測繪(2)班209101819 李

1、南 昌 工 程 學 院畢 業(yè) 設 計 (論 文)水利與生態(tài)工程 系（院） 測繪工程 專業(yè)畢業(yè)設計（論文）題目: 便攜式遙控量船軟件系統(tǒng)的實現 學生姓名 李順浩 班 級 09測繪（2）班學 號 2009101819 指導教師 周航宇 完成日期 2013 年 5 月 15日第一章 水下測量原因 1.1選題背景及研究意義 進入21世紀，人類面臨許多嚴峻的問題；：人口膨脹，資源短缺，環(huán)境污染等，在陸地資源告急的情況下，各國紛紛將眼光投到了水下。因此，憑借獨到的海洋技術最大限度可持續(xù)地開發(fā)利用水下資源，將是每個國家必須重視的戰(zhàn)略性問題。同時在江河湖海上建設發(fā)電站，其能源是環(huán)保的，并具有抗洪，抗旱等多種功

2、能。還有整治，管理航道，確保水運暢通的作用，也是關乎民生的大事。 所以說，水下測量技術的開發(fā)與提升迫在眉睫1.2 水下測量的背景 隨著國民經濟的發(fā)展，水下地形測量日益顯露出其重要性。尤其在現代施工設計和規(guī)劃中，更迫切需要解決水下地形測量的精確性和時勢性問題。由于現代水下測量方法配備設備比較多，加上需人員實地操作計算機，為保證人員和設備安全，一般都需配備載重較大的船，對于小面積水域和陡岸坎下的水下地形測量，有種鞭長莫及之感。對大面積水域，由于作業(yè)準備時間較長，也難以適應現代化水下測量高效、快速的特點。所以在常規(guī)的水下測量中，在船只無法進入的池塘或激流險灘，有單位甚至采用人員下水、拋乒乓球、依靠釣

3、魚桿浮標等古老的測量方法來估算水深，得到的數據不僅不準確，也增加了施測人員的危險性。1.3 傳統(tǒng)水下測量的方法 第二章 水下地形測量的原理和方法 2.1 水下測量的原理技術原理：GPS通過基站RTK或CORS RTK方式采集數據，測深儀同步采集水深，并將數據通過單片機傳遞給無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊通過無線網絡實時轉發(fā)至遙控點，遙控點收到數據信號后，快速解算定位坐標，并將實時顯示船只軌跡，實時計算速度和方向，將速度和方向與計劃線對比，得出偏移量，根據偏移量遙控調整舵機方向和船只速度，進而實現自動導航的目的。第三章 便攜式遙控測量船的設施系統(tǒng) 3.1便攜式遙控測量船近年來，隨著無線傳輸和自動導航

4、技術的發(fā)展，一種遙控測量船應運而生。國內外各大公司也相繼推出相應產品，在水域調查、航道測量、危險水域水下測量等相關領域進行了應用，取得了一定的經濟效益，但仍然難以解決便攜與功能需求的矛盾問題。遠距離遙控、遠距離無線傳輸、測量設備自重始終是制約便攜式遙控測量船發(fā)展的關鍵點。 要實現遠距離無線遙控傳輸，需加大發(fā)射功率，增加備用電池數量，這勢必會增加船體自重。目前，專業(yè)的GPS RTK超遠距離傳輸可達2050KM（實際作業(yè)情況大概在10KM左右），發(fā)射功率一般為25W，一般配備有40AH的電源，有10KG左右。船上耗電設備，包括測深儀、視頻傳輸系統(tǒng)、GPS RTK數據傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，系統(tǒng)耗電總量

5、近達100W，如果僅靠蓄電池供電，需要配備較龐大的蓄電池組，再加上動力系統(tǒng)，舵機控制系統(tǒng)，船載設備、遙控船自重，遙控船重量至少100KG，難以解決遙控船便攜的問題。為滿足測量船的功能需求，實現便攜的目的，需解決測量船自重與功能需求的矛盾問題。本項目擬通過設計一種簡單實用的發(fā)電機，有效減輕蓄電池自重問題；通過尋求一種集成式無線傳輸設備，有效解決遠距離遙控傳輸問題；通過單片機編程，解決舵機控制和無線遙控之間的接口問題，并且無需在船上加載計算機便可實現數據與岸上計算機的通訊，減輕遙控船自重，延長遙控船的使用壽命；通過設計帶有平衡翼裝置的遙控船，解決遙控船平衡和太輕巧難以抵抗風浪的難題；通過尋求便攜式

6、汽油機，最大限度的減輕船的自重。通過以上方式，有效地解決便攜式遙控測量船自重和功能需求之間的矛盾問題。依照以上解決方案設計制造的遙控測量船船長1.21.5米，寬0.60.8米，可放入汽車后艙，實現便攜的目的。便攜式遙控測量船小巧靈活，便于運輸；在靠近陡岸的水下測量中，遙控測量船可以靠近岸邊行駛，可為拋石等施工設計提供準確的水下地形圖；在激流險灘，無需測量人員在水上工作，可以保證施測人員安全。在一般水域和河流的水下地形測量，能克服大型船只無法靠岸測量或在小型池塘湖泊中沒有船只，難以進行水下測量的缺點。本項目通過研制便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)，不僅成功解決以上問題，實現遙控測量船便攜的目的，

7、且能實現對遙控測量船的超遠距離自動導航、水下地形測量自動化采集等目標，將真正實現水下測量的現代化。 便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)的研制將填補小型水庫、枯水期淺水道測量、亂水區(qū)大比例航道測量、狹窄水域整治、工程施工中填挖方計算工程測量中自動化水深采集的空白；徹底解決危險水域水下測量、用急區(qū)域水下測量的危險和難題；提升施工測量水下自動化采集的能力，減輕職工勞動強度，降低維護成本，對未來水下測量將產生深遠的影響。 便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)將當前的無線遙控設備、GPS RTK、測深儀、計算機、單片機等各種儀器組合在一起，并整合當前GPS RTK技術、測深技術、無線遙控技術、單片機技術、無線

8、傳輸技術，能夠按預設航線實現便攜式遙控測量船的自動導航和水下測量。 便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)包括船體、推進系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、數字數據采集系統(tǒng)、數字數據傳輸系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視頻傳輸系統(tǒng)（模擬）八大系統(tǒng)。其中船體包括船體設計、船體制造；推進系統(tǒng)包括汽油機（主動力）、電動機（副動力）、主副動力的切換裝置；發(fā)電系統(tǒng)包括動力傳入、發(fā)電機、蓄電池；數字數據采集系統(tǒng)包括GPS定位數據采集、測深采集、各種警報感應器的監(jiān)測；導航系統(tǒng)分為接收數據、快速解算、計算偏移、發(fā)出指令等；控制系統(tǒng)包括舵控制、油門控制、汽油機重啟、電動機控制；視頻傳輸系統(tǒng)分為攝像裝置、無線傳輸、遙控點實時顯示。3.2便攜式遙

9、控遙控測量船的設施系統(tǒng)3.3主要技術關鍵 （1）對遙控船的電動力，機械動力雙控制；當汽油機不工作或出現故障時，對其進行有效檢測，啟動報警裝置，并能夠實現汽油機動力與電力驅動的有效切換，發(fā)出安全自動返航指令。（2）發(fā)電系統(tǒng)的研制由于現在先進的汽油發(fā)電機，一般700W功率的大多有2030KG，要求設計的船用發(fā)電機輸出功率在100W200W，重量控制在45KG左右。（3）自動導航軟件的實現由于存在遠程無線傳輸問題，所以自動導航軟件包括遠程無線接收數據、快速解算、實時處理、遠程控制幾個環(huán)節(jié)。存在硬件與軟件的協(xié)調統(tǒng)一，有一定難度和創(chuàng)新。（4）平衡翼的設計設計一種船體平衡翼，在有效降低船體自重的同時，能增

10、強遙控船抗風浪能力。（5）遠程無線指令傳輸和單片機對舵機的有效控制單片機控制舵機是老生長談的問題，但通過無線指令控制單片機操控舵機卻是一個值得探討的問題，應解決無線指令傳輸與8051單片機的串口匹配問題，解決8051單片機實時控制舵機的問題。 （6）GPS數據快速解算快速解算是自動導航的前提，要實時操控遙控船，嚴密的GPS 快速解算算法必不可少。3.4 軟件，硬件設施 本課題所研制的便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)包括船體、推進系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、數字數據采集系統(tǒng)、數字數據傳輸系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視頻傳輸系統(tǒng)（模擬）等八大系統(tǒng)。通過對以上8大系統(tǒng)的研制和開發(fā)，實現便攜式水域地形測量自動化采集

11、系統(tǒng)的整體功能。具體技術實施路線如下圖所示，主要研究方案如下： （1）船體 船體包括船體設計和船體制造。通過設計一種便攜式遙控測量船船長1.21.5米，寬0.60.8米，船上能承載水下測量設備和各種數據傳輸設備，且?guī)в蟹雷o措施和平衡翼。選用合適材料，按照設計圖紙，制作防水船體，能保證在風浪情況下，安全穩(wěn)定。實驗船可采用0.001米即1毫米的不銹鋼制作，如果設計高度以0.4米計算，可知最小負載為1.2*0.6*0.4*1000=288KG，船上設備加船重設計為50KG。為此，可考慮將船體分為設計平衡的獨立的23部分，即使一個船艙破漏，船體仍不至于沉沒。為使船體不超過50KG，船載設備主要分配控制

12、重量如下：汽油機不大于6KG，蓄電池不大于8KG，電動機2個不大于3KG，船體自重不大于15KG、發(fā)電機不大于3KG、測深儀不大于8KG、GPS儀器不大于2KG，船載汽油3KG，其他設備控制總重量在1.52KG，總質量控制在50KG之內。（2）推進系統(tǒng)（3）發(fā)電系統(tǒng) 發(fā)電系統(tǒng)由汽油機、發(fā)電機、蓄電池組成。通過汽油機傳動的動力源進行發(fā)電，發(fā)電機滿足輸出功率150W200W的能力，以滿足船上所有用電設備的實際需要。（4）數字數據采集系統(tǒng) 數字數據采集系統(tǒng)包括GPS采集、測深采集、溫度警報采集（單片機掃描監(jiān)測）、濕度警報采集（單片機掃描監(jiān)測）。GPS采集和測深儀采集是目前很成熟的技術，GPS實時定位

13、采集精度可達厘米級，測深儀采集精度同樣可達厘米級，可滿足自動導航系統(tǒng)的需求。溫度警報可通過溫度感應器、濕度感應器與單片機管腳直接相連，當感應器檢測到溫度和濕度達到危險值時，感應器輸出高電平，單片機通過不斷檢測對應管腳來測試電平的輸入，實現警報采集的目的。（5） 數字數據傳輸系統(tǒng) 數字數據傳輸系統(tǒng)是該項目成敗的關鍵因素之一，它包括GPS數據傳輸、水深數據傳輸、信號數據傳輸。信號數據又分為：各種報警器向單片機2發(fā)射報警信號、單片機2向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令、單片機2向導航系統(tǒng)無線傳輸報警信號、導航系統(tǒng)向單片機2無線傳輸控制信號。由于單片機控制舵機的信號傳輸直接用線相連，可靠性很好，在此不再贅述。數字

14、數據傳輸系統(tǒng)最大的難點是要解決無線模塊傳輸距離的問題，本系統(tǒng)擬采用專門從事無線控制的君悅智控公司產品。（6）導航系統(tǒng) 導航系統(tǒng)包括接收GPS數據和測深數據；快速解算和匹配；根據船只實時位置和計劃線，實時計算偏移；發(fā)出相應控制命令。此部分由經驗豐富的河海大學承擔。（7）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括舵控制、油門控制、汽油機重啟控制、電動機控制等。該控制系統(tǒng)通過選用一款功能強大的增強型STC12C5A60S2單片機，再輔以基于Keil uVision4的軟件開發(fā)來實現。通過接收到的無線指令，通過分時復用定時器，用1個定時器來產生多路PWM的思想，在單片機內實現各種判斷和計算，實現單片機對多路舵機的控制。

15、（8）視頻傳輸系統(tǒng)： 視頻傳輸系統(tǒng)是一套單獨的傳輸系統(tǒng)，其主要目的是為遙控點實時監(jiān)測遙控測量船提供方便。它是一種模擬信號傳輸，具有海量數據量，要求具有較高的傳輸速率和較大的傳輸功率。 第4章 軟件的應用 4.1 C語言的介紹 C語言是一種計算機程序設計語言，它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它由美國貝爾研究所的D.M.Ritchie于1972年推出，1978年后，C語言已先后被移植到大、中、小及微型機上，它可以作為工作系統(tǒng)設計語言，編寫系統(tǒng)應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。它的應用范圍廣泛，具備很強的數據處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科

16、研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫，具體應用比如單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。 4.2 何為單片機單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備構成，相當于一個微型的計算機（最小系統(tǒng)），和計算機相比，單片機缺少了外圍設備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理

17、與結構的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領域。 由于單片機在工業(yè)控制領域的廣泛應用，單片機由僅有CPU的專用處理器芯片發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中?，F代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電子產品中都含有單片機。 汽車上一般配備40多片單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數百片單片機在同時工作！單片機的數量不僅遠超過PC機和其他計算機的總和，甚至比人類的數量還要多。4.3 單片機的實際作用 GPS通過基站

18、RTK或CORS RTK方式采集數據，測深儀同步采集水深，并將數據通過單片機傳遞給無線發(fā)射模塊。無線發(fā)射模塊通過無線網絡實時轉發(fā)至遙控點，遙控點收到數據信號后，快速解算定位坐標，并將實時顯示船只軌跡，實時計算速度和方向，將速度和方向與計劃線對比，得出偏移量，根據偏移量遙控調整舵機方向和船只速度，進而實現自動導航的目的。 4.4 vb程序的介紹 Visual Basic是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅動編程語言。從任何標準來說，VB都是世界上使用人數最多的語言不僅是盛贊VB的開發(fā)者還是抱怨VB的開發(fā)者的數量。它源自于BASIC編程語言。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用DAO、RDO、ADO連接數據庫，或者輕松的創(chuàng)建ActiveX控件。程序員可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個應用程序。 4.5 Vb編制控制程序在測量過程中的作用 是測量船的控制系統(tǒng)，其作用是控制船的前進或后退方向，使其避免發(fā)生危險或者更精準的進行測量。4.6軟件主界面4.7導航顯示4.8測量出的水底地形變化結束語通過對便攜式測量船的數據分析和了解，可以看出水下測量不再是難題，便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)的研制將填補