,如:徠卡公司的TCA1800、TCA2003全站儀和GeoMoS監(jiān)測(cè)軟件,拓普康的GPT9000A、GTS900A系列全站儀與天寶公司的S6、S8測(cè)量機(jī)器人和Trimble 4DControl監(jiān)測(cè)軟件等。盡管各產(chǎn)商針對(duì)各自產(chǎn)品研制了相應(yīng)的自動(dòng)化軟件,但在具體項(xiàng)目中,這些軟件系統(tǒng)的應(yīng)用適應(yīng)性普遍存在一些問(wèn)題,如測(cè)量作業(yè)方法單一、環(huán)境適應(yīng)性不高、缺乏專業(yè)化數(shù)據(jù)分析處理方法等,往往需要對(duì)已有的軟件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以更好滿足需求。事實(shí)上測(cè)量機(jī)器人都提供了控

4、制儀器操作的指令集或二次開發(fā)包,允許用戶根據(jù)具體需求研制自己的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)程序。本文通過(guò)對(duì)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)流程的分析,抽象和定義了測(cè)量機(jī)器人通用類;然后,針對(duì)開發(fā)過(guò)程中需關(guān)注的目標(biāo)坐標(biāo)更新問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。最后,以拓普康公司GTS901A測(cè)量機(jī)器人為例,對(duì)測(cè)量機(jī)器人通用類實(shí)例化,獲取GTS901A測(cè)量機(jī)器人對(duì)象,開發(fā)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件GRODM并完成了實(shí)地測(cè)試。2變形監(jiān)測(cè)與測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)是對(duì)變形體進(jìn)行重復(fù)測(cè)量以確定變形體形變狀態(tài)和空間位置隨時(shí)間的變化特征,并利用觀測(cè)結(jié)果研究變形規(guī)律,以達(dá)到監(jiān)測(cè)變形體安全狀態(tài)、保證工程和的安全。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化已經(jīng)成為當(dāng)代變形監(jiān)測(cè)的重要

5、部分,主要表現(xiàn)為變形信息的遠(yuǎn)程傳輸和自動(dòng)采集上。數(shù)據(jù)傳輸可通過(guò)電纜、Modem、LAN、WAN、GSM或無(wú)線電等方式實(shí)現(xiàn)。而目前,較為常用的變形信息自動(dòng)采集方式有GPS技術(shù)和測(cè)量機(jī)器人技術(shù)。GPS技術(shù)以其全天候、高精度和站間無(wú)需通視等作業(yè)特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩、高層建筑和大型露天礦區(qū)的變形監(jiān)測(cè);但對(duì)于監(jiān)測(cè)目標(biāo)密度較高的情況, GPS不適用。而測(cè)量機(jī)器人技術(shù)結(jié)合GPS正好彌補(bǔ)了這一不足,在滿足通視的條件下可以按照需求增添監(jiān)測(cè)目標(biāo)。由此可見(jiàn),測(cè)量機(jī)器人在現(xiàn)代變形監(jiān)測(cè)中具有不可替代的地位。測(cè)量機(jī)器人是具備自動(dòng)搜索、自動(dòng)精確照準(zhǔn)和讀數(shù)功能的智能型電子全站儀,其自動(dòng)化作業(yè)主要通過(guò)與計(jì)算機(jī)之間指令和數(shù)

6、據(jù)交互完成,通信過(guò)程如圖1所示。它們分別扮演客戶機(jī)與服務(wù)器的角色5;計(jì)算機(jī)向測(cè)量機(jī)器人發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求(Request,操作指令),測(cè)量機(jī)器人就向計(jì)算機(jī)返回一個(gè)應(yīng)答(Reply,當(dāng)前狀態(tài)或觀測(cè)數(shù)據(jù))。通過(guò)分析(Geo-MoS和Trimble 4DControl等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),總結(jié)出測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)流程的通信過(guò)程,具體如下: 1)儀器初始化:指計(jì)算機(jī)向測(cè)量機(jī)器人發(fā)送參數(shù)信息的過(guò)程。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與測(cè)量機(jī)器人基本參數(shù)一致是測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)數(shù)據(jù)是否有效的保證。這些參數(shù)主要包括棱鏡常數(shù)、氣象改正、傾斜補(bǔ)償、垂直角類型(從水平起算,還是天頂距)等。2)定向:可分為直接定向和間接定向,其根本區(qū)別在于后視方

7、向是否有協(xié)作棱鏡以及定向過(guò)程中儀器是否進(jìn)行自動(dòng)照準(zhǔn)。直接定向指人為精確照準(zhǔn)目標(biāo)后,計(jì)算機(jī)提供定向方向的方位角,儀器直接置盤,適用于定向點(diǎn)距離較近情形;間接定向則只需將儀器大略對(duì)準(zhǔn)定向點(diǎn)棱鏡,計(jì)算機(jī)向儀器發(fā)送自動(dòng)照準(zhǔn)指令,并在儀器精確照準(zhǔn)后提供定向的方位角,儀器置盤,該方式適用于定向目標(biāo)較遠(yuǎn)或氣象條件較差無(wú)法人為精確照準(zhǔn)的情形。3)目標(biāo)點(diǎn)學(xué)習(xí):指測(cè)量機(jī)器人在完成定向后,人為照準(zhǔn)待測(cè)點(diǎn)并觀測(cè)獲取其坐標(biāo)方位的過(guò)程。具體流程為:瞄準(zhǔn)待測(cè)點(diǎn),計(jì)算機(jī)向儀器發(fā)送測(cè)量指令,測(cè)量機(jī)器人接收指令后對(duì)待測(cè)棱鏡目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并返回觀測(cè)值,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算并存儲(chǔ)該點(diǎn)方位。4)自動(dòng)測(cè)量:指計(jì)算機(jī)和測(cè)量機(jī)器人按事先設(shè)定的測(cè)

8、量方式和觀測(cè)周期對(duì)指定棱鏡目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的過(guò)程。具體流程為:計(jì)算機(jī)通過(guò)已有坐標(biāo)計(jì)算目標(biāo)棱鏡的方位(水平角和垂直角)并傳送給儀器,儀器旋轉(zhuǎn)至該方位;計(jì)算機(jī)發(fā)送自動(dòng)照準(zhǔn)指令,儀器嘗試精確照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡并返回自身狀態(tài);一旦精確照準(zhǔn)成功,計(jì)算機(jī)繼續(xù)發(fā)送測(cè)量指令,否則退出自動(dòng)測(cè)量或進(jìn)行下一點(diǎn)測(cè)量;儀器對(duì)目標(biāo)棱鏡完成測(cè)量并返回方位,計(jì)算機(jī)接收并存儲(chǔ)。如果是雙面測(cè)量,計(jì)算機(jī)需發(fā)送換面指令,測(cè)量機(jī)器人執(zhí)行指令并重復(fù)上述過(guò)程;否則退出自動(dòng)測(cè)量或進(jìn)行下一點(diǎn)測(cè)量。此外,考慮到實(shí)際作業(yè)中,可能遭遇原目標(biāo)棱鏡偏移較大或丟失等異常導(dǎo)致測(cè)量機(jī)器人無(wú)法正常作業(yè)的情況,需做如下考慮:當(dāng)目標(biāo)棱鏡方位與前次相比,變動(dòng)較大且超出儀

9、器自動(dòng)照準(zhǔn)范圍時(shí),測(cè)量失敗;為了能繼續(xù)獲取該棱鏡的方位就需要允許儀器進(jìn)行更大范圍的搜索,所以自動(dòng)搜索功能也是測(cè)量機(jī)器人的關(guān)鍵功能;對(duì)于監(jiān)測(cè)目標(biāo)不明顯且返回測(cè)距信號(hào)較弱情形,儀器的自動(dòng)照準(zhǔn)或自動(dòng)搜索過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),而自動(dòng)測(cè)量過(guò)程對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)往往有時(shí)間限制,因此,為了保證自動(dòng)測(cè)量過(guò)程能高效有序進(jìn)行,測(cè)量機(jī)器人還應(yīng)有可以終止當(dāng)前操作的中止操作功能;考慮到測(cè)量機(jī)器人的作業(yè)效率,采用事件激發(fā)方式安排指令的發(fā)送次序和時(shí)機(jī),即計(jì)算機(jī)在發(fā)送指令過(guò)程中考慮測(cè)量機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài),根據(jù)儀器的不同狀態(tài)發(fā)送相應(yīng)指令,增強(qiáng)指令的可執(zhí)行性。可見(jiàn)儀器狀態(tài)查詢也是測(cè)量機(jī)器人不可或缺的功能。從軟件開發(fā)的角度將測(cè)量機(jī)器人抽象定

10、義為擁有棱鏡常數(shù)、測(cè)量模式、氣象改正、傾斜補(bǔ)償、垂直角類型、距離單位、角度單位等屬性和參數(shù)設(shè)置、水平置盤、自動(dòng)照準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)、換面、觀測(cè)、參數(shù)讀取、自動(dòng)搜索、終止操作、儀器狀態(tài)查詢等功能,能完成儀器初始化、定向、目標(biāo)學(xué)習(xí)、自動(dòng)測(cè)量、測(cè)量終止和棱鏡搜索等任務(wù)的行為實(shí)體。抽象為如下測(cè)量機(jī)器人通用類:Public Class測(cè)量機(jī)器人/成員變量Private:棱鏡常數(shù);測(cè)量模式;氣象改正;傾斜補(bǔ)償;垂直角類型;距離單位;角度單位;/成員函數(shù)Private: /私有成員函數(shù)參數(shù)設(shè)置();水平置盤();自動(dòng)照準(zhǔn)();旋轉(zhuǎn)();換面();觀測(cè)();參數(shù)讀取();自動(dòng)搜索();終止操作();儀器狀態(tài)查詢();P

11、ublic: /公有成員函數(shù)儀器初始化();定向();目標(biāo)學(xué)習(xí)();自動(dòng)測(cè)量();測(cè)量終止();棱鏡搜索();從上述類定義中,儀器參數(shù)和基本功能單元都以私有形式存在,即在程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中不允許其他外部過(guò)程調(diào)用;而儀器初始化、定向、目標(biāo)學(xué)習(xí)和自動(dòng)測(cè)量等自動(dòng)化操作任務(wù)則以公有形式定義,是儀器自動(dòng)化作業(yè)的主要實(shí)現(xiàn)形式。這些自動(dòng)化操作任務(wù)由測(cè)量機(jī)器人的基本功能單元以積木式組裝方式實(shí)現(xiàn),下面分別以流程圖方式,給出定向、目標(biāo)學(xué)習(xí)和自動(dòng)測(cè)量的組裝形式。3目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)的直接任務(wù)是通過(guò)獲取觀測(cè)變形體內(nèi)的關(guān)鍵部位或所布設(shè)的監(jiān)測(cè)標(biāo)志,獲取變形體的方位變化。而在常規(guī)測(cè)量中方位主要表現(xiàn)為坐標(biāo)。而坐標(biāo)又

12、是測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)中自動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)的依據(jù)。由此可知,坐標(biāo)既是條件也是結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)變形量的觀測(cè)、解算和分析,系統(tǒng)為每個(gè)目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置了基準(zhǔn)坐標(biāo)、參考坐標(biāo)、當(dāng)前坐標(biāo)和掃描坐標(biāo)6,具體定義如下:基準(zhǔn)坐標(biāo),指與各次觀測(cè)值進(jìn)行比較獲取變形量的基準(zhǔn)值;參考坐標(biāo),是各直接測(cè)量值向坐標(biāo)解算的依據(jù),如將全站儀的觀測(cè)值,斜距、水平角和垂直角,歸算到坐標(biāo)所用到的測(cè)站坐標(biāo);當(dāng)前坐標(biāo),即由目標(biāo)點(diǎn)的最新觀測(cè)值解算出的坐標(biāo)值;掃描坐標(biāo),用于計(jì)算目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前方位(垂直角和方位角);該類坐標(biāo)的設(shè)置主要是考慮到當(dāng)前坐標(biāo)的解算過(guò)程中進(jìn)行了氣象、兩差、距離等改正,由當(dāng)前坐標(biāo)解算的方位與測(cè)量機(jī)人實(shí)際需要指向的方位偏移。4

13、GTS901A實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)GTS901A是由拓普康公司生產(chǎn)的世界第一臺(tái)W inCE測(cè)量機(jī)器人,由新型超快速司服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)(80°/s),具備自動(dòng)照準(zhǔn)、自動(dòng)跟蹤等功能;目前已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)、精密軌道測(cè)量與監(jiān)測(cè)、自動(dòng)引導(dǎo)測(cè)量等領(lǐng)域。以GTS901A測(cè)量機(jī)器人為例,對(duì)測(cè)量機(jī)器人通用類實(shí)例化,構(gòu)建實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了保證該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高效性,做以下約定:考慮到GTS901A有多種測(cè)量模式,測(cè)角模式、測(cè)距模式和坐標(biāo)模式;除觀測(cè)功能單元在測(cè)距模式下進(jìn)行外,其他功能單元都在測(cè)角模式下完成;儀器端對(duì)觀測(cè)結(jié)果不做任何改正,所有解算均由計(jì)算機(jī)端完成。表1中列出了GTS901A測(cè)

14、量機(jī)器人對(duì)象的私有成員函數(shù)及其所涉及的指令7;其中,包括了測(cè)量模式切換功能單元。在VB和SQL Server 2000集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)GTS901A實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖6),實(shí)現(xiàn)了變形數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、解算、入庫(kù)和報(bào)警。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試,測(cè)試地點(diǎn):某露天礦工業(yè)廣場(chǎng)(空氣中多塵土),測(cè)試對(duì)象:棧橋支架和重要建筑物,自動(dòng)雙面測(cè)量,連續(xù)10個(gè)測(cè)回,具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。5結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)分析測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)化作業(yè)流程,定義了測(cè)量機(jī)器人通用類,從而將各不同儀器的指令封裝于對(duì)象中,用戶只需調(diào)用對(duì)象的成員函數(shù)便可指揮儀器完成相關(guān)操作,為測(cè)量機(jī)器人通用平臺(tái)的構(gòu)架提供了基礎(chǔ)。最后,以拓普康GTS901A為例

15、,對(duì)測(cè)量機(jī)器人通用類進(jìn)行實(shí)例化,開發(fā)了GTS901A實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并完成實(shí)地測(cè)試,具有一定的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1張冠宇,等·變形測(cè)量數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化技術(shù)比較J·海洋測(cè)繪, 2007·11, 27 (6)·2 James Lutes, Adam Chrzanowsk,i Geoffrey Bastin, etal·DIMONSSOFTWARE FOR AUTOMATIC DATACOLLECTION AND AUTOMATIC DEFORMATION A-NALYSIS C /The 10th FIG International Symposi

16、-um on DeformationMeasurements·2001: 101-109·3 Karl Sippel·MODERN MONITORING SYSTEM SOFT-WARE DEVELOPMENT C /California: Proceed-ings of the 10th FIG InternationalSymposium on Deform-ationMeasurements, 2001·4黃聲亨,尹暉,蔣征·變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理M·武漢:武漢大學(xué)出版社, 2004·5梅文勝,等·測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件研究J·武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版, 2002, 27 (2)·6倪