計算機軟件論文基于GTS901A的測量機器人變形監(jiān)測自動化軟件的開發(fā)

1、計算機軟件論文:基于GTS901A的測量機器人變形監(jiān)測自動化軟件的開發(fā)【摘要】本文簡要介紹了國內(nèi)外知名的自動化監(jiān)測系統(tǒng)和測量機器人產(chǎn)品,闡述了測量機器人在當代變形自動化監(jiān)測中的重要性。通過分析測量機器人的自動化作業(yè)流程,定義了測量機器人通用類,并且對測量機器人自動化監(jiān)測軟件開發(fā)過程中所涉及的不同坐標類型進行了介紹;最后以拓普康公司的GTS901A測量機器人為例,實例化測量機器人通用類,獲取GTS901A測量機器人對象,開發(fā)了GTS901A變形監(jiān)測自動化軟件(GROMA,GeoRobotOnlineAutomatic DeformationMonitoring software),并完成現(xiàn)場測試

2、。【關(guān)鍵詞】變形監(jiān)測;測量機器人;1引言測量機器人是一種能代替人進行自動搜索、識別、跟蹤和精準照準目標并獲取角度、距離等信息的智能型電子全站儀1。研究開發(fā)測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)已成為變形監(jiān)測領(lǐng)域的國際熱點研究問題,并產(chǎn)生了一批軟件產(chǎn)品,比較知名的有DIMONS位移監(jiān)測系統(tǒng)2、GeoMoS自動形變監(jiān)測系統(tǒng)3、武漢大學測繪學院的Geo_ ADMOS等。以DIMONS為例,由新布朗士威(New Brunswick)大學研制并在2001年對美國加州南部谷湖區(qū)水庫(Diamond ValleyLake)的監(jiān)測項目中得以應用;該項目采用8個永久性RTS和218個棱鏡構(gòu)建了地面自動監(jiān)測系統(tǒng)4,通過DIMO

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

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化監(jiān)測程序。本文通過對測量機器人自動化作業(yè)流程的分析,抽象和定義了測量機器人通用類;然后,針對開發(fā)過程中需關(guān)注的目標坐標更新問題進行了重點闡述。最后,以拓普康公司GTS901A測量機器人為例,對測量機器人通用類實例化,獲取GTS901A測量機器人對象,開發(fā)自動化監(jiān)測軟件GRODM并完成了實地測試。2變形監(jiān)測與測量機器人變形監(jiān)測是對變形體進行重復測量以確定變形體形變狀態(tài)和空間位置隨時間的變化特征,并利用觀測結(jié)果研究變形規(guī)律,以達到監(jiān)測變形體安全狀態(tài)、保證工程和的安全。隨著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,遠程實時性和自動化已經(jīng)成為當代變形監(jiān)測的重要

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

6、據(jù)交互完成,通信過程如圖1所示。它們分別扮演客戶機與服務(wù)器的角色5;計算機向測量機器人發(fā)送一個請求(Request,操作指令),測量機器人就向計算機返回一個應答(Reply,當前狀態(tài)或觀測數(shù)據(jù))。通過分析(Geo-MoS和Trimble 4DControl等自動化監(jiān)測系統(tǒng),總結(jié)出測量機器人自動化作業(yè)流程的通信過程,具體如下: 1)儀器初始化:指計算機向測量機器人發(fā)送參數(shù)信息的過程。計算機控制系統(tǒng)與測量機器人基本參數(shù)一致是測量機器人觀測數(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)作棱鏡以及定向過程中儀器是否進行自動照準。直接定向指人為精確照準目標后,計算機提供定向方向的方位角,儀器直接置盤,適用于定向點距離較近情形;間接定向則只需將儀器大略對準定向點棱鏡,計算機向儀器發(fā)送自動照準指令,并在儀器精確照準后提供定向的方位角,儀器置盤,該方式適用于定向目標較遠或氣象條件較差無法人為精確照準的情形。3)目標點學習:指測量機器人在完成定向后,人為照準待測點并觀測獲取其坐標方位的過程。具體流程為:瞄準待測點,計算機向儀器發(fā)送測量指令,測量機器人接收指令后對待測棱鏡目標點進行測量并返回觀測值,由計算機進行解算并存儲該點方位。4)自動測量:指計算機和測量機器人按事先設(shè)定的測

8、量方式和觀測周期對指定棱鏡目標點進行自動測量的過程。具體流程為:計算機通過已有坐標計算目標棱鏡的方位(水平角和垂直角)并傳送給儀器,儀器旋轉(zhuǎn)至該方位;計算機發(fā)送自動照準指令,儀器嘗試精確照準目標棱鏡并返回自身狀態(tài);一旦精確照準成功,計算機繼續(xù)發(fā)送測量指令,否則退出自動測量或進行下一點測量;儀器對目標棱鏡完成測量并返回方位,計算機接收并存儲。如果是雙面測量,計算機需發(fā)送換面指令,測量機器人執(zhí)行指令并重復上述過程;否則退出自動測量或進行下一點測量。此外,考慮到實際作業(yè)中,可能遭遇原目標棱鏡偏移較大或丟失等異常導致測量機器人無法正常作業(yè)的情況,需做如下考慮:當目標棱鏡方位與前次相比,變動較大且超出儀

9、器自動照準范圍時,測量失敗;為了能繼續(xù)獲取該棱鏡的方位就需要允許儀器進行更大范圍的搜索,所以自動搜索功能也是測量機器人的關(guān)鍵功能;對于監(jiān)測目標不明顯且返回測距信號較弱情形,儀器的自動照準或自動搜索過程持續(xù)時間較長,而自動測量過程對每個監(jiān)測目標往往有時間限制,因此,為了保證自動測量過程能高效有序進行,測量機器人還應有可以終止當前操作的中止操作功能;考慮到測量機器人的作業(yè)效率,采用事件激發(fā)方式安排指令的發(fā)送次序和時機,即計算機在發(fā)送指令過程中考慮測量機器人的當前狀態(tài),根據(jù)儀器的不同狀態(tài)發(fā)送相應指令,增強指令的可執(zhí)行性?？梢妰x器狀態(tài)查詢也是測量機器人不可或缺的功能。從軟件開發(fā)的角度將測量機器人抽象定

10、義為擁有棱鏡常數(shù)、測量模式、氣象改正、傾斜補償、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、自動照準、旋轉(zhuǎn)、換面、觀測、參數(shù)讀取、自動搜索、終止操作、儀器狀態(tài)查詢等功能,能完成儀器初始化、定向、目標學習、自動測量、測量終止和棱鏡搜索等任務(wù)的行為實體。抽象為如下測量機器人通用類:Public Class測量機器人/成員變量Private:棱鏡常數(shù);測量模式;氣象改正;傾斜補償;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();自動照準();旋轉(zhuǎn)();換面();觀測();參數(shù)讀取();自動搜索();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();目標學習();自動測量();測量終止();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)過程中不允許其他外部過程調(diào)用;而儀器初始化、定向、目標學習和自動測量等自動化操作任務(wù)則以公有形式定義,是儀器自動化作業(yè)的主要實現(xiàn)形式。這些自動化操作任務(wù)由測量機器人的基本功能單元以積木式組裝方式實現(xiàn),下面分別以流程圖方式,給出定向、目標學習和自動測量的組裝形式。3目標監(jiān)測點坐標測量機器人變形監(jiān)測的直接任務(wù)是通過獲取觀測變形體內(nèi)的關(guān)鍵部位或所布設(shè)的監(jiān)測標志,獲取變形體的方位變化。而在常規(guī)測量中方位主要表現(xiàn)為坐標。而坐標又

12、是測量機器人自動化作業(yè)中自動照準目標的依據(jù)。由此可知,坐標既是條件也是結(jié)果。為了實現(xiàn)對目標點變形量的觀測、解算和分析,系統(tǒng)為每個目標監(jiān)測點設(shè)置了基準坐標、參考坐標、當前坐標和掃描坐標6,具體定義如下:基準坐標,指與各次觀測值進行比較獲取變形量的基準值;參考坐標,是各直接測量值向坐標解算的依據(jù),如將全站儀的觀測值,斜距、水平角和垂直角,歸算到坐標所用到的測站坐標;當前坐標,即由目標點的最新觀測值解算出的坐標值;掃描坐標,用于計算目標監(jiān)測點當前方位(垂直角和方位角);該類坐標的設(shè)置主要是考慮到當前坐標的解算過程中進行了氣象、兩差、距離等改正,由當前坐標解算的方位與測量機人實際需要指向的方位偏移。4

13、GTS901A實時自動化監(jiān)測軟件實現(xiàn)GTS901A是由拓普康公司生產(chǎn)的世界第一臺W inCE測量機器人,由新型超快速司服馬達驅(qū)動(80°/s),具備自動照準、自動跟蹤等功能;目前已被廣泛應用于自動變形監(jiān)測、精密軌道測量與監(jiān)測、自動引導測量等領(lǐng)域。以GTS901A測量機器人為例,對測量機器人通用類實例化,構(gòu)建實時自動化監(jiān)測系統(tǒng)。為了保證該自動化監(jiān)測系統(tǒng)的高效性,做以下約定:考慮到GTS901A有多種測量模式,測角模式、測距模式和坐標模式;除觀測功能單元在測距模式下進行外,其他功能單元都在測角模式下完成;儀器端對觀測結(jié)果不做任何改正,所有解算均由計算機端完成。表1中列出了GTS901A測

14、量機器人對象的私有成員函數(shù)及其所涉及的指令7;其中,包括了測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實時自動化監(jiān)測系統(tǒng)(見圖6),實現(xiàn)了變形數(shù)據(jù)的自動采集、解算、入庫和報警。對系統(tǒng)進行實地測試,測試地點:某露天礦工業(yè)廣場(空氣中多塵土),測試對象:棧橋支架和重要建筑物,自動雙面測量,連續(xù)10個測回,具體測試結(jié)果見表2。5結(jié)束語本文通過分析測量機器人的自動化作業(yè)流程,定義了測量機器人通用類,從而將各不同儀器的指令封裝于對象中,用戶只需調(diào)用對象的成員函數(shù)便可指揮儀器完成相關(guān)操作,為測量機器人通用平臺的構(gòu)架提供了基礎(chǔ)。最后,以拓普康GTS901A為例

15、,對測量機器人通用類進行實例化,開發(fā)了GTS901A實時自動化監(jiān)測系統(tǒng)并完成實地測試,具有一定的實用價值。參考文獻1張冠宇,等·變形測量數(shù)據(jù)采集自動化技術(shù)比較J·海洋測繪, 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)測數(shù)據(jù)處理M·武漢:武漢大學出版社, 2004·5梅文勝,等·測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件研究J·武漢大學學報·信息科學版, 2002, 27 (2)·6倪