蔣 晨 張書畢(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

基于VB的TM30測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

蔣 晨 張書畢(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

結(jié)合VB語言開發(fā)出了TM30測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)串行通訊方式以及數(shù)據(jù)獲取方式。為了提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，著重對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行了探討，首先對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理以削弱公共誤差的影響，然后利用MATLAB軟件提供的小波分析工具箱對(duì)變形信號(hào)進(jìn)行3層小波分解，對(duì)分解后得到的小波系數(shù)采用軟閾值進(jìn)行去噪，對(duì)去噪后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，以降低噪聲影響。采用淮北礦區(qū)實(shí)際變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過采用差分、去噪的處理思路，能夠提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度及穩(wěn)定性，對(duì)于礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理具有一定的借鑒作用。

TM30測(cè)量機(jī)器人 變形監(jiān)測(cè) 差分處理 小波去噪

在傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法中，數(shù)據(jù)的采集、處理以及監(jiān)測(cè)預(yù)警都是分開進(jìn)行的，監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差來源較多，有些誤差不易發(fā)現(xiàn)，極大地降低了觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度。近年來，測(cè)量機(jī)器人在變形監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，測(cè)量機(jī)器人能夠?qū)⒆冃伪O(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)采集、處理及預(yù)報(bào)警等環(huán)節(jié)加以集成，既縮短了觀測(cè)周期，減少了誤差來源，又提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)精度，其優(yōu)勢(shì)在大壩、基坑邊坡變形監(jiān)測(cè)[2-4]等應(yīng)用中得到了體現(xiàn)。為了對(duì)礦區(qū)地面開采沉降進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，基于VB語言開發(fā)出了TM30測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)引入差分及小波降噪的方法，以期提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

TM30測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)分析3部分組成[5-7]。①數(shù)據(jù)采集部分的主要任務(wù)是控制測(cè)量機(jī)器人采集數(shù)據(jù)，可以全天候連續(xù)或者間歇性地采集數(shù)據(jù)，采集到的直接數(shù)據(jù)是角度和距離，通過角度和距離計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；②數(shù)據(jù)通訊部分在數(shù)據(jù)處理中心及測(cè)量機(jī)器人之間進(jìn)行，主要負(fù)責(zé)在線控制及數(shù)據(jù)傳輸；③數(shù)據(jù)分析部分主要是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，從而得到即時(shí)的變形特征，做出相應(yīng)的預(yù)警。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊及數(shù)據(jù)獲取

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的串行通訊是指計(jì)算機(jī)通過自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件與測(cè)量機(jī)器人之間進(jìn)行的通訊。測(cè)量機(jī)器人自身提供了兩種數(shù)據(jù)通訊方式：①有線通訊是通過自身攜帶的一系列串口和USB接口，通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；②無線通訊是利用電磁波而不通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換的通信方式，該通訊有2種模式，一種是CDMA或GPRS調(diào)制解調(diào)器設(shè)備，另一種是傳輸電臺(tái)，2種模式都可以作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸工具。

GEOCOM是萊卡儀器公司為測(cè)量機(jī)器人控制軟件的二次開發(fā)提供的平臺(tái)[8]，在VB環(huán)境下利用GEOCOM二次開發(fā)出的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠使測(cè)量機(jī)器人與計(jì)算機(jī)以有線方式進(jìn)行正確的端口連接，而且具備了在線設(shè)置測(cè)量機(jī)器人初始值以及數(shù)據(jù)記錄等功能，能夠?qū)y(cè)得的數(shù)據(jù)直接傳輸至計(jì)算機(jī)，并以一定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，便于利用相關(guān)軟件進(jìn)行預(yù)處理及平差計(jì)算。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取步驟及關(guān)鍵代碼

2.2.1 設(shè)備連接

包括端口、波特率、數(shù)據(jù)位等設(shè)置，以打開連接，匹配成功后即可與計(jì)算機(jī)連接。

VB_COM_OpenConnection(ByVal Port As Integer，ByVal Baud As Integer，ByVal Retries As Integer).

If(RetCode = GRC_OK) Then

‘無通訊錯(cuò)誤’

RetCode = VB_COM_OpenConnection(COM_1，COM_BAUD_19200，NUM_OF_RETRIES)

If(RetCode = GRC_OK) Then

bOpenAndRunning = True

End If

End If

2.2.2 初始化設(shè)置

(1)設(shè)置照準(zhǔn)部到指定位置。

VB_AUT_MakePositioning4(Hz As Double，

V As Double，POSMode As Long，ATRMode As Long，bDummy As Boolean).

令rc =AUT_MakePositioning(1.3,1.6,POSMode,AUT_TARGET,FALSE),則rc=GRC_OK時(shí)執(zhí)行成功.

(2)自動(dòng)精確照準(zhǔn)目標(biāo)。

VB_AUT_FineAdjust3(dSrchHz AsDouble,

dSrchV As Double,bDummy As Boolean).

dHzSearchRange=0.08，

dVSearchRange=0.08，‘設(shè)置水平及豎直方向的自動(dòng)搜索范圍’

Result=AUT_FineAdjust(dHzSearchRange,dVSearchRange,FALSE)‘Result= GRC_OK時(shí)執(zhí)行成功’

2.2.3 數(shù)據(jù)記錄

包括水平角、豎直角和斜距的獲取。

VB_TMC_GetSimpleMea(ByValWaitTime AsLong,

OnlyAngle As TMC_HZ_V_ANG,

SlopeDiastance AsDouble,ByValMode As Integer).

rc=TMC_GetSimpleMea(3000,OnlyAngle,SlopeDistance,TMC_MEA_INC), rc=GRC_OK時(shí)執(zhí)行成功.‘ 3000為等待測(cè)距的時(shí)間，單位為ms’

2.2.4 關(guān)閉端口連接

VB_COM_CloseConnection( ).

整個(gè)通訊過程是支持遠(yuǎn)程控制的，因此，通過測(cè)量機(jī)器人可以使得測(cè)量人員不必進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，僅在項(xiàng)目部或者遠(yuǎn)程控制中心就能夠?qū)y(cè)量機(jī)器人進(jìn)行指揮測(cè)量及管理。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

測(cè)量機(jī)器人在測(cè)量過程中不可避免地存在誤差，有些誤差是難以或者不能精確確定大小的，如大氣折射帶來的測(cè)距誤差、施工對(duì)測(cè)站產(chǎn)生的不確定震動(dòng)誤差等。由于測(cè)量機(jī)器人具有較強(qiáng)的自動(dòng)目標(biāo)尋找、智能識(shí)別以及精確照準(zhǔn)能力，因而可以對(duì)多個(gè)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)可在短時(shí)間內(nèi)完成持續(xù)、重復(fù)的觀測(cè)工作[9]，不確定因素帶來的誤差在同一環(huán)境、短時(shí)間內(nèi)可視為固定值，因此，采用一定的處理方法，可以消除或減弱上述誤差。

3.1 差分處理

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算原理為：以測(cè)站點(diǎn)為原點(diǎn)，以定向方向?yàn)閄軸，以測(cè)站天頂距方向?yàn)閆軸建立左手空間直角坐標(biāo)系見圖2，設(shè)原點(diǎn)O的坐標(biāo)為(X0，Y0，Z0)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P的坐標(biāo)為(XP,YP,ZP)，S為斜距，v為豎直角，i為水平角。

圖2 三維坐標(biāo)計(jì)算原理示意

圖2中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P的三維坐標(biāo)計(jì)算公式為

(1)

由此可見，三維坐標(biāo)受方位角、垂直角及斜距的影響，其中，方位角和斜距是最主要的影響因素。

3.1.1 方位角差分

在進(jìn)行角度測(cè)量時(shí)，認(rèn)為每次測(cè)量的誤差是相等的，方位角差分是把每一期測(cè)出的方位角i與第1期測(cè)出的方位角i0的差值作為本期方位角的改正值，

Δi=i-i0.

(2)

因此，若某期測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)原始方位角為iJ，則其差分后的改正值為

Δi′=ij+Δi=iJ+i-i0.

(3)

3.1.2 斜距差分

斜距測(cè)量時(shí)，各次測(cè)量所含誤差不相等，因此需要設(shè)置1個(gè)誤差改正系數(shù)。設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)到測(cè)站點(diǎn)的第1期斜距測(cè)量值為S1，第n期測(cè)得的基準(zhǔn)點(diǎn)斜距為Sn，第n期監(jiān)測(cè)點(diǎn)斜距為S′。由于同一周期內(nèi)對(duì)某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間很短，可以認(rèn)為周圍外界環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的誤差影響是相同的、穩(wěn)定的，因此可以把第n期觀測(cè)得到的基準(zhǔn)點(diǎn)斜距與第1期斜距之差與第n期實(shí)測(cè)斜距的比值作為第n期下的斜距改正系數(shù)，即

ΔS=(Sn-S1)/Sn.

(4)

于是，該測(cè)站其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斜距改正值為(1-ΔS)S′。

3.2 小波去噪

(1)小波分解。選用db3小波基函數(shù)對(duì)變形監(jiān)測(cè)信號(hào)x進(jìn)行3層小波分解，可調(diào)用MATLAB語句“[C,L]=wavedec(x,3,‘db3’)”來實(shí)現(xiàn)。

(2)閾值去噪。提取所有小波分解高頻系數(shù)及第3層小波分解低頻系數(shù)，對(duì)高頻小波分解系數(shù)進(jìn)行軟閾值去噪(閾值按照Heuristic SURE準(zhǔn)則來確定)，部分MATLAB執(zhí)行語句如下：

A3=appcoef(C,L,‘db3’,3)；

D1=appcoef(C,L,1)；

THR=thselect(x,‘heursure’)；

DZ1=wthresh(D1,‘x’，THR).

(3)小波重構(gòu)。即把低頻信號(hào)以及經(jīng)過處理的高頻信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)，從而得到降噪后的數(shù)據(jù)，MATLAB執(zhí)行代碼為：

CL=[A3,DZ3,DZ2,DZ1]；

SL=waverec(CL，L,‘db3’).

4 應(yīng)用實(shí)例

選取淮北礦區(qū)某沉降區(qū)域1棟建筑物作為試驗(yàn)對(duì)象，經(jīng)實(shí)地勘察，以該礦區(qū)原有穩(wěn)定基巖點(diǎn)作為高等級(jí)的控制點(diǎn)，如圖3所示。在變形區(qū)域外設(shè)置了1個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)站，并與基巖點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，保證其精度的穩(wěn)定性，同時(shí)在建筑物上設(shè)置了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。TM30測(cè)量機(jī)器人角度測(cè)量精度為0.5″，有棱鏡模式下測(cè)距標(biāo)稱精度為(0.6 mm，1mm/km)，無棱鏡模式下測(cè)距標(biāo)稱精度為(2 mm，2 mm/km)[10-11]，此次采用有棱鏡模式進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意

點(diǎn)位布設(shè)完畢后在基準(zhǔn)點(diǎn)A處設(shè)站，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了10周期的連續(xù)觀測(cè)。每周期觀測(cè)時(shí)，角度觀測(cè)采用全圓觀測(cè)法，觀測(cè)4個(gè)測(cè)回，每條邊觀測(cè)次數(shù)設(shè)置為3次，采用有線數(shù)據(jù)通訊方式。以2#點(diǎn)和6#點(diǎn)為例，該2點(diǎn)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)及經(jīng)差分、小波去噪后的數(shù)據(jù)擬合曲線分別見圖4、圖5。

由圖4、圖5可知，采用TM30測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)能夠反映出變形體的微小變化；降噪后的沉降曲線變化相對(duì)均勻，趨勢(shì)比較平緩，說明降噪后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性有一定的提高；6#點(diǎn)的每期累計(jì)沉降量均大于2#點(diǎn)，表明圖3中建筑物右上部分沉降比較厲害，整體存在著不均勻沉降的現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，修建該建筑時(shí)，煤炭的開采離該區(qū)域較遠(yuǎn)，隨著開采的進(jìn)行，該區(qū)域受到了一定的影響，導(dǎo)致了不均勻沉降的發(fā)生，該礦區(qū)自行開展的沉降觀測(cè)成果也證實(shí)了這一點(diǎn)。計(jì)算出累計(jì)沉降值后就可以判斷沉降值否超限，從而做出相應(yīng)的預(yù)警。

圖4 2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始及差分小波去噪后的累計(jì)沉降曲線

圖5 6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始及差分小波去噪后的累計(jì)沉降曲線

5 結(jié) 語

結(jié)合VB語言開發(fā)了TM30測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行差分處理，然后進(jìn)行小波軟閾值去噪，有助于提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度。該系統(tǒng)的不足之處在于缺乏數(shù)據(jù)后期平差功能，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平差處理需要結(jié)合其他相關(guān)軟件進(jìn)行。

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(責(zé)任編輯 王小兵)

Development of the Deformation Monitoring System of TM30 Measuring Robot Based on VB

Jiang Chen Zhang Shubi(SchoolofEnvironmentScience&SpatialInformation，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116,China)

The automatic deformation monitoring system of TM30 measuring robot based on VB language is developed，and the composition and data serial communication mode and data acquisition mode of the system are analyzed in detail.In order to improve the accuracy of the observation data，the observation data processing methods are discussed.Firstly，the original observation data is conducted on differential treatment so as to weaken the effect of public errors，Secondly，the deformation data signals is conducted on 3 layers wavelet decomposition based on the wavelet analysis toolkit of MATLAB software，and the wavelet decomposition coefficients are processed by soft threshold to weaken the effect of noise.Performance of the deformation monitoring system is tested by adopting the actual deformation monitoring data of Huaibei mining area，the test results show that，the accuracy and stability of the monitoring data are improved based on the processing methods of differential treatment and wavelet denoising，so the method can provide some reference for dealing with the deformation monitoring data of mining area.

TM30 measuring robot，Deformation monitoring，Differential treatment，Wavelet denoising

2014-10-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51174206)，江蘇省普通高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(編號(hào)：11KJD420002)， 江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(編號(hào)：PAPD SA1102)。

蔣 晨(1990—)，男，碩士研究生。

TD178

A

1001-1250(2015)-01-104-04