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測量機（jī）器（qì）人（rén）遠程控製應用設計

2017-3-28 來源：合肥工業大（dà）學作（zuò）者：王盼吳兆福張懷亮

摘要: 利（lì）用（yòng） Leica 測量機器人的 Geo Com 接（jiē）口，使用 C + + 二次開發可實現自動化觀測軟件，為重複（fù）、高頻（pín）次（cì）的變形觀測提供解（jiě）決方案。輔以（yǐ）網絡通信模塊，實現對測量機器人的（de）遠程控製，完成數（shù）據采集任（rèn）務。通過對比分析利用軟件自（zì）動采集的坐標（biāo）和人工直接采集的坐（zuò）標，結果顯示數據（jù）結果穩定可靠。該係統可實現（xiàn）測量（liàng）內外業作業的一體（tǐ）化，大大提高（gāo）傳統測量的效率，在生產實踐中有著重要意義。

關鍵詞: Geo Com; 自（zì）動化觀測; 網絡通信; 數據庫

0 引言

測量機器人可實現數據（jù）獲取和處理（lǐ）的自動化，也可實現測量（liàng）過程的自動化 ( 即無人觀測) 。測量過程控製及其行為的智能化（huà）主要是指（zhǐ）通過程序實現對自動（dòng）化觀測（cè）儀器的智能化控製、管（guǎn）理，模擬（nǐ）人（rén）腦的思（sī）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遠程控製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、外業一體化、規範化的作業要（yào）求。

本軟件以 Leica TS30 全站儀為基礎，在 Microsoft VisualStudio. NET2010 平（píng）台上利用 C ++ 和 C #語（yǔ）言編寫服務器和用戶端程序，輔以網絡通信（xìn）實現遠程控製。

1.係統開發平台的搭建

遠程控製軟件使用的操作係統是 Windows 7，開發平台是 Microsoft Visual Studio. NET 2010，開發語言為 C ++ 和 C#。遠程控製軟件與測量（liàng）機器人之間的通信（xìn）是通過服（fú）務器端進行的，利（lì）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（hán）數來控製儀器進（jìn）行自動（dòng）測（cè）量、轉盤、倒鏡等工作。C#是一種簡單、現代、麵向（xiàng）對象、類型非常安全、派生於 C 和 C ++ 的編程語言，它是專門為與. NET Framework 一起使用而設計的（de），對 . NET 特性的支（zhī）持不僅是完整（zhěng）的，而且提供了比其他語言更合適的語法，而 . NET 具有（yǒu）平台無關性和數據的高效訪問等（děng）優點。所（suǒ）以（yǐ）利用 C#搭建控製中心（xīn）平台（tái）是較好的選擇，能夠滿足建立（lì）友好（hǎo）用戶界麵和方便操作數據庫的要（yào）求（qiú）。

2.係統設計

2. 1 係統總體設計

本係統使用（yòng）的是 TS30 全自動全站儀（yí），該儀器測角精度為 0. 5″，測距精度為 1mm + 1ppm × D ( D為所測距（jù）離) ，轉速為 180° /s，正倒鏡的轉換隻需2. 9s，非常有利（lì）於進行自動化觀測測量［4］。機器人（rén）遠（yuǎn）程控製係（xì）統（tǒng）由三部分組成: 測量機器人功能軟（ruǎn）件（jiàn）、無（wú）線通（tōng）訊模塊程序和控製中心軟件。本係統設（shè）計的基本結構（gòu）如圖 1 所示。

圖 1 測量機器人遠程監控係統架構

(1) 測量機（jī）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（cè）量（liàng）作業規（guī）範編寫的 “多測回自（zì）動觀測” 程序，具有自動（dòng）照準目標、自動測角、自動測距及超限或目（mù）標丟失等異常情況的自動處理（lǐ）功（gōng）能［5，6］。此外（wài），可以根據不同的工程任務進行設置，也可以對軟件程序進行修改，得（dé）到滿足不同工況（kuàng）的軟件，從而使（shǐ）得測量效率大大（dà）提高。

(2) 無線通訊模塊

主（zhǔ）要負責建立通訊鏈路，用（yòng）來轉發指令或數據（jù）。在客戶端和服務器端 PC 程（chéng）序都有編寫接收和發送的通訊模塊。服務器端收到控製中心指令（lìng）後，解析出指令內容，然後轉發給測量機器人; 客戶端收到測量機器人數據後，按照約（yuē）定的數據格式保存到數據庫。

(3) 控製中（zhōng）心模（mó）塊

這一（yī）部分程序是在客戶端程序進行編寫，主要實現發（fā）送開關機、觀測等控製（zhì）指令、接收觀測狀態以及（jí）傳輸測量數據。該控製中心軟件還包含有 SQLServer 數據（jù）庫（kù）管理模塊和數據後處理平差模塊（kuài）。通過Internet 接收到的無線數據包經過 SQL Server 數據庫管理模塊直接自動輸入到 SQL Server 大型數據庫中。

2. 2 測量機器人功能軟件

Geo Com 按照功能可分為（wéi） 12 個子係統功能函數，本係統主（zhǔ）要利用其（qí） COM、AUT 和 TMC 三個主要模（mó）塊進行（háng）功能軟件的開發［7，8］。調用 Geo Com 一般步（bù）驟為: 初始化→打開通訊端口→將望遠（yuǎn）鏡照準指定方向→精密照（zhào）準目標→執行測距動作→獲取角度和距離的測（cè）量數（shù）據→清空測距結果（guǒ）→關閉通訊端口→退出 Geo COM。

2. 3 無線通訊（xùn）模塊

由於 TS30 全站儀自身提供的ＲS232 電纜（lǎn）線（xiàn）可（kě）用距離非常短 ( 1. 5m) ，無法滿足操作人員遠程控製和數據遠程傳輸的要求［9，10］。采用 Socket 類來（lái）實現 C /S 模（mó）式下網絡程序的通信可以很好地解決遠程控製問題。根（gēn）據連接啟動的方式以（yǐ）及本地套接字要連接的目標（biāo），套接字之間的連接過程可以分為三個步驟:

(1) 服務器監聽: 指服務器端套接字並不定位（wèi）具體（tǐ）的客戶（hù）端套接字，而是處（chù）於（yú）等待連接的狀態（tài），實時監控（kòng）網絡狀態。

(2) 客戶（hù）端請求: 指由客戶端的套接字提出連接請求，要連接（jiē）的目標是服務器端的套接字（zì）。為此，客（kè）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（fú）務器端套接字（zì）的地址和端口號，然後向服（fú）務器端套接字提出連接（jiē）請求。

(3) 連接確（què）認: 指當服務器端套接字監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（lì）一個新的線程（chéng），把服務（wù）器端套（tào）接（jiē）字的描述發給客戶端，一旦客戶端確認了此描述，就建立（lì）好連接。而服務器端套接（jiē）字繼續處於監聽狀態，繼續接收其他客戶端套接字（zì）的連接請求。

2. 4 控製中心模塊

2. 4. 1 數據庫（kù）的設計

開發本係統軟件總體任務（wù）之一就（jiù）是建立監測數據的數據庫，本次建立的數據庫分為數據庫管理和數據庫查詢兩個模塊。在（zài）數據庫管理模塊中（zhōng）建立用戶和測量數據的管理，在數據查詢模塊中設（shè）計點號查詢和日期查詢兩種查詢方式。本數據係統的功能如圖 2 所示。

圖 2 數據係統功能示意圖（tú）

為了保證高質（zhì）量、高效、便捷地完成測量任（rèn）務，且測量成果滿足國家測量（liàng）規範，本係統數（shù）據庫的測量數據庫管理模（mó）塊設計有盤左測量數據存儲表dbo. LANGLE 和盤（pán）右測量數據存儲表 dbo. ＲANGLE。其中表ＲANGLE 結構如表 1 所示（shì）。從表 1 中可以看出，該表的設計有利於測量數（shù）據的實時存儲（chǔ）。

表 1 ＲANGLE 表結構

2. 4. 2 C#開發（fā）模擬測量狀態動畫

為了使用（yòng）戶更加方便地操控（kòng）儀器，本軟件設（shè）計四個快（kuài）捷鍵（jiàn） “W”、“A”、 “S”、 “D”來控製儀器向上、左（zuǒ）、下（xià）、右勻速轉動，進行目標照準範圍的選取。當鍵盤上相應的字符被按下，則觸發Keydown 事件，客戶端向服務器發出打開激光和全站儀轉動指令。當按鍵被鬆開，則觸發 Keyup 事件，發出關（guān）閉激光和全站（zhàn）儀停止轉動指令（lìng）。圖 3 為方向控製鍵代碼。

圖 3 方向控製鍵部分代（dài）碼

模擬測量狀態的動畫界麵是利用 C#雙緩存技術開發的。通過學習測量（liàng）將所有（yǒu）的監（jiān）測點按實際的方位模擬顯示在軟件上。在多（duō）測（cè）回測角狀態，軟件會根據現場照準點的情況，模擬（nǐ）測量動畫。在鼠標點擊相應（yīng）圖標時，程序會（huì）計算出（chū）焦點與圖標的距離關係，判斷選中的目標點號並觸發測（cè）量事件，即實（shí）現 “任意測量”的功（gōng）能。 “任意（yì）測量”功能的（de）關鍵代（dài）碼見圖，功能（néng）測量界麵見圖 5，視圖模擬測量（liàng）如圖 6 所示（shì）。

圖 4 任意測（cè）量（liàng）功（gōng）能代碼

圖 5 功能測量界麵

圖 6 視圖模擬測量

3.係統應用

在完成測量機器人遠（yuǎn）程控製係統後，為了驗證該係統的實用性和穩定（dìng）性，對軟件進行了（le）實際應用。在合肥市地鐵 2 號線某（mǒu）基坑變（biàn）形監測的現場辦公室（shì）安（ān）裝上客戶（hù）端軟件，並通過 WIFI 連接上（shàng）互聯網，在 WIFI 所能覆蓋的現場強製（zhì）對中測（cè）墩 A 上安置 TS30 全站儀，並與服務器端 PC 連接，服（fú）務器端PC 也連接互（hù）聯網。在離測站 A50-150m 距離範（fàn）圍內布置（zhì） 6 個 Leica 圓棱（léng）鏡作為監（jiān）測目標。首次連接時，在客（kè）戶端先設置服務器的 IP 和端口號，連接成功後，控製儀器轉動，自由設站後進行學習測（cè）量。之（zhī）後進入多測（cè）回測角設置，設置觀測測回數為 2，觀測（cè）周期為 8，點擊記憶測量（liàng）進行多測回角（jiǎo）觀測。從觀測（cè）結果（guǒ）來看，Leica TS30 自動目標識別的情況良好，測量精度較高。

將數據庫的觀測數據導出後，利用平差軟件對（duì）數據進行平差解算（suàn），並以第一周期數據（jù）為基礎（chǔ）進行變形分析，得出各個點的變形情況（kuàng），其中監測點 1的後 7 個周期人工觀測與用軟件進行自動觀（guān）測的變形量對比如圖 7 所示（shì）。由圖 7 可以看出，人工觀測和自動觀測有一（yī）定（dìng）的（de）誤差，但變形量都為正數，說明（míng）反映的變形趨勢一致，且這種（zhǒng）誤（wù）差是由觀測（cè）的隨機誤（wù）差造成的，誤差最大處僅（jǐn）為 0. 2mm，說明變化量也相當，自動觀（guān）測可以達到（dào）替代人工觀測的精度（dù）要求。

圖 7 人工觀測變化量與自動觀測變化量對比（bǐ）圖

4.結束語

本軟件通過網絡通信實現了遠程控製測量，體現出了測量內外業的一體化和數據獲取及處理的自動化。利用遠程控（kòng）製係（xì）統進行變形監（jiān）測可大大降低勞動強度，提高作業效率。特別適合小型基坑的長（zhǎng）期監測（cè）。在此基礎上，可研究用安卓係統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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