馮佳琪，陶庭葉，賀晗，房興博

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為亞太地區(qū)乃至全球提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航等服務(wù)。目前，北斗系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于交通運(yùn)輸、測(cè)繪地理信息等領(lǐng)域，正逐步滲透于社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面，由此可見，將北斗系統(tǒng)與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合，進(jìn)行傳統(tǒng)技術(shù)革新會(huì)成為未來發(fā)展的趨勢(shì)之一[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平飛速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施需求量日益增加，優(yōu)化放樣技術(shù)、創(chuàng)造智能化放樣工具有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。目前施工放樣領(lǐng)域所應(yīng)用的技術(shù)，多為依靠施工員重復(fù)操作的低效率人工測(cè)量[2，3]，并且由于人員無法在高溫大雨等環(huán)境下工作，無法保證施工周期。除此之外，還有BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)結(jié)合測(cè)量機(jī)器人的方法[4，5]，該方法需要繪制建筑物三維模型，測(cè)量機(jī)器人才可進(jìn)行放樣，對(duì)技術(shù)要求高，前期準(zhǔn)備工作復(fù)雜，工作現(xiàn)場(chǎng)也需要至少一名施工員配合儀器工作，即無法實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化放樣，也不利于向市場(chǎng)大面積推廣。為彌補(bǔ)現(xiàn)有放樣技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了一款高效率、低成本、易操作的自動(dòng)放樣小車，其基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合串口轉(zhuǎn)WiFi的通訊技術(shù)，控制技術(shù)、手機(jī)APP開發(fā)技術(shù)等，可以由APP遠(yuǎn)程遙控移動(dòng)，控制運(yùn)動(dòng)軌跡，自動(dòng)到達(dá)放樣點(diǎn)坐標(biāo)而后根據(jù)指令進(jìn)行打點(diǎn)。全放樣過程僅需一人將放樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入APP并在遠(yuǎn)處通過手機(jī)監(jiān)管，所有工作都可由小車獨(dú)立完成。

本文從設(shè)計(jì)思路、軟硬件設(shè)計(jì)和適用工程三個(gè)角度闡述自動(dòng)放樣小車的核心特點(diǎn)與優(yōu)越性。

2 設(shè)計(jì)思路及方案

自動(dòng)放樣小車的設(shè)計(jì)核心是獲取基準(zhǔn)站通過電臺(tái)模式播發(fā)出的差分信號(hào)，確定移動(dòng)中小車的實(shí)時(shí)位置[6]，根據(jù)其三維坐標(biāo)與待放樣點(diǎn)三維坐標(biāo)之差，控制小車移動(dòng)相應(yīng)距離，直到小車坐標(biāo)與放樣點(diǎn)坐標(biāo)在誤差范圍內(nèi)重合(即小車到達(dá)放樣點(diǎn))。

詳細(xì)設(shè)計(jì)方案為：設(shè)計(jì)能夠360°自由旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)的小車，其上搭載北斗衛(wèi)星接收機(jī)及定位模塊和搭載打點(diǎn)工具，而后借助WiFi信號(hào)將模塊解算出的小車坐標(biāo)(精度為 1 cm～2 cm[7])傳輸至通過Java語言和Android平臺(tái)開發(fā)的移動(dòng)端APP，并由APP的數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算出放樣點(diǎn)和小車當(dāng)前坐標(biāo)的差值，移動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)差值控制小車自動(dòng)前進(jìn)相應(yīng)距離，并隨著小車實(shí)時(shí)位置不斷改變修正距離值，直至達(dá)到放樣點(diǎn)，由標(biāo)記驅(qū)動(dòng)程序控制打點(diǎn)工具標(biāo)記地面完成放樣。

考慮到監(jiān)管需要，設(shè)計(jì)將小車實(shí)時(shí)位置和放樣點(diǎn)坐標(biāo)顯示在移動(dòng)端屏幕上，并設(shè)計(jì)手動(dòng)操控小車移動(dòng)、打點(diǎn)功能作為自動(dòng)模式的補(bǔ)充和輔助。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)放樣小車的設(shè)計(jì)思路及詳細(xì)方案，采用車身、北斗接收機(jī)、北斗衛(wèi)星定位模塊、串口轉(zhuǎn)WiFi模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源等設(shè)備組成硬件系統(tǒng)，其整體系統(tǒng)框架及實(shí)物如圖1、圖2所示：

圖1 硬件系統(tǒng)概況

圖2 硬件實(shí)物圖

(1)履帶式不銹鋼車體

小車選取履帶式車輪，配合可360°旋轉(zhuǎn)的底盤，能夠采取坦克式姿態(tài)向各個(gè)方向移動(dòng)。相較于傳統(tǒng)圓形車輪，履帶式車輪不僅大大提升了小車旋轉(zhuǎn)的靈活性，更能穩(wěn)定翻越場(chǎng)地上的低矮障礙物，履帶可以均勻分散車體承重，最大限度地防止車輪磨損不均導(dǎo)致小車故障的情況出現(xiàn)。車身采取不銹鋼材質(zhì)則能夠在降低小車自重的情況下保持車身硬度，加大承載力以搭載北斗接收機(jī)(置于車身頂部)、打點(diǎn)標(biāo)記裝置(置于車身底部)等設(shè)備。

(2)北斗接收機(jī)及定位模塊

北斗接收機(jī)采用司南AT300型號(hào)接收機(jī)，該接收機(jī)體積小重量輕，能夠穩(wěn)定安置在車身頂部，具有抗震、防水、耐熱等特點(diǎn)，可以滿足任何氣候下穩(wěn)定作業(yè)的設(shè)計(jì)要求。北斗定位模塊采用司南K726型號(hào)GNSS板卡，除GPS信號(hào)外，它可以支持北斗全球信號(hào)，獲取高質(zhì)量B1、B2雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過基準(zhǔn)站播發(fā)的差分信號(hào)組建雙差觀測(cè)模型，小車能夠?qū)崿F(xiàn)1-2厘米的動(dòng)態(tài)定位精度。二者構(gòu)成小車實(shí)時(shí)定位部分，保證了小車能夠在極寒極熱、不斷運(yùn)動(dòng)的條件下獲取高質(zhì)量的北斗衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和厘米級(jí)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。

(3)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊

因?yàn)樽詣?dòng)放樣小車的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)控制和定位，所以穩(wěn)定、快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊是重中之重。考慮到4G信號(hào)具有一定程度的數(shù)據(jù)延遲，藍(lán)牙技術(shù)不適用于中遠(yuǎn)距離通訊，因此選擇WiFi技術(shù)進(jìn)行百米級(jí)距離實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

小車采用USR-WiFi232-T模塊，它是基于Uart接口的符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，通過該模塊，可以迅速將北斗實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP中[8]，并獲取APP發(fā)出的移動(dòng)指令。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的控制APP基于Android平臺(tái)使用Java語言進(jìn)行編寫，用戶可以直接使用自己的Android移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)、平板等，下載APP并進(jìn)行操作，無須其他專業(yè)測(cè)量設(shè)備。相較于傳統(tǒng)測(cè)量工作中的智能手簿，此軟件可以有效節(jié)省測(cè)量成本[9]，當(dāng)有特殊的工作需要時(shí)，更便于二次開發(fā)以拓展小車的應(yīng)用場(chǎng)合。

該軟件能將小車實(shí)時(shí)位置和放樣點(diǎn)位置在移動(dòng)端屏幕上顯示出來，并可操縱小車進(jìn)行多種動(dòng)作(如移動(dòng)、打點(diǎn)等)，其程序主要由四部分組成：數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序；數(shù)據(jù)處理程序；移動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序；標(biāo)記驅(qū)動(dòng)程序，另有如通過攝像頭進(jìn)行周圍觀察等輔助程序。整體軟件框架和整體控制界面設(shè)計(jì)圖如圖3所示：

圖3 軟件設(shè)計(jì)框架

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序

程序包括放樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入和地圖包導(dǎo)入兩部分。放樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入是將需要放樣的點(diǎn)的三維坐標(biāo)輸入到軟件后臺(tái)，既可以選擇手動(dòng)添加單個(gè)放樣點(diǎn)，也可以選擇將多個(gè)點(diǎn)編寫為Text文檔，整體導(dǎo)入APP進(jìn)行自動(dòng)讀取。待讀取完畢后，坐標(biāo)點(diǎn)會(huì)顯示在應(yīng)用界面上，其中，尚未進(jìn)行放樣的坐標(biāo)點(diǎn)顯示為紅色，已完成坐標(biāo)點(diǎn)顯示為綠色。地圖包導(dǎo)入是指，當(dāng)存在施工場(chǎng)地由ArcGIS做好的離線地圖包時(shí)，將其導(dǎo)入APP，屏幕上會(huì)顯示一定范圍的標(biāo)志物、道路等，若施工場(chǎng)地不需要或沒有地圖包時(shí)，則無須導(dǎo)入，APP放樣工作界面會(huì)出現(xiàn)柵格代替地圖。

(2)數(shù)據(jù)處理程序

因?yàn)樾≤囀褂玫亩ㄎ荒KK726解算出的坐標(biāo)結(jié)果為WGS84坐標(biāo)系下的，而實(shí)際工程往往會(huì)采用施工坐標(biāo)系，因此，為了將放樣點(diǎn)坐標(biāo)和小車自身坐標(biāo)統(tǒng)一，在北斗定位模塊將小車實(shí)時(shí)位置等信息以NMEA-0183格式傳輸至手機(jī)后，判斷信息的有效性并設(shè)計(jì)編寫數(shù)據(jù)處理程序?qū)GS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至施工坐標(biāo)系，而后計(jì)算出當(dāng)前小車坐標(biāo)與放樣點(diǎn)坐標(biāo)之間的差值并反饋給移動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序。

(3)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序

小車移動(dòng)方式被設(shè)計(jì)為自動(dòng)控制及手動(dòng)控制兩種。自動(dòng)控制是開啟界面自動(dòng)移動(dòng)開關(guān)后，小車無須人工干預(yù)，自行移動(dòng)至目的地。手動(dòng)控制則是操作人員關(guān)閉自動(dòng)移動(dòng)開關(guān)，通過方向鍵操縱小車。

(4)標(biāo)記驅(qū)動(dòng)程序

與移動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序類似，分為自動(dòng)標(biāo)記和手動(dòng)標(biāo)記兩種。自動(dòng)標(biāo)記為軟件判斷小車準(zhǔn)確到達(dá)放樣點(diǎn)后，自動(dòng)使用搭載的標(biāo)記工具對(duì)地面進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)記，視為完成放樣工作。手動(dòng)標(biāo)記即為由操作員按下軟件的打點(diǎn)按鈕，控制小車打點(diǎn)。

4 成果與應(yīng)用

自動(dòng)放樣小車的最終目的是在滿足施工精度要求的前提下，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)單、快速、安全地完成施工放樣。在實(shí)際應(yīng)用中，小車的GNSS板卡被設(shè)置為同時(shí)接收GPS的L1、L2和BDS的B1、B2載波相位觀測(cè)值，通過接收基站播發(fā)出來的差分信號(hào)，建立雙模雙頻雙差方程進(jìn)行定位，并在完成初始化后向APP實(shí)時(shí)發(fā)送NMEA-0183格式數(shù)據(jù)[10，11]，如定位信息(GGA)、衛(wèi)星狀態(tài)信息(GSV)等。APP數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)轉(zhuǎn)碼而得的定位狀態(tài)、坐標(biāo)等信息進(jìn)行判斷，僅當(dāng)報(bào)文返回的解狀態(tài)為固定解且有效的情況下，將坐標(biāo)結(jié)果轉(zhuǎn)換至指定坐標(biāo)系下且僅保留平面坐標(biāo)，在計(jì)算距放樣點(diǎn)的坐標(biāo)向量后，由控制程序進(jìn)行移動(dòng)。一旦返回的解狀態(tài)為非固定解或無效解，則停止運(yùn)動(dòng)直到返回具有固定解的坐標(biāo)，若10s內(nèi)都無法返回固定解，則重新初始化。當(dāng)小車的位置移動(dòng)至放樣點(diǎn)位置5cm內(nèi)時(shí)減速移動(dòng)，直至放樣點(diǎn)并行打點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的APP控制軟件采用簡(jiǎn)潔明了的主界面(如圖4所示)，以方便人員操作與獲取信息。由該界面可以清楚地獲知，小車采用自動(dòng)控制模式(on鍵開啟)工作，1、2號(hào)點(diǎn)放樣完成(已變?yōu)榫G色)，3、4、5號(hào)點(diǎn)尚未放樣(仍為紅色)，小車正向3號(hào)點(diǎn)移動(dòng)等信息。

圖4自動(dòng)放樣小車APP主界面

為驗(yàn)證自動(dòng)放樣小車的放樣精度，證明小車在施工放樣領(lǐng)域的適用性，本文采用小車先將點(diǎn)位放樣出來，再用全站儀精確測(cè)量坐標(biāo)的方式計(jì)算放樣誤差。由于全站儀精度達(dá)到毫米級(jí)，用于檢核精度具有足夠的可靠性。以圖4中的5個(gè)放樣點(diǎn)為例，自動(dòng)放樣小車的放樣誤差如表1所示：

小車放樣誤差 表1

根據(jù)工程測(cè)量規(guī)范，普通混凝土結(jié)構(gòu)工程，即目前建設(shè)領(lǐng)域的主要組成部分之一，放樣精度控制標(biāo)準(zhǔn)[12]如表2所示：

放樣精度控制標(biāo)準(zhǔn) 表2

分析兩表可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)放樣小車的放樣精度可達(dá)到 1 cm～2 cm，能滿足所有混凝土結(jié)構(gòu)建筑邊緣線的施工要求；對(duì)于公路、擋墻等工程，由于僅有3號(hào)點(diǎn)誤差 >1.5 cm，預(yù)計(jì)小車可以通過適當(dāng)降低行駛速度、在行駛過程中增加暫停次數(shù)、計(jì)算坐標(biāo)均值[13]而提高定位精度，進(jìn)而提高放樣精度，最終滿足該類工程。但是對(duì)于主軸線放樣點(diǎn)，小車尚無法達(dá)到其精度要求，未來將通過升級(jí)定位模塊、改進(jìn)定位算法來達(dá)到 1 cm內(nèi)的放樣精度。

5 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自動(dòng)放樣小車，結(jié)合衛(wèi)星定位技術(shù)、WiFi數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、Android軟件開發(fā)技術(shù)等，具有 1 cm～2 cm的放樣精度，能滿足如邊緣線等大量放樣點(diǎn)的精度要求。工作過程中僅需一人將放樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入至控制軟件并處于WiFi信號(hào)范圍內(nèi)，便可完成施工放樣，避免了現(xiàn)有放樣方法依靠人工進(jìn)行操作而產(chǎn)生的諸多弊端。未來的研究中，將在已有設(shè)備和相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完善小車軟硬件系統(tǒng)，進(jìn)一步提高小車移動(dòng)穩(wěn)定性和放樣精度，使自動(dòng)放樣小車可以適用于更多建筑工程。