计算机软件论文基于GTS901A的测量机器人变形监测自动化软件的开发

计算机软件论文:基于GTS901A的测量机器人变形监测自动化软件的开发【摘要】本文简要介绍了国内外知名的自动化监测系统和测量机器人产品,阐述了测量机器人在当代变形自动化监测中的重要性。通过分析测量机器人的自动化作业流程,定义了测量机器人通用类,并且对测量机器人自动化监测软件开发过程中所涉及的不同坐标类型进行了介绍;最后以拓普康公司的GTS901A测量机器人为例,实例化测量机器人通用类,获取GTS901A测量机器人对象,开发了GTS901A变形监测自动化软件(GROMA,GeoRobotOnlineAutomaticDeformationMonitoringsoftware),并完成现场测试。【关键词】变形监测;测量机器人;1引言测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、识别、跟踪和精准照准目标并获取角度、距离等信息的智能型电子全站仪[1]。研究开发测量机器人自动化监测系统已成为变形监测领域的国际热点研究问题,并产生了一批软件产品,比较知名的有DIMONS位移监测系统[2]、GeoMoS自动形变监测系统[3]、武汉大学测绘学院的Geo_ADMOS等。以DIMONS为例,由新布朗士威(NewBrunswick)大学研制并在2001年对美国加州南部谷湖区水库(DiamondValleyLake)的监测项目中得以应用;该项目采用8个永久性RTS和218个棱镜构建了地面自动监测系统[4],通过DIMONS实现了的形变数据的自动采集与自动分析。随着自动化变形监测技术的不断发展和各大中型项目对测量机器人需求的增加,一些生产厂商也推出了相应的硬件软件产品,如:徕卡公司的TCA1800、TCA2003全站仪和GeoMoS监测软件,拓普康的GPT9000A、GTS900A系列全站仪与天宝公司的S6、S8测量机器人和Trimble4DControl监测软件等。尽管各产商针对各自产品研制了相应的自动化软件,但在具体项目中,这些软件系统的应用适应性普遍存在一些问题,如测量作业方法单一、环境适应性不高、缺乏专业化数据分析处理方法等,往往需要对已有的软件系统进行改进以更好满足需求。事实上测量机器人都提供了控制仪器操作的指令集或二次开发包,允许用户根据具体需求研制自己的自动化监测程序。本文通过对测量机器人自动化作业流程的分析,抽象和定义了测量机器人通用类;然后,针对开发过程中需关注的目标坐标更新问题进行了重点阐述。最后,以拓普康公司GTS901A测量机器人为例,对测量机器人通用类实例化,获取GTS901A测量机器人对象,开发自动化监测软件GRODM并完成了实地测试。2变形监测与测量机器人变形监测是对变形体进行重复测量以确定变形体形变状态和空间位置随时间的变化特征,并利用观测结果研究变形规律,以达到监测变形体安全状态、保证工程和的安全。随着监测技术的发展,远程实时性和自动化已经成为当代变形监测的重要部分,主要表现为变形信息的远程传输和自动采集上。数据传输可通过电缆、Modem、LAN、WAN、GSM或无线电等方式实现。而目前,较为常用的变形信息自动采集方式有GPS技术和测量机器人技术。GPS技术以其全天候、高精度和站间无需通视等作业特点被广泛应用于桥梁、大坝、高层建筑和大型露天矿区的变形监测;但对于监测目标密度较高的情况,GPS不适用。而测量机器人技术结合GPS正好弥补了这一不足,在满足通视的条件下可以按照需求增添监测目标。由此可见,测量机器人在现代变形监测中具有不可替代的地位。测量机器人是具备自动搜索、自动精确照准和读数功能的智能型电子全站仪,其自动化作业主要通过与计算机之间指令和数据交互完成,通信过程如图1所示。它们分别扮演客户机与服务器的角色[5];计算机向测量机器人发送一个请求(Request,操作指令),测量机器人就向计算机返回一个应答(Reply,当前状态或观测数据)。通过分析(Geo-MoS和Trimble4DControl等自动化监测系统,总结出测量机器人自动化作业流程的通信过程,具体如下:1)仪器初始化:指计算机向测量机器人发送参数信息的过程。计算机控制系统与测量机器人基本参数一致是测量机器人观测数据是否有效的保证。这些参数主要包括棱镜常数、气象改正、倾斜补偿、垂直角类型(从水平起算,还是天顶距)等。2)定向:可分为直接定向和间接定向,其根本区别在于后视方向是否有协作棱镜以及定向过程中仪器是否进行自动照准。直接定向指人为精确照准目标后,计算机提供定向方向的方位角,仪器直接置盘,适用于定向点距离较近情形;间接定向则只需将仪器大略对准定向点棱镜,计算机向仪器发送自动照准指令,并在仪器精确照准后提供定向的方位角,仪器置盘,该方式适用于定向目标较远或气象条件较差无法人为精确照准的情形。3)目标点学习:指测量机器人在完成定向后,人为照准待测点并观测获取其坐标方位的过程。具体流程为:瞄准待测点,计算机向仪器发送测量指令,测量机器人接收指令后对待测棱镜目标点进行测量并返回观测值,由计算机进行解算并存储该点方位。4)自动测量:指计算机和测量机器人按事先设定的测量方式和观测周期对指定棱镜目标点进行自动测量的过程。具体流程为:计算机通过已有坐标计算目标棱镜的方位(水平角和垂直角)并传送给仪器,仪器旋转至该方位;计算机发送自动照准指令,仪器尝试精确照准目标棱镜并返回自身状态;一旦精确照准成功,计算机继续发送测量指令,否则退出自动测量或进行下一点测量;仪器对目标棱镜完成测量并返回方位,计算机接收并存储。如果是双面测量,计算机需发送换面指令,测量机器人执行指令并重复上述过程;否则退出自动测量或进行下一点测量。此外,考虑到实际作业中,可能遭遇原目标棱镜偏移较大或丢失等异常导致测量机器人无法正常作业的情况,需做如下考虑:①当目标棱镜方位与前次相比,变动较大且超出仪器自动照准范围时,测量失败;为了能继续获取该棱镜的方位就需要允许仪器进行更大范围的搜索,所以自动搜索功能也是测量机器人的关键功能;②对于监测目标不明显且返回测距信号较弱情形,仪器的自动照准或自动搜索过程持续时间较长,而自动测量过程对每个监测目标往往有时间限制,因此,为了保证自动测量过程能高效有序进行,测量机器人还应有可以终止当前操作的中止操作功能;③考虑到测量机器人的作业效率,采用事件激发方式安排指令的发送次序和时机,即计算机在发送指令过程中考虑测量机器人的当前状态,根据仪器的不同状态发送相应指令,增强指令的可执行性。可见仪器状态查询也是测量机器人不可或缺的功能。从软件开发的角度将测量机器人抽象定义为拥有棱镜常数、测量模式、气象改正、倾斜补偿、垂直角类型、距离单位、角度单位等属性和参数设置、水平置盘、自动照准、旋转、换面、观测、参数读取、自动搜索、终止操作、仪器状态查询等功能,能完成仪器初始化、定向、目标学习、自动测量、测量终止和棱镜搜索等任务的行为实体。抽象为如下测量机器人通用类:PublicClass测量机器人{//成员变量Private:棱镜常数;测量模式;气象改正;倾斜补偿;垂直角类型;距离单位;角度单位;//成员函数Private://私有成员函数参数设置();水平置盘();自动照准();旋转();换面();观测();参数读取();自动搜索();终止操作();仪器状态查询();Public://公有成员函数仪器初始化();定向();目标学习();自动测量();测量终止();棱镜搜索();…}从上述类定义中,仪器参数和基本功能单元都以私有形式存在,即在程序实现过程中不允许其他外部过程调用;而仪器初始化、定向、目标学习和自动测量等自动化操作任务则以公有形式定义,是仪器自动化作业的主要实现形式。这些自动化操作任务由测量机器人的基本功能单元以积木式组装方式实现,下面分别以流程图方式,给出定向、目标学习和自动测量的组装形式。3目标监测点坐标测量机器人变形监测的直接任务是通过获取观测变形体内的关键部位或所布设的监测标志,获取变形体的方位变化。而在常规测量中方位主要表现为坐标。而坐标又是测量机器人自动化作业中自动照准目标的依据。由此可知,坐标既是条件也是结果。为了实现对目标点变形量的观测、解算和分析,系统为每个目标监测点设置了基准坐标、参考坐标、当前坐标和扫描坐标[6],具体定义如下:①基准坐标,指与各次观测值进行比较获取变形量的基准值;②参考坐标,是各直接测量值向坐标解算的依据,如将全站仪的观测值,斜距、水平角和垂直角,归算到坐标所用到的测站坐标;③当前坐标,即由目标点的最新观测值解算出的坐标值;④扫描坐标,用于计算目标监测点当前方位(垂直角和方位角);该类坐标的设置主要是考虑到当前坐标的解算过程中进行了气象、两差、距离等改正,由当前坐标解算的方位与测量机人实际需要指向的方位偏移。4GTS901A实时自动化监测软件实现GTS901A是由拓普康公司生产的世界第一台WinCE测量机器人,由新型超快速司服马达驱动(80°/s),具备自动照准、自动跟踪等功能;目前已被广泛应用于自动变形监测、精密轨道测量与监测、自动引导测量等领域。以GTS901A测量机器人为例,对测量机器人通用类实例化,构建实时自动化监测系统。为了保证该自动化监测系统的高效性,做以下约定:①考虑到GTS901A有多种测量模式,测角模式、测距模式和坐标模式;除观测功能单元在测距模式下进行外,其他功能单元都在测角模式下完成;②仪器端对观测结果不做任何改正,所有解算均由计算机端完成。表1中列出了GTS901A测量机器人对象的私有成员函数及其所涉及的指令[7];其中,包括了测量模式切换功能单元。在VB和SQLServer2000集成开发环境下开发GTS901A实时自动化监测系统(见图6),实现了变形数据的自动采集、解算、入库和报警。对系统进行实地测试,测试地点:某露天矿工业广场(空气中多尘土),测试对象:栈桥支架和重要建筑物,自动双面测量,连续10个测回,具体测试结果见表2。5结束语本文通过分析测量机器人的自动化作业流程,定义了测量机器人通用类,从而将各不同仪器的指令封装于对象中,用户只需调用对象的成员函数便可指挥仪器完成相关操作,为测量机器人通用平台的构架提供了基础。最后,以拓普康GTS901A为例,对测量机器人通用类进行实例化,开发了GTS901A实时自动化监测系统并完成实地测试,具有一定的实用价值。参考文献[1]张冠宇,等·变形测量数据采集自动化技术比较[J]·海洋测绘,2007·11,27(6)·[2]JamesLutes,AdamChrzanowsk,iGeoffreyBastin,etal·’DIMONS’SOFTWAREFORAUTOMATICDATACOLLECTIONANDAUTOMATICDEFORMATIONA-NALYSIS[C]//The10thFIGInternationalSymposi-umonDeformationMeasurements·2001:101-109·[3]KarlSippel·MODERNMONITORINGSYSTEMSOFT-WAREDEVELOPMENT[C]//California:Proceed-ingsofthe10thFIGInternationalSymposiumonDeform-ationMeasurements,2001·[4]黄声亨,尹晖,蒋征·变形监测数据处理[M]·武汉:武汉大学出版社,2004·[5]梅文胜,等·测量机器人变形监测系统软件研究[J]·武汉大学学报·信息科学版,2002,27(2)·[6]倪宏宇·变形监测处理系统的研究[J]·测绘科学,2008,33(4)·[7]TOPCONCORPRORATION·TOPCONAutoTrackingTotalStationGTS-800/GTS-8000SeriesInterfaceManual[CD]·[8]贵慧宏,张锦·自动形变监测系统集成数据库的设计与实现[EB/OL]·[2008-11]··paper·edu·cn·