張攀華

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

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

1 測量機器人開發(fā)方案選擇

1.1 TM50測量機器人

TM50全站儀是徠卡全新一代全站儀，具有測量機器人目標全自動搜索、動態(tài)目標跟蹤、高精確辨識及照準目標的功能，是可以獲取角度（水平角、豎直角）、距離（平距、斜距）以及空間三維坐標等信息的智能全站儀。TM50測量機器人二次開發(fā)方案有2種：1） 利用GeoBasic或Geoc++編程工具開發(fā)，編譯后上傳目標設備并調試使用，其優(yōu)點是直接采用廠商底層API函數執(zhí)行，代碼執(zhí)行效率較高，缺點是受限于設備本身處理器的運算能力限制，對開發(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，通過串口與計算機或移動設備進行聯(lián)機數據通信，其優(yōu)點是復雜擴展計算由移動設備處理，移動設備和測量機器人通信清晰透明，可以及時發(fā)現并處理異常問題，靈活性高、拓展性豐富，軟件開發(fā)整個周期較短，通過網絡可實現遠程執(zhí)行，是目前普遍采用的開發(fā)方式，缺點是需要單獨采購移動開發(fā)設備。該文采用第二種方法操作TM50全站儀。

1.2 測量機器人GeoCOM接口技術要求

GeoCOM是一種測量機器人的通信接口，是基于SUN微系統(tǒng)的遠程調用（RPC）建立的，有2種協(xié)議：1） 調用GeoCOM函數，采用編程開發(fā)工具，按照作業(yè)需求，根據流程進行應答。2） 低級的ASCII協(xié)議，由請求和應答解碼，即由計算機或移動設備通過串行線向測量機器人發(fā)送一個請求，等候應答并對應答解碼。

測量機器人可遠程調用，且每個過程都對應一個唯一的標識，每個標識碼又與一個特定的請求相連，這樣可以通過發(fā)送ACSII請求，并得到ACSII應答方式來控制測量機器人，TM50系列測量機器人不支持GSI指令，由GeoCOM ASCII來代替。

1.3 測量機器人的ASCII請求協(xié)議

ASCII請求協(xié)議語法如下。

[]%R1Q，[，]：[][，，...]

格式中的[ ]表示可選項，緩沖區(qū)初始化，等待接收數據，“%R1P”為GeoCOM函數第一種類型請求標識，為遠程過程調用碼，其值的范圍為0～65535[3]；GeoCOM函數任務標識符，通常從1增加到7，且應答中包括相同的ID值，分號（：）用來分隔頭與后續(xù)的參數；，，...表示參數0，參數1，...；為終止字符串，可用ASCII請求參數來修改，缺省值為CR/LR。

1.4 測量機器人的ASCII應答協(xié)議

ASCII應答協(xié)議語法如下。

%R1P，[，]：[，，， ...]

格式中[ ]表示可選項，“%R1P”表示GeoCOM第一種類型的應答該請求，GeoCOM返回碼，反饋設備通信是否成功，返回0表示成功，與請求時發(fā)送的任務標示符相同，如果請求時沒有該項則為0，為遠程過程調用返回碼，該碼反映遠程調用是否成功；分號（：）用來分隔頭與后續(xù)的參數[3]；，，...表示參數0，參數1，...；這些參數只有當返回值為0時才有效；為終止字符串[3]。

1.5 數據通信方案的選擇

目前，Android設備具備藍牙、OTG（On-The-Go）、GPRS、IEEE 802.11以及NFC（Near Field Communication）等無線通信方案，現場一般近距離操作，采用OTG、GPRS，還需要增加額外費用，NFC與IEEE 802.11部分設備不支持；藍牙具有功耗低、抗干擾能力強、成本低以及通信距離適中等優(yōu)點，可以滿足現場使用要求，通信方案采用藍牙作為無線通信。測量機器人GeoCOM通信如圖1所示。

2 通信程序設計

2.1 軟件開發(fā)流程

測量機器人自動觀測軟件的設計基本思路：儀器在導線點上安置調整就位后，使用串口線或藍牙與儀器連接，然后進行測站設置，主要包括測站的限差、角度、距離測回數、測站名設置以及天氣情況等，然后進行初始測量，對目標點數據進行初始采集，然后開始自動觀測，觀測結束后觀測成果自動與規(guī)范要求進行比對，如果不滿足規(guī)范要求，就彈出對話框等待人工進一步干預操作。當最終獲得合格的外業(yè)觀測數據時，保存該數據。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編程實現，Android studio具有良好的擴展性和交互性，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，是目前安卓軟件標準的開發(fā)環(huán)境。

2.3 程序設計

在項目中添加對藍牙、字符操作的引用，具體如下。

import java.util.UUID；\用唯一標識符引用

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；\基礎類引用

Import android.bluetooth.BluetoothAdapter；\藍牙適配器引用

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

采用無線藍牙連接移動設備和儀器，首先設置藍牙串口服務 （SPP） 的 UUID，開啟對串口的操作。其次，開始與設備匹配連接，實例代碼如下。

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

private BluetoothAdapter mBluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter(); Toast.makeText(getApplicationContext(), "請先連接設備", Toast.LENGTH_ SHORT).show(); return;

2.3.2 數據采集

采用JSON格式對測量機器人開發(fā)的參數進行存儲，實例代碼如下。

指定測量機器望遠鏡照準目標，HZ代表望遠鏡水平角位置，V代表望遠鏡豎直角位置，響應和超時時間限制，返回參數。

"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

}

測量機器采集水平角和距離，響應和超時時間限制，返回參數。

"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

}

測量機器換面并轉換望遠鏡，響應和超時時間限制，返回參數。

"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 常見通信錯誤處理

測量機器人調試反饋指令約228個，施工作業(yè)常遇到錯誤見表1，根據返回的參數提示操作者，等待人工干預，實例代碼如下。

表1 部分錯誤列表

public static String LeicaError（String p0）{

String str；

switch （Integer.parseInt（p0））{

case 0：\返回結果0代表函數執(zhí)行完畢

str = "函數成功執(zhí)行完成。";

break；\跳出循環(huán)判斷

…

2.3.4 注意事項

GeoCOM ASCII提供設定氣壓、溫度以及濕度操作指令，在實際操作中，不建議在Android手簿上設置溫度、氣壓以及濕度等參數，直接進入測量機器人內進行設定，避免因通信或操作不當而導致氣象參數未修改正確。

2.3.4.1 獲取氣象參數

ASCII請求指令：%R1Q,2029

ASCII應答指令：%R1P，0,0:RC,Lambda[double],Pressure[double],DryTemperature

2.3.4.2 設置氣象參數

ASCII請求指令：%R1Q,2028:Lambda[double]，Pressure[d

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

ASCII應答指令：%R1P,0,0:RC

3 應用案例

3.1 觀測成果比對分析

以浙江南部某特長隧道導線測量為例，表2、表3分別為軟件自動觀測和人工觀測整理后的部分手簿。氣溫、氣壓分別在現場用氣壓計量測后輸入儀器，軟件主界面如圖3所示。由表2、表3可知，軟件觀測數據匯總平均準值為81 °31 '1.83 "，人工觀測成果為81 °31 '2.67"，在導線測量前已經提前通知隧道班組停工，觀測時不存在外界機械擾動等影響，由圖4的觀測數據和圖5數據聚合性分析可知，人工觀測和基于安卓系統(tǒng)開發(fā)的軟件自動觀測精度一致，測量機器人至少能節(jié)省一倍的觀測時間（在復雜工況下可以節(jié)約更多的時間）。

表2 水平角觀測軟件

表3 人工觀測觀測數據匯總

3.2 現場常見問題處置

測站觀測數據超限的問題。在實際作業(yè)過程中會遇到某站觀測頻繁數據限差不合格的情況，問題大多出現在儀器本身或氣候不適合觀測，可以考慮采用以下方式解決：1）檢查測量機器人電子氣泡是否偏離中心位置，如果嚴重偏離，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；檢查后該測站重新觀測。2）檢查溫度測量結果是否存在突變；避免光源直接對著儀器照射，保留必要照明即可，測量機器人在夜間同樣能完成作業(yè)任務。3）測量機器人相對附近震動源敏感性強，如果發(fā)現及時，就可以進行協(xié)調解決。

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

4 結語

經實踐證明，利用安卓系統(tǒng)開發(fā)的自動測量程序具有較高的實用性，減少了因人工操作不當導致的觀測誤差，在外業(yè)觀測時大大提高了觀測的效率；利用GeoCOM ASCII二次開發(fā)充分利用測量機器人和安卓設備的硬件優(yōu)勢，同時拓展了儀器的功能，可廣泛的應用鐵路、公路施工控制測量。安卓設備比windows morble有更高的執(zhí)行效率，但是開發(fā)時需考慮適配設備廠商細節(jié)差異。另外安卓手簿帶有高精度的溫度、氣壓的傳感器，實現氣壓、溫度的自動改正，那將具有更好的實用性。