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        基于PDA的測量機器人多測回數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

        2014-11-29 01:25:32覃澤穎唐詩華
        鐵道勘察 2014年4期
        關(guān)鍵詞:全站儀指令氣象

        黃 鷹 李 保 覃澤穎 唐詩華

        (1.桂林好測信息科技有限公司,廣西桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院,廣西桂林 541004)

        隨著測量科技的發(fā)展,測量機器人廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測控制網(wǎng)觀測等精密工程測量當(dāng)中。多測回測角是建立高等級三角網(wǎng)、導(dǎo)線(網(wǎng))以及大型構(gòu)筑物和建筑物形變監(jiān)測網(wǎng)時的主要觀測手段[1]。

        基于測量機器人的程序開發(fā)主要有PDA(或PC)程序設(shè)計和機載程序設(shè)計兩種模式[2],兩種模式各有優(yōu)缺點。徠卡新一代的測量機器人如TS30/TM30系列支持機載程序開發(fā),二次開發(fā)平臺為GeoC++[3],但該平臺不對所有用戶開放接口。PDA具有價格低廉、方便攜帶、功耗小,可以設(shè)計豐富的軟件界面和復(fù)雜的功能,數(shù)據(jù)能實時顯示以及良好的人機交互等優(yōu)勢,成為數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)的首選平臺[4- 5]。

        精密測量中,在測距改正中加入氣象改正是必不可少的[6]。傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)測量方法一般通過攜帶溫度計和氣壓計現(xiàn)場測量,手工輸入儀器或后期對距離進行氣象改正。結(jié)合自主研發(fā)的氣象傳感器,依托徠卡測量機器人系列全站儀及其二次開發(fā)接口[7],在PDA上開發(fā)了具有實時氣象改正的自動化多測回數(shù)據(jù)采集軟件。

        1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

        PDA(Portable Digital Assistant,又稱為掌上電腦)使用的操作系統(tǒng)是 Windows Mobile 5.0,開發(fā)平臺為VS.NET2008 和.NET Compact Framework3.5,開發(fā)語言為 VB。使用徠卡提供的 GeoCOM接口技術(shù)[8]。GeoCOM開發(fā)模式分為兩種:一種為低級模式(ASCⅡ碼協(xié)議),一種為高級模式(函數(shù)調(diào)用協(xié)議)[9]。高級模式需要調(diào)用動態(tài)鏈接庫GeoCOM.Dll,該DLL封裝了操作儀器的全部函數(shù)。但DLL與Windows Mobile系統(tǒng)不兼容,在PDA上不能調(diào)用。另外考慮到PDA要同時與氣象傳感器進行通信,只能使用低級模式。低級模式需要自行寫串口通信程序。

        2 系統(tǒng)總體設(shè)計及實現(xiàn)

        所設(shè)計的軟件能夠按設(shè)定參數(shù)自動完成多測回全圓方向和距離觀測,結(jié)合自主研發(fā)的數(shù)字氣象傳感器,可以在測量過程中對氣象參數(shù)進行實時改正,合格數(shù)據(jù)將記錄在手薄內(nèi)存或SD卡上,超限則自動重測或人工判斷重測。測量過程中遇到超限、遮擋等問題,軟件可以語音提醒和對話框提示,軟件運行流程見圖1。

        2.1 與全站儀通信

        PDA使用數(shù)據(jù)線或藍牙連接全站儀,軟件通過串口向全站儀發(fā)送操作請求指令,等待儀器應(yīng)答返回數(shù)據(jù)。.NET提供的SerialPort類可以方便地對串口進行操作,如實例化一個串口類:

        Public MySerialPort As SerialPort=New SerialPort("COM2",9600,Parity.None,8,StopBits.One)

        圖1 系統(tǒng)運行流程

        向全站儀發(fā)送測量角度距離指令的代碼如下

        MySerialPort.Write("%R1Q,17017,":1" & vb-CrLf)

        接收全站儀返回的數(shù)據(jù)為

        strRead=Vbserial.ReadLine根據(jù)不同請求指令判斷返回數(shù)據(jù)的格式,操作指令參見文獻[7]。

        作為結(jié)構(gòu)化的編程,應(yīng)將各種操作指令的發(fā)送和接收封裝為函數(shù),類似于高級模式。如以上測量角度距離指令的代碼可以封裝在名為:VB_BAP_MeasDistanceAngle的函數(shù)里面,這里自行封裝的函數(shù)名與DLL里的函數(shù)名相同,方便兩種模式的代碼通用。測量角度距離直接調(diào)用該函數(shù)

        Result=VB_BAP_MeasDistanceAngle(BAP_DEF_DIST,dHz,dV,dDistance)

        2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        軟件設(shè)計使用文件流的方式保存數(shù)據(jù),由于測量的數(shù)據(jù)種類較多,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,考慮到保存和讀取數(shù)據(jù)方便,設(shè)計了可以序列化讀寫的類來存放數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的保存和讀取僅需序列化和反序列化。如設(shè)計一個類stationdata存放全部測量數(shù)據(jù):

        <Serializable()> Public Class stationdata

        Public PointName As String '點名

        Public HL,HR As Double '盤左盤右水平角(弧度格式)

        Public VL,VR As Double '盤左盤右豎直角(弧度格式)

        ……

        End Class

        定義一個二維數(shù)組變量Sta用于存儲測量數(shù)據(jù)

        Dim Sta(n-1,m -1)As New stationdata

        其中n為測回數(shù),m為方向數(shù),如Sta(0,1).HL代表第1測回第2個方向的盤左水平角。

        除了對測量數(shù)據(jù)的讀寫外,軟件還需讀寫ini配置文件,該文件存儲軟件各項參數(shù)。

        2.3 氣象參數(shù)改正

        數(shù)字氣象傳感器針對測量機器人設(shè)計(如圖2),使用單片機開發(fā),內(nèi)置氣象傳感器、藍牙模塊。可以測量干溫、氣壓、相對濕度,溫度精度±0.3℃,氣壓精度±1.5 hPa,濕度精度±2.0%RH。測量過程中PDA要與傳感器通信,傳感器在此相當(dāng)于指令中轉(zhuǎn)站。PDA通過藍牙連接傳感器,傳感器通過串口線連接全站儀,通信過程如圖3。PDA與傳感器連接后,所發(fā)送的指令都經(jīng)過傳感器,傳感器對指令進行判斷,若指令是全站儀指令則直接傳入全站儀,若是獲取傳感器數(shù)據(jù)的指令則返回氣象數(shù)據(jù)給PDA,獲取氣象數(shù)據(jù)的指令為“QXCS”。傳感器將全站儀返回的數(shù)據(jù)直接傳給PDA,程序自動設(shè)置氣象數(shù)據(jù)到全站儀的過程為:發(fā)送獲取氣象數(shù)據(jù)指令—得到氣象數(shù)據(jù)—氣象數(shù)據(jù)設(shè)置到全站儀,全站儀內(nèi)置的氣象改正公式會對距離自動進行改正。

        圖2 數(shù)字氣象傳感器

        圖3 傳感器通信示意

        2.4 系統(tǒng)功能

        系統(tǒng)主界面如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)主界面

        項目:包括新建、打開項目,項目數(shù)據(jù)套用等功能。

        設(shè)置:包括連接儀器設(shè)置,測量參數(shù)設(shè)置等。

        儀器連接見圖5,主要對串口參數(shù)設(shè)置。測量前需設(shè)置各項測量參數(shù)(如圖6所示),可以設(shè)置2C限差、測回數(shù)等。這些參數(shù)用于控制完成多測回方向和距離的全圓觀測,判斷數(shù)據(jù)是否超限。

        圖5 連接儀器設(shè)置

        圖6 測量參數(shù)設(shè)置

        氣象參數(shù)設(shè)置方式有三種(如圖7),其中“每測回前自動改正”與“實時改正”需要結(jié)合氣象傳感器使用。“每測回前自動改正”是在每個測回開始測量前,程序自動讀取氣象傳感器的數(shù)據(jù)并設(shè)置入全站儀;“實時改正”是每次測距前都進行氣象改正,該方法使用情況較少,作為預(yù)留功能。“測量前手工輸入”是在測量開始前提示手動輸入氣象參數(shù),該方法在無氣象傳感器的情況下使用。

        圖7 氣象參數(shù)設(shè)置

        點位學(xué)習(xí)如圖8,點位學(xué)習(xí)是手動對全部目標(biāo)點測量一次,保存點位數(shù)據(jù)以便測量機器人自動找點。人工照準(zhǔn)學(xué)習(xí)的順序可以任意,用戶指定某點作為零方向后,程序根據(jù)方向值大小排序,最終目標(biāo)點的順序都符合全圓觀測順序,學(xué)習(xí)完成可以瀏覽點位略圖。軟件在連接儀器的情況下進入學(xué)習(xí)界面,可以自動打開望遠鏡的指示激光,方便人工快速瞄準(zhǔn)目標(biāo)。

        圖8 點位學(xué)習(xí)

        除了全手動點位學(xué)習(xí)外,系統(tǒng)還提供了坐標(biāo)定位法的學(xué)習(xí)功能,即可以通過導(dǎo)入學(xué)習(xí)點的三維坐標(biāo),只需人工照準(zhǔn)學(xué)習(xí)兩個點即可交會出測站坐標(biāo)并計算全部待測點的位置數(shù)據(jù),當(dāng)點數(shù)較多時可以減少人工測量的工作量??紤]到望遠鏡的視場內(nèi)出現(xiàn)多個目標(biāo)問題[10],程序根據(jù)相鄰點的空間夾角自動開關(guān)機器人的“小視場”功能,防止瞄準(zhǔn)目標(biāo)出錯。

        測量過程:

        測量前程序會對儀器的雙軸傾斜進行檢查,傾斜超過一定值就會提示調(diào)平儀器。測量數(shù)據(jù)以表格控件DataGrid實時顯示(如圖9)。這里使用了多線程,將測量過程放在一個獨立線程中執(zhí)行,使用委托的方法將測量數(shù)據(jù)跨線程顯示在主線程的表格中。

        圖9 測量數(shù)據(jù)顯示

        測量過程中如果觀測目標(biāo)被遮擋,程序先嘗試?yán)^續(xù)測量,嘗試過三次后仍未成功,則提示找不到目標(biāo),等遮擋情況恢復(fù)正常后,人工點擊對話框的OK按鈕即可繼續(xù)測量。測量過程可以通過滾動條查看數(shù)據(jù),可以取消,暫停,繼續(xù)測量等操作。每個測回完成后自動探測2C和指標(biāo)差互差、盤左盤右斜距互差等是否超限,超限立即進行重測。全部測回完成后判斷方向值、豎直角的測回互差,若有超限則重測超限的方向測回。

        2.5 系統(tǒng)應(yīng)用

        該系統(tǒng)已成功運用于新疆某段高鐵CPⅢ測量。為避免白天烈日的惡劣氣象條件,CPⅢ一般于晚間施測,在新疆夜間整晚溫差在10℃以上,氣象條件對測距帶來較大影響。系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字氣象傳感器實時讀取氣象數(shù)據(jù)自動傳入TS30內(nèi)部或者在軟件中進行距離改正,每測回(每次讀數(shù)亦可)改正一次,避免了人工讀取氣象數(shù)據(jù)的麻煩,保證了測量精度。數(shù)據(jù)經(jīng)過平差獲得較高的精度,皆通過了評估。

        另外,系統(tǒng)結(jié)合精密球形棱鏡應(yīng)用于深圳地鐵導(dǎo)線測量和廣西某火電廠灰壩變形監(jiān)測都獲得了成功。

        3 結(jié)束語

        基于PDA的測量機器人多測回數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),運用于三角網(wǎng)測量、導(dǎo)線測量及變形監(jiān)測等精密工程測量,能夠大大提高作業(yè)效率,降低野外作業(yè)人員的勞動強度。系統(tǒng)操作簡單,界面直觀,功能實用可靠,考慮到了高度自動化,減少了人工干預(yù)。系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字氣象傳感器使用,實時氣象改正保證測距精度。同時,該數(shù)字氣象傳感器還集成了GPRS通信模塊,運用在遠程無線遙控測量機器人變形監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中實現(xiàn)無人值守,實現(xiàn)了測量的完全自動化。

        [1]陳秀忠,吳志群,錢林.多測回測角平差系統(tǒng)在現(xiàn)代精密工程測量中的應(yīng)用[J].測繪通報,2009(3):3638

        [2]胡波,葉威,朱勇超,等.基于PDA的測量機器人自動化多測回測角軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報,2013(2):116117

        [3]張正祿,沈飛飛,孔寧,等.徠卡新型全站儀TS30的測評和開發(fā)研究[J].測繪信息與工程,2011,36(1):5253

        [4]尚延生,王玉振,李躍華.基于PDA的邊角測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].海洋測繪,2006,26(6):4244

        [5]梅文勝,鄭勇波,周命端.基于PDA的測量機器人自動化網(wǎng)觀測軟件研究[J].測繪信息與工程,2008,33(5):4546

        [6]董欽偉.氣象條件對全站儀測距精度的影響[J].甘肅科技,2012,28(12):4041

        [7]TPS1000 GeoCom Refemee Manual Version2.20.Leica GeoSystems AG[M].Heerbrugg Switzerland,1999

        [8]唐爭氣,吳爭鳴,姜波.基于GeoCOM技術(shù)的測量機器人在測量中的應(yīng)用[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報,2006,15(4):7376

        [9]王宇會,蔣利龍.GeoCOM對測量機器人的開發(fā)與應(yīng)用[J].礦山測量,2009,4(2):5657

        [10]王宇會,蔣利龍,張興福.測量機器人視場內(nèi)多目標(biāo)問題的研究[J].工程勘察,2011(1):8486

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