測量機器人遠程控制應用設計
2017-3-28 來源：合肥工業(yè)大學 作者：王盼 吳兆福 張懷亮
摘要: 利用 Leica 測量機器人的 Geo Com 接口，使用 C + + 二次開發(fā)可實現(xiàn)自動化觀測軟件，為重復、高頻次的變形觀測提供解決方案。輔以網(wǎng)絡通信模塊，實現(xiàn)對測量機器人的遠程控制，完成數(shù)據(jù)采集任務。通過對比分析利用軟件自動采集的坐標和人工直接采集的坐標，結果顯示數(shù)據(jù)結果穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)可實現(xiàn)測量內外業(yè)作業(yè)的一體化，大大提高傳統(tǒng)測量的效率，在生產實踐中有著重要意義。
關鍵詞: Geo Com; 自動化觀測; 網(wǎng)絡通信; 數(shù)據(jù)庫
0 引言
測量機器人可實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取和處理的自動化，也可實現(xiàn)測量過程的自動化 ( 即無人觀測) 。測量過程控制及其行為的智能化主要是指通過程序實現(xiàn)對自動化觀測儀器的智能化控制、管理，模擬人腦的思維方式判斷和處理測量過程中遇到的各種問題［1 ～3］。利用測量機器人開發(fā)遠程控制程序可以提供高效便捷的自動化測量，大大降低勞動強度。同時可以滿足內、外業(yè)一體化、規(guī)范化的作業(yè)要求。
本軟件以 Leica TS30 全站儀為基礎，在 Microsoft VisualStudio. NET2010 平臺上利用 C ++ 和 C #語言編寫服務器和用戶端程序，輔以網(wǎng)絡通信實現(xiàn)遠程控制。
1.系統(tǒng)開發(fā)平臺的搭建
遠程控制軟件使用的操作系統(tǒng)是 Windows 7，開發(fā)平臺是 Microsoft Visual Studio. NET 2010，開發(fā)語言為 C ++ 和 C#。遠程控制軟件與測量機器人之間的通信是通過服務器端進行的，利用 Leica 提供的 Geo Com 串行通信接口、C ++ 調用 Class Ge GeoCom. dll 類庫和 Geo Com 封裝函數(shù)來控制儀器進行自動測量、轉盤、倒鏡等工作。C#是一種簡單、現(xiàn)代、面向對象、類型非常安全、派生于 C 和 C ++ 的編程語言，它是專門為與. NET Framework 一起使用而設計的，對 . NET 特性的支持不僅是完整的，而且提供了比其他語言更合適的語法，而 . NET 具有平臺無關性和數(shù)據(jù)的高效訪問等優(yōu)點。所以利用 C#搭建控制中心平臺是較好的選擇，能夠滿足建立友好用戶界面和方便操作數(shù)據(jù)庫的要求。
2.系統(tǒng)設計
2. 1 系統(tǒng)總體設計
本系統(tǒng)使用的是 TS30 全自動全站儀，該儀器測角精度為 0. 5″，測距精度為 1mm + 1ppm × D ( D為所測距離) ，轉速為 180° /s，正倒鏡的轉換只需2. 9s，非常有利于進行自動化觀測測量［4］。機器人遠程控制系統(tǒng)由三部分組成: 測量機器人功能軟件、無線通訊模塊程序和控制中心軟件。本系統(tǒng)設計的基本結構如圖 1 所示。
圖 1 測量機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構
(1) 測量機器人功能軟件
這一部分主要是服務器端程序，包括遵照國家三角測量作業(yè)規(guī)范編寫的 “多測回自動觀測” 程序，具有自動照準目標、自動測角、自動測距及超限或目標丟失等異常情況的自動處理功能［5，6］。此外，可以根據(jù)不同的工程任務進行設置，也可以對軟件程序進行修改，得到滿足不同工況的軟件，從而使得測量效率大大提高。
(2) 無線通訊模塊
主要負責建立通訊鏈路，用來轉發(fā)指令或數(shù)據(jù)。在客戶端和服務器端 PC 程序都有編寫接收和發(fā)送的通訊模塊。服務器端收到控制中心指令后，解析出指令內容，然后轉發(fā)給測量機器人; 客戶端收到測量機器人數(shù)據(jù)后，按照約定的數(shù)據(jù)格式保存到數(shù)據(jù)庫。
(3) 控制中心模塊
這一部分程序是在客戶端程序進行編寫，主要實現(xiàn)發(fā)送開關機、觀測等控制指令、接收觀測狀態(tài)以及傳輸測量數(shù)據(jù)。該控制中心軟件還包含有 SQLServer 數(shù)據(jù)庫管理模塊和數(shù)據(jù)后處理平差模塊。通過Internet 接收到的無線數(shù)據(jù)包經(jīng)過 SQL Server 數(shù)據(jù)庫管理模塊直接自動輸入到 SQL Server 大型數(shù)據(jù)庫中。
2. 2 測量機器人功能軟件
Geo Com 按照功能可分為 12 個子系統(tǒng)功能函數(shù)，本系統(tǒng)主要利用其 COM、AUT 和 TMC 三個主要模塊進行功能軟件的開發(fā)［7，8］。調用 Geo Com 一般步驟為: 初始化→打開通訊端口→將望遠鏡照準指定方向→精密照準目標→執(zhí)行測距動作→獲取角度和距離的測量數(shù)據(jù)→清空測距結果→關閉通訊端口→退出 Geo COM。
2. 3 無線通訊模塊
由于 TS30 全站儀自身提供的 ＲS232 電纜線可用距離非常短 ( 1. 5m) ，無法滿足操作人員遠程控制和數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)囊螅?，10］。采用 Socket 類來實現(xiàn) C /S 模式下網(wǎng)絡程序的通信可以很好地解決遠程控制問題。根據(jù)連接啟動的方式以及本地套接字要連接的目標，套接字之間的連接過程可以分為三個步驟:
(1) 服務器監(jiān)聽: 指服務器端套接字并不定位具體的客戶端套接字，而是處于等待連接的狀態(tài)，實時監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)。
(2) 客戶端請求: 指由客戶端的套接字提出連接請求，要連接的目標是服務器端的套接字。為此，客戶端的套接字必須首先描述它要連接的服務器的套接字，指出服務器端套接字的地址和端口號，然后向服務器端套接字提出連接請求。
(3) 連接確認: 指當服務器端套接字監(jiān)聽到或者接收到客戶端套接字的連接請求時，響應客戶端套接字的請求，建立一個新的線程，把服務器端套接字的描述發(fā)給客戶端，一旦客戶端確認了此描述，就建立好連接。而服務器端套接字繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶端套接字的連接請求。
2. 4 控制中心模塊
2. 4. 1 數(shù)據(jù)庫的設計
開發(fā)本系統(tǒng)軟件總體任務之一就是建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，本次建立的數(shù)據(jù)庫分為數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)庫查詢兩個模塊。在數(shù)據(jù)庫管理模塊中建立用戶和測量數(shù)據(jù)的管理，在數(shù)據(jù)查詢模塊中設計點號查詢和日期查詢兩種查詢方式。本數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能如圖 2 所示。
圖 2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能示意圖
為了保證高質量、高效、便捷地完成測量任務，且測量成果滿足國家測量規(guī)范，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的測量數(shù)據(jù)庫管理模塊設計有盤左測量數(shù)據(jù)存儲表dbo. LANGLE 和盤右測量數(shù)據(jù)存儲表 dbo. ＲANGLE。其中表 ＲANGLE 結構如表 1 所示。從表 1 中可以看出，該表的設計有利于測量數(shù)據(jù)的實時存儲。
表 1 ＲANGLE 表結構
2. 4. 2 C#開發(fā)模擬測量狀態(tài)動畫
為了使用戶更加方便地操控儀器，本軟件設計四個快捷鍵 “W”、“A”、 “S”、 “D”來控制儀器向上、左、下、右勻速轉動，進行目標照準范圍的選取。 當鍵盤上相應的字符被按下，則觸發(fā)Keydown 事件，客戶端向服務器發(fā)出打開激光和全站儀轉動指令。當按鍵被松開，則觸發(fā) Keyup 事件，發(fā)出關閉激光和全站儀停止轉動指令。圖 3 為方向控制鍵代碼。
圖 3 方向控制鍵部分代碼
模擬測量狀態(tài)的動畫界面是利用 C#雙緩存技術開發(fā)的。通過學習測量將所有的監(jiān)測點按實際的方位模擬顯示在軟件上。在多測回測角狀態(tài)，軟件會根據(jù)現(xiàn)場照準點的情況，模擬測量動畫。在鼠標點擊相應圖標時，程序會計算出焦點與圖標的距離關系，判斷選中的目標點號并觸發(fā)測量事件，即實現(xiàn) “任意測量”的功能。 “任意測量”功能的關鍵代碼見圖 ，功能測量界面見圖 5，視圖模擬測量如圖 6 所示。
圖 4 任意測量功能代碼
圖 5 功能測量界面
圖 6 視圖模擬測量
3.系統(tǒng)應用
在完成測量機器人遠程控制系統(tǒng)后，為了驗證該系統(tǒng)的實用性和穩(wěn)定性，對軟件進行了實際應用。在合肥市地鐵 2 號線某基坑變形監(jiān)測的現(xiàn)場辦公室安裝上客戶端軟件，并通過 WIFI 連接上互聯(lián)網(wǎng)，在 WIFI 所能覆蓋的現(xiàn)場強制對中測墩 A 上安置 TS30 全站儀，并與服務器端 PC 連接，服務器端PC 也連接互聯(lián)網(wǎng)。在離測站 A50-150m 距離范圍內布置 6 個 Leica 圓棱鏡作為監(jiān)測目標。首次連接時，在客戶端先設置服務器的 IP 和端口號，連接成功后，控制儀器轉動，自由設站后進行學習測量。之后進入多測回測角設置，設置觀測測回數(shù)為 2，觀測周期為 8，點擊記憶測量進行多測回角觀測。從觀測結果來看，Leica TS30 自動目標識別的情況良好，測量精度較高。
將數(shù)據(jù)庫的觀測數(shù)據(jù)導出后，利用平差軟件對數(shù)據(jù)進行平差解算，并以第一周期數(shù)據(jù)為基礎進行變形分析，得出各個點的變形情況，其中監(jiān)測點 1的后 7 個周期人工觀測與用軟件進行自動觀測的變形量對比如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，人工觀測和自動觀測有一定的誤差，但變形量都為正數(shù)，說明反映的變形趨勢一致，且這種誤差是由觀測的隨機誤差造成的，誤差最大處僅為 0. 2mm，說明變化量也相當，自動觀測可以達到替代人工觀測的精度要求。
圖 7 人工觀測變化量與自動觀測變化量對比圖
4.結束語
本軟件通過網(wǎng)絡通信實現(xiàn)了遠程控制測量，體現(xiàn)出了測量內外業(yè)的一體化和數(shù)據(jù)獲取及處理的自動化。利用遠程控制系統(tǒng)進行變形監(jiān)測可大大降低勞動強度，提高作業(yè)效率。特別適合小型基坑的長期監(jiān)測。在此基礎上，可研究用安卓系統(tǒng)的手機等微型終端連接儀器作為服務器，使得測量更加智能化。
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