張攀華

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

測(cè)量機(jī)器人從誕生以來憑借高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、快速便捷以及自動(dòng)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)廣受大家的青睞，高鐵對(duì)線路施工的平穩(wěn)性、準(zhǔn)確性提出更高的要求，提高了測(cè)量機(jī)器人的使用頻率。目前，高鐵建設(shè)項(xiàng)目均裝備了測(cè)量機(jī)器人[1-2]；然而隧道控制測(cè)量仍停留在人工手動(dòng)測(cè)量、手簿記錄的階段，功效相對(duì)較低，該文以使用率較高的徠卡TM50系列測(cè)量機(jī)器人為例來探討基于安卓系統(tǒng)下的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。

1 測(cè)量機(jī)器人開發(fā)方案選擇

1.1 TM50測(cè)量機(jī)器人

TM50全站儀是徠卡全新一代全站儀，具有測(cè)量機(jī)器人目標(biāo)全自動(dòng)搜索、動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤、高精確辨識(shí)及照準(zhǔn)目標(biāo)的功能，是可以獲取角度（水平角、豎直角）、距離（平距、斜距）以及空間三維坐標(biāo)等信息的智能全站儀。TM50測(cè)量機(jī)器人二次開發(fā)方案有2種：1） 利用GeoBasic或Geoc++編程工具開發(fā)，編譯后上傳目標(biāo)設(shè)備并調(diào)試使用，其優(yōu)點(diǎn)是直接采用廠商底層API函數(shù)執(zhí)行，代碼執(zhí)行效率較高，缺點(diǎn)是受限于設(shè)備本身處理器的運(yùn)算能力限制，對(duì)開發(fā)者要求較高，軟件開發(fā)周期較長。2） 利用GeoComm通信庫或GeoCom ACSII，通過串口與計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)通信，其優(yōu)點(diǎn)是復(fù)雜擴(kuò)展計(jì)算由移動(dòng)設(shè)備處理，移動(dòng)設(shè)備和測(cè)量機(jī)器人通信清晰透明，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常問題，靈活性高、拓展性豐富，軟件開發(fā)整個(gè)周期較短，通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程執(zhí)行，是目前普遍采用的開發(fā)方式，缺點(diǎn)是需要單獨(dú)采購移動(dòng)開發(fā)設(shè)備。該文采用第二種方法操作TM50全站儀。

1.2 測(cè)量機(jī)器人GeoCOM接口技術(shù)要求

GeoCOM是一種測(cè)量機(jī)器人的通信接口，是基于SUN微系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)用（RPC）建立的，有2種協(xié)議：1） 調(diào)用GeoCOM函數(shù)，采用編程開發(fā)工具，按照作業(yè)需求，根據(jù)流程進(jìn)行應(yīng)答。2） 低級(jí)的ASCII協(xié)議，由請(qǐng)求和應(yīng)答解碼，即由計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備通過串行線向測(cè)量機(jī)器人發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，等候應(yīng)答并對(duì)應(yīng)答解碼。

測(cè)量機(jī)器人可遠(yuǎn)程調(diào)用，且每個(gè)過程都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，每個(gè)標(biāo)識(shí)碼又與一個(gè)特定的請(qǐng)求相連，這樣可以通過發(fā)送ACSII請(qǐng)求，并得到ACSII應(yīng)答方式來控制測(cè)量機(jī)器人，TM50系列測(cè)量機(jī)器人不支持GSI指令，由GeoCOM ASCII來代替。

1.3 測(cè)量機(jī)器人的ASCII請(qǐng)求協(xié)議

ASCII請(qǐng)求協(xié)議語法如下。

[]%R1Q，[，]：[][，，...]

格式中的[ ]表示可選項(xiàng)，緩沖區(qū)初始化，等待接收數(shù)據(jù)，“%R1P”為GeoCOM函數(shù)第一種類型請(qǐng)求標(biāo)識(shí)，為遠(yuǎn)程過程調(diào)用碼，其值的范圍為0～65535[3]；GeoCOM函數(shù)任務(wù)標(biāo)識(shí)符，通常從1增加到7，且應(yīng)答中包括相同的ID值，分號(hào)（：）用來分隔頭與后續(xù)的參數(shù)；，，...表示參數(shù)0，參數(shù)1，...；為終止字符串，可用ASCII請(qǐng)求參數(shù)來修改，缺省值為CR/LR。

1.4 測(cè)量機(jī)器人的ASCII應(yīng)答協(xié)議

ASCII應(yīng)答協(xié)議語法如下。

%R1P，[，]：[，，， ...]

格式中[ ]表示可選項(xiàng)，“%R1P”表示GeoCOM第一種類型的應(yīng)答該請(qǐng)求，GeoCOM返回碼，反饋設(shè)備通信是否成功，返回0表示成功，與請(qǐng)求時(shí)發(fā)送的任務(wù)標(biāo)示符相同，如果請(qǐng)求時(shí)沒有該項(xiàng)則為0，為遠(yuǎn)程過程調(diào)用返回碼，該碼反映遠(yuǎn)程調(diào)用是否成功；分號(hào)（：）用來分隔頭與后續(xù)的參數(shù)[3]；，，...表示參數(shù)0，參數(shù)1，...；這些參數(shù)只有當(dāng)返回值為0時(shí)才有效；為終止字符串[3]。

1.5 數(shù)據(jù)通信方案的選擇

目前，Android設(shè)備具備藍(lán)牙、OTG（On-The-Go）、GPRS、IEEE 802.11以及NFC（Near Field Communication）等無線通信方案，現(xiàn)場(chǎng)一般近距離操作，采用OTG、GPRS，還需要增加額外費(fèi)用，NFC與IEEE 802.11部分設(shè)備不支持；藍(lán)牙具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、成本低以及通信距離適中等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，通信方案采用藍(lán)牙作為無線通信。測(cè)量機(jī)器人GeoCOM通信如圖1所示。

2 通信程序設(shè)計(jì)

2.1 軟件開發(fā)流程

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)觀測(cè)軟件的設(shè)計(jì)基本思路：儀器在導(dǎo)線點(diǎn)上安置調(diào)整就位后，使用串口線或藍(lán)牙與儀器連接，然后進(jìn)行測(cè)站設(shè)置，主要包括測(cè)站的限差、角度、距離測(cè)回?cái)?shù)、測(cè)站名設(shè)置以及天氣情況等，然后進(jìn)行初始測(cè)量，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始采集，然后開始自動(dòng)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)束后觀測(cè)成果自動(dòng)與規(guī)范要求進(jìn)行比對(duì)，如果不滿足規(guī)范要求，就彈出對(duì)話框等待人工進(jìn)一步干預(yù)操作。當(dāng)最終獲得合格的外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，保存該數(shù)據(jù)。工作流程圖如圖2所示。

2.2 開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)為Android 12，軟件基于Android studio編程實(shí)現(xiàn)，Android studio具有良好的擴(kuò)展性和交互性，直接編譯為原生代碼；此外，其還具有開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，是目前安卓軟件標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境。

2.3 程序設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目中添加對(duì)藍(lán)牙、字符操作的引用，具體如下。

import java.util.UUID；\用唯一標(biāo)識(shí)符引用

import java.lang.String；\字符串操作類引用

import android.os.Handler；\線程通信引用

import java.lang.Object；\基礎(chǔ)類引用

Import android.bluetooth.BluetoothAdapter；\藍(lán)牙適配器引用

import java.lang.StringBuilder；\字符串操作類引用

import android.util.Log；\日志輸出類引用

import android.os.Message；\添加信息操作類引用

2.3.1 連接儀器

采用無線藍(lán)牙連接移動(dòng)設(shè)備和儀器，首先設(shè)置藍(lán)牙串口服務(wù) （SPP） 的 UUID，開啟對(duì)串口的操作。其次，開始與設(shè)備匹配連接，實(shí)例代碼如下。

private final static String MY_UUID = "00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB";

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter(); Toast.makeText(getApplicationContext(), "請(qǐng)先連接設(shè)備", Toast.LENGTH_ SHORT).show(); return;

2.3.2 數(shù)據(jù)采集

采用JSON格式對(duì)測(cè)量機(jī)器人開發(fā)的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)例代碼如下。

指定測(cè)量機(jī)器望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)目標(biāo)，HZ代表望遠(yuǎn)鏡水平角位置，V代表望遠(yuǎn)鏡豎直角位置，響應(yīng)和超時(shí)時(shí)間限制，返回參數(shù)。

"SetDirection":{

"Enabled":true,

"Request":"%R1Q,9027:Hz,V,2,0,0 ",

"Response":"",

"ResponseDelimiter":" ",

"ResponsePattern":"(?:%R1P,0,0:)（?P\d+）",

"SleepTime":10.0,

"Timeout":30.0

}

測(cè)量機(jī)器采集水平角和距離，響應(yīng)和超時(shí)時(shí)間限制，返回參數(shù)。

"GetCoordinate":{

"Enabled":true,

"Request":"%R1Q,2108:1,0 ",

"ResponseDelimiter":" ",

"ResponsePattern":"（?:%R1P,0,0:）（?P\d+）（?:,（?P\d*\.?\d+）,（?P\d*\.?\d+）,（?P-?\d*\.?\d+））?",

"SleepTime":10.0,

"Timeout":30.0

}

測(cè)量機(jī)器換面并轉(zhuǎn)換望遠(yuǎn)鏡，響應(yīng)和超時(shí)時(shí)間限制，返回參數(shù)。

"ChangeFace": {

"enabled": true,

"request": "%R1Q,9028:1,0,0 ",

"responseDelimiter": " ",

"responsePattern": "（?:%R1P,0,0:）（?P\d+）",

"sleepTime": 10.0, "timeout": 30.0

}

2.3.3 常見通信錯(cuò)誤處理

測(cè)量機(jī)器人調(diào)試反饋指令約228個(gè)，施工作業(yè)常遇到錯(cuò)誤見表1，根據(jù)返回的參數(shù)提示操作者，等待人工干預(yù)，實(shí)例代碼如下。

表1 部分錯(cuò)誤列表

public static String LeicaError（String p0）{

String str；

switch （Integer.parseInt（p0））{

case 0：\返回結(jié)果0代表函數(shù)執(zhí)行完畢

str = "函數(shù)成功執(zhí)行完成。";

break；\跳出循環(huán)判斷

…

2.3.4 注意事項(xiàng)

GeoCOM ASCII提供設(shè)定氣壓、溫度以及濕度操作指令，在實(shí)際操作中，不建議在Android手簿上設(shè)置溫度、氣壓以及濕度等參數(shù)，直接進(jìn)入測(cè)量機(jī)器人內(nèi)進(jìn)行設(shè)定，避免因通信或操作不當(dāng)而導(dǎo)致氣象參數(shù)未修改正確。

2.3.4.1 獲取氣象參數(shù)

ASCII請(qǐng)求指令：%R1Q,2029

ASCII應(yīng)答指令：%R1P，0,0:RC,Lambda[double],Pressure[double],DryTemperature

2.3.4.2 設(shè)置氣象參數(shù)

ASCII請(qǐng)求指令：%R1Q,2028:Lambda[double]，Pressure[d

ouble],DryTemperature[double],WetTemperature[double]

ASCII應(yīng)答指令：%R1P,0,0:RC

3 應(yīng)用案例

3.1 觀測(cè)成果比對(duì)分析

以浙江南部某特長隧道導(dǎo)線測(cè)量為例，表2、表3分別為軟件自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)整理后的部分手簿。氣溫、氣壓分別在現(xiàn)場(chǎng)用氣壓計(jì)量測(cè)后輸入儀器，軟件主界面如圖3所示。由表2、表3可知，軟件觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總平均準(zhǔn)值為81 °31 '1.83 "，人工觀測(cè)成果為81 °31 '2.67"，在導(dǎo)線測(cè)量前已經(jīng)提前通知隧道班組停工，觀測(cè)時(shí)不存在外界機(jī)械擾動(dòng)等影響，由圖4的觀測(cè)數(shù)據(jù)和圖5數(shù)據(jù)聚合性分析可知，人工觀測(cè)和基于安卓系統(tǒng)開發(fā)的軟件自動(dòng)觀測(cè)精度一致，測(cè)量機(jī)器人至少能節(jié)省一倍的觀測(cè)時(shí)間（在復(fù)雜工況下可以節(jié)約更多的時(shí)間）。

表2 水平角觀測(cè)軟件

表3 人工觀測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總

3.2 現(xiàn)場(chǎng)常見問題處置

測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)超限的問題。在實(shí)際作業(yè)過程中會(huì)遇到某站觀測(cè)頻繁數(shù)據(jù)限差不合格的情況，問題大多出現(xiàn)在儀器本身或氣候不適合觀測(cè)，可以考慮采用以下方式解決：1）檢查測(cè)量機(jī)器人電子氣泡是否偏離中心位置，如果嚴(yán)重偏離，就需要重新整平；并全面檢查腳架的螺栓是否擰緊，保證擰緊適中；檢查后該測(cè)站重新觀測(cè)。2）檢查溫度測(cè)量結(jié)果是否存在突變；避免光源直接對(duì)著儀器照射，保留必要照明即可，測(cè)量機(jī)器人在夜間同樣能完成作業(yè)任務(wù)。3）測(cè)量機(jī)器人相對(duì)附近震動(dòng)源敏感性強(qiáng)，如果發(fā)現(xiàn)及時(shí)，就可以進(jìn)行協(xié)調(diào)解決。

觀測(cè)過程中偶爾出現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人目標(biāo)找尋錯(cuò)誤或無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的情況，可以考慮采用以下方式解決：1）檢查目標(biāo)范圍是否存在障礙物干擾（障礙物與目標(biāo)視線距離大于10 cm），并及時(shí)加以排除。2）目標(biāo)點(diǎn)雖然距離很遠(yuǎn)，但是二維面上距離較近，該問題多出現(xiàn)在曲線和直線過渡段、橋梁路基過渡段，提前籌劃觀測(cè)位置，保證觀測(cè)到足夠的目標(biāo)。3）在沿海隧道凌晨水汽變化較大，保證目標(biāo)棱鏡清晰可見。

4 結(jié)語

經(jīng)實(shí)踐證明，利用安卓系統(tǒng)開發(fā)的自動(dòng)測(cè)量程序具有較高的實(shí)用性，減少了因人工操作不當(dāng)導(dǎo)致的觀測(cè)誤差，在外業(yè)觀測(cè)時(shí)大大提高了觀測(cè)的效率；利用GeoCOM ASCII二次開發(fā)充分利用測(cè)量機(jī)器人和安卓設(shè)備的硬件優(yōu)勢(shì)，同時(shí)拓展了儀器的功能，可廣泛的應(yīng)用鐵路、公路施工控制測(cè)量。安卓設(shè)備比windows morble有更高的執(zhí)行效率，但是開發(fā)時(shí)需考慮適配設(shè)備廠商細(xì)節(jié)差異。另外安卓手簿帶有高精度的溫度、氣壓的傳感器，實(shí)現(xiàn)氣壓、溫度的自動(dòng)改正，那將具有更好的實(shí)用性。