基于PDA的測量機(jī)器人自動(dòng)化多測回測角軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武漢大學(xué)測繪學(xué)院 胡 波

徠卡測量系統(tǒng)貿(mào)易(北京)有限公司 葉 威

精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 朱勇超 童 魁

一、引 言

隨著測繪技術(shù)的進(jìn)步及測量機(jī)器人的出現(xiàn)，高精度測量機(jī)器人廣泛應(yīng)用于控制網(wǎng)觀測與變形監(jiān)測工作中。多測回測角軟件是建立高等級(jí)三角網(wǎng)、導(dǎo)線(網(wǎng))及大型構(gòu)筑物和建筑物形變監(jiān)測網(wǎng)時(shí)的主要觀測手段。這些觀測具有觀測目標(biāo)多、測回?cái)?shù)多、精度要求高等特點(diǎn)，人工觀測費(fèi)時(shí)費(fèi)力，作業(yè)效率難以提高，因此基于測量機(jī)器人開發(fā)多測回測角程序可以提供高效、便捷的自動(dòng)化測量，大大提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)可以滿足內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)一體化、規(guī)范化的作業(yè)要求?；跍y量機(jī)器人的程序開發(fā)主要有PDA程序設(shè)計(jì)和機(jī)載程序設(shè)計(jì)兩種模式。但是機(jī)載程序通用性差，為了適應(yīng)多種測量機(jī)器人的應(yīng)用需求，筆者以徠卡TS30/TM30系列全站儀為基礎(chǔ)，在 Microsoft Visual Studio.NET2008和.NET Compact Framework平臺(tái)上利用C#語言在PDA上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化多測回測角軟件。PDA與全站儀通過藍(lán)牙或數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，控制儀器進(jìn)行自動(dòng)化測量。

二、系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)搭建

PDA使用的操作系統(tǒng)是 Windows Mobile 5.0，開發(fā)平臺(tái)是 Microsoft Visual Studio.NET 2008和.NET Compact Framework，開發(fā)語言為C#?；赑DA的多測回測角軟件與測量機(jī)器人之間的通信是通過.NET Compact Framework提供的通用類 Serial Port中串口通信的API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。在開發(fā)過程中，調(diào)用ClassGeGeoCom.dll類庫，利用GeoCOM 指令來控制儀器進(jìn)行自動(dòng)測量、轉(zhuǎn)盤、倒鏡等工作。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

為了保證高質(zhì)量、高效、便捷地完成測量任務(wù)，且測量成果滿足國家測量規(guī)范，系統(tǒng)必須具有良好的性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為需求分析、功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，其總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.需求分析

首先要求利用該系統(tǒng)能夠進(jìn)行高等級(jí)的控制網(wǎng)及高精度的變形監(jiān)測網(wǎng)測量;其次要求數(shù)據(jù)采集程序能夠?qū)崟r(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和記錄，控制數(shù)據(jù)質(zhì)量;最后從系統(tǒng)開發(fā)的角度考慮，該系統(tǒng)必須具有良好的用戶接口，能夠方便地進(jìn)行移植，當(dāng)用戶進(jìn)行不當(dāng)操作時(shí)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行錯(cuò)誤處理，給予提示或警告，且不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1)系統(tǒng)主界面。Leica TS30/TM 30手持?jǐn)?shù)據(jù)采集終端如圖2所示。

2)項(xiàng)目。包含新建項(xiàng)目、打開項(xiàng)目、刪除項(xiàng)目等功能。

3)配置。包括串口設(shè)置和限差設(shè)置兩個(gè)部分。串口設(shè)置參數(shù)有儀器類型、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、檢校位;限差設(shè)置參數(shù)有水平角讀數(shù)互差、歸零差、2C互差、測回互差，豎直角讀數(shù)互差、指標(biāo)差、測回互差，距離讀數(shù)互差、測回互差。串口設(shè)置如圖3所示，限差設(shè)置如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)主界面

圖3 串口設(shè)置

圖4 限差設(shè)置

4)測量。包括學(xué)習(xí)測量和自動(dòng)測量兩個(gè)單元。學(xué)習(xí)測量是初始測量，首先設(shè)置測站信息，包括測站名稱、測站高、測回?cái)?shù)、度盤置零;然后對目標(biāo)點(diǎn)按照順時(shí)針方向依次觀測，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)測量一次，完成所有目標(biāo)點(diǎn)測量后，保存測站信息和目標(biāo)點(diǎn)信息到數(shù)據(jù)庫，如圖5所示。學(xué)習(xí)測量完成后開始自動(dòng)測量，自動(dòng)測量模塊會(huì)按照設(shè)定的測回?cái)?shù)對目標(biāo)點(diǎn)觀測，在觀測的同時(shí)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，如果數(shù)據(jù)檢核未通過，程序會(huì)自動(dòng)對超限測回或超限測點(diǎn)進(jìn)行修測，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，如圖6所示。

圖5 學(xué)習(xí)測量

圖6 自動(dòng)測量

5)數(shù)據(jù)。該功能實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)出。為了實(shí)現(xiàn)觀測和數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化，筆者設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊，通過該模塊可以將原始觀測值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多種數(shù)據(jù)后處理軟件的數(shù)據(jù)格式。本系統(tǒng)主要是將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為科傻(COSA)和 GNPS軟件格式，科傻(COSA)和GNPS軟件都能對數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，對多期觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行變形監(jiān)測分析。

6)幫助。主要包括多測回測角軟件的幫助文檔、軟件注冊和軟件研制相關(guān)的信息。

3.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用SQlite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與釋放。項(xiàng)目數(shù)據(jù)管理包括對項(xiàng)目信息的存儲(chǔ)與修改，在本系統(tǒng)中主要分為項(xiàng)目列表文件和項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫文件兩部分。項(xiàng)目列表文件存儲(chǔ)所有項(xiàng)目的基本信息，以便對項(xiàng)目進(jìn)行打開、刪除等操作;項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫文件設(shè)有4個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)表，分別是串口設(shè)置、限差設(shè)置、學(xué)習(xí)測量和自動(dòng)測量數(shù)據(jù)表，通過對數(shù)據(jù)庫內(nèi)表的操作來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取與存儲(chǔ)，穩(wěn)定高效。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)了多測回測角系統(tǒng)后，為了驗(yàn)證該軟件系統(tǒng)的實(shí)用性，筆者對軟件進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)用徠卡TS30全站儀，在已有試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了變形監(jiān)測的觀測試驗(yàn)。筆者選定在強(qiáng)制對中樁3A處安置儀器，設(shè)為測站A，離測站A約300～500 m距離范圍的滑坡體上安置了6個(gè)圓棱鏡作為監(jiān)測目標(biāo)，進(jìn)行了為期1 d共20個(gè)周期的觀測，每期觀測8個(gè)測回。從試驗(yàn)結(jié)果來看，徠卡TS30自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別情況良好，測量精度較高。筆者用GNPS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行了平差解算和變形分析，以第一周期測量數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)進(jìn)行分析，得出了各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的變形情況，其中監(jiān)測點(diǎn)1后19個(gè)周期變形量如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)1變形曲線

五、結(jié)束語

運(yùn)用多測回測角軟件進(jìn)行三角網(wǎng)測量、導(dǎo)線測量及變形監(jiān)測能夠大大提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。多測回測角軟件具有高質(zhì)量、高效、全自動(dòng)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、操作簡單等特點(diǎn)，特別適用于小區(qū)域多目標(biāo)點(diǎn)的長期監(jiān)測和三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)控制測量。運(yùn)用該軟件可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無人值守的形變監(jiān)測和網(wǎng)觀測與數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)