基于嵌入式開發(fā)的便攜式水域測量系統(tǒng)

王 雪，岳建平，寧振國，周航宇

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

基于嵌入式開發(fā)的便攜式水域測量系統(tǒng)

王 雪，岳建平，寧振國，周航宇

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

基于水下地形測量原理,通過設(shè)計全新的船體結(jié)構(gòu)和雙動力系統(tǒng),加載船載的GPS RTK和測深儀,完成了測量船的基本制造裝配。通過開發(fā)岸基控制模塊自動導(dǎo)航軟件及基于嵌入式的船載控制模塊,實現(xiàn)了遙控測量船的水下地形數(shù)據(jù)采集和遠程控制功能。

遙控測量船；嵌入式；GPS RTK；測深儀；自動導(dǎo)航

隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，人們通過各種手段獲取了地球表面陸地部分較為詳細的地形信息，但是對地球大部分水域信息還缺乏了解。近年來，國內(nèi)外相繼推出了數(shù)種遙控測量船和無人船水域測量機器人系統(tǒng)，這些產(chǎn)品在水域調(diào)查、航道測量、危險水域水下測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但都難以解決便攜與功能需求的矛盾。因此，本文開發(fā)了全新的便攜式水域測量系統(tǒng)，通過設(shè)計全新的船體結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng),解決了便攜、安全、穩(wěn)定、續(xù)航、動力等問題，提高了遙控測量船的穩(wěn)定性和續(xù)航時間。

1 系統(tǒng)原理與船體設(shè)計

1.1 水下地形測量原理

水下地形測量，就是利用測量儀器來確定水底點三維坐標(biāo)的過程。實際測量過程中，一般采用GPS RTK獲取水面點的三維坐標(biāo)，測深儀獲取相應(yīng)點的水深，利用GPS RTK高程減去相應(yīng)的水深得到水底點的高程，從而得到水底點的三維坐標(biāo)。在水下地形測量的過程中應(yīng)該特別注意時間的同步性，以保證水下地形測量的精度。

1.2 遙控測量船設(shè)計

遙控測量船船長1.05 m，寬0.8 m，高0.4 m，配上可拆卸的平衡翼后長1.50 m，寬1.30 m。相比于以往的船體設(shè)計，該船更小巧輕便，同時，可部分拆卸后放入汽車后備箱以實現(xiàn)便攜的目的。在平衡翼的輔助下，船體可以在3～4級風(fēng)浪的情況下平穩(wěn)運行。船體采用雙體線性設(shè)計，能夠有效降低船體自重，同時也能增加船體在波浪中的穩(wěn)定性，從而增加抵抗風(fēng)浪的能力。船體設(shè)計如圖1所示。

圖1 船體實物圖

遙控測量船采用油電雙動力系統(tǒng)。船體主動力采用汽油機，當(dāng)汽油機出現(xiàn)故障時，可采用電動機輔助。為增加系統(tǒng)可靠性并減少復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)，汽油機和電動機控制不同的舵機。汽油機居后尾中部，單獨使用舵機，通過舵機和主動力，可以實現(xiàn)船體的加速、轉(zhuǎn)向和減速；在左右后部各安裝電動機，在主動力失效時，可通過控制電動機的速度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的。測量船中的用電設(shè)備通過蓄電池供電，蓄電池可以通過汽油機帶動發(fā)電機供電，以實現(xiàn)長時間的續(xù)航工作。雙動力系統(tǒng)在提供

足夠動力的同時能減少蓄電池配備的數(shù)量，有效降低船體的自重。該動力系統(tǒng)設(shè)計能滿足長時間野外工作的需要，而不需要攜帶大量的蓄電池備用，只需要攜帶足夠的汽油即可。目前，測量船經(jīng)過全新設(shè)計和長時間實驗改進已經(jīng)能實現(xiàn)遠程遙控航行，能實現(xiàn)長時間續(xù)航的要求。

2 系統(tǒng)集成與應(yīng)用

便攜式水域測量系統(tǒng)主要由船載控制模塊和岸基控制模塊兩大部分組成，兩部分承擔(dān)不同的工作，通過無線通信實現(xiàn)水下地形自動化測量，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成

2.1 船載控制模塊

船載控制模塊為基于工控主板的數(shù)據(jù)傳輸和船體控制單元。經(jīng)過大量的試驗對比，一般單片機在濕度較大等惡劣環(huán)境及長時間的運行過程中，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，且難以滿足功能擴展便利性的需求。因此，該模塊選用尺寸緊湊的嵌入式工控主板，主要功能為測量數(shù)據(jù)采集傳輸和船體檢測及控制。經(jīng)過板載程序設(shè)計開發(fā)，已經(jīng)能夠滿足數(shù)據(jù)采集、船體動作控制及雙動力系統(tǒng)的切換。

2.1.1 嵌入式主板

船載控制模塊選用PCM-3587工控主板。該主板是一款性價比高、尺寸緊湊的嵌入式控制模塊。在PC104規(guī)格的板子上實現(xiàn)了工業(yè)計算機所需要的功能，整合了南北橋、串/并口、高速USB2.0等。板載PC/104接口為16位ISA總線擴充連接器，可用來連接專用的PC/104模塊。由于船載控制模塊需要多串口接收測量數(shù)據(jù)和船體狀態(tài)信號，利用PC/104接口連接串口擴展模塊連接儀器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。主板集成了16路PWM輸出(與GPIO復(fù)用)，通過編制信號控制舵機和電動機。

2.1.2 測量數(shù)據(jù)采集

測深儀和GPS RTK同步采集點位坐標(biāo)和水深，通過串口傳輸給工控主板，工控主板通過數(shù)據(jù)處理和編制新的數(shù)據(jù)格式后無線傳輸給岸基控制端。GPS RTK實時定位精度可以達到厘米級，測深儀采集精度也可以達到厘米級，可以滿足水下地形測量的需求。在測量的過程中，時間的同步性至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用串口連接儀器，通過工控主板控制儀器數(shù)據(jù)的接收，能真正實現(xiàn)自動化測量的目的，且不依賴于單個儀器，同時也能保證時間的基本同步性，相比于利用記錄時間等作為參考，數(shù)據(jù)后處理過程也將會大大簡化。GPS的采樣間隔也可以通過串口指令進行設(shè)置，以滿足不同環(huán)境條件下的測量要求。綜上所述，利用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集和傳輸，能很大程度減少人工操作和數(shù)據(jù)處理。

在接收測量數(shù)據(jù)和船體信息時需要用到多個串口，因此需要利用多線程串口通訊技術(shù)。在主板預(yù)裝嵌入式操作系統(tǒng)的前提下利用基于API函數(shù)的CSerialPort類能實現(xiàn)多線程串口通訊，相比于直接利用API函數(shù)可以節(jié)約編程的工作量和對串口的底層控制，特別是針對多線程多串口的編程易于實現(xiàn)，從而可以提高編程效率。向串口發(fā)送數(shù)據(jù)可直接操作WriteToPort函數(shù)，本模塊需要定時向岸基控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，通過定時器設(shè)置發(fā)送間隔即可實現(xiàn)。串口接收數(shù)據(jù)具體流程如圖3所示。串口監(jiān)聽線程通過事件獲取函數(shù)得到串口事件，以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)來進行數(shù)據(jù)處理。

圖3 串口接收數(shù)據(jù)流程

2.1.3 船體狀態(tài)

船體狀態(tài)包括船載攝像頭、電子羅盤和GPIO輸入信號，如圖2所示。電子羅盤獲取當(dāng)前船體航行的航向傳輸給工控主板，為自動導(dǎo)航提供信息。GPIO輸入可以獲取當(dāng)前船體的狀態(tài)信息。當(dāng)遇到緊急情況時，如汽油油位偏低，岸基控制模塊可以通過GPIO信號得知當(dāng)前船體的狀態(tài)，發(fā)送返回指令。相比于以往的遙控測量船，本系統(tǒng)加入視頻傳輸系統(tǒng)，且視頻傳輸系統(tǒng)是一套獨立的系統(tǒng)。視頻系統(tǒng)可以遠距離傳送船體周圍的實際狀況，通過此功能該遙控測量船在其他領(lǐng)域也能得到應(yīng)用，例如，可以利用該遙控測量船遠距離觀察危險水域及人類了解甚少的水域地帶周圍的詳細信息。

2.1.4 船體控制

船體控制包括汽油機的方向舵機、油門舵機以及電動機控制。操作人員根據(jù)船體的狀態(tài)利用岸基控制模塊發(fā)送控制信息到工控主板，工控主板控制船體動作，包括電機、油門舵機及方向舵機。當(dāng)汽油機工作時，主要控制方向舵機和油門舵機，當(dāng)汽油機出現(xiàn)故障，啟動電動機繼續(xù)航行。相比于以往產(chǎn)品的電力驅(qū)動遙控測量船，汽油機驅(qū)動動力更強勁，可以主動控制油門大小。在波浪和風(fēng)力比較大的情況下，操作人員可以設(shè)置合適的油門大小來達到合適的速度以滿足水下地形測量的要求。

方向舵機和油門舵機通過調(diào)制PWM(Pulse-Width Modulation)信號控制。PWM即脈沖寬度調(diào)制，具有控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換等領(lǐng)域。在本模塊舵機控制中，PWM信號周期是20 ms，0°～180°的轉(zhuǎn)角對應(yīng)的正脈沖寬度是0.5～2.5 ms，其中1.5 ms對應(yīng)舵機為90°時情況。

2.2 岸基控制模塊

岸基控制模塊為自動導(dǎo)航軟件，當(dāng)無CORS站時還需要架設(shè)GPS基準(zhǔn)站。軟件通過無線模塊接收測量數(shù)據(jù)和船體狀態(tài)信息。操作人員根據(jù)接收的信息通過軟件發(fā)送遠程控制信號對遙控測量船進行遠程控制。軟件功能模塊分為導(dǎo)航規(guī)劃、自動導(dǎo)航和人工控制。

2.2.1 導(dǎo)航規(guī)劃

自動導(dǎo)航軟件根據(jù)測量的水域范圍和測量的需要預(yù)設(shè)測量線。在預(yù)先得知測量范圍的坐標(biāo)的情況下，人工設(shè)置航距和航線。規(guī)劃導(dǎo)航線是自動導(dǎo)航的前提，通過預(yù)設(shè)導(dǎo)航線，數(shù)據(jù)采集的密度更加均勻，且在不同區(qū)域根據(jù)不同的需要可以采取不同的航距和采集密度，后期的質(zhì)量控制更能夠得到保障。

2.2.2 自動導(dǎo)航

自動導(dǎo)航軟件實時接收來自船體的定位信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的導(dǎo)航線經(jīng)過實時處理和快速解算得出偏離預(yù)設(shè)航線的距離。通過不斷檢測船只坐標(biāo)與路線的偏離狀況，實時發(fā)出指令，即時調(diào)整測量船前進方向，實現(xiàn)自動導(dǎo)航的目的。該模塊還包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)接收到的坐標(biāo)不是本地坐標(biāo)系時需要轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)系下。根據(jù)當(dāng)?shù)匾阎淖鴺?biāo)點計算相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將實時接收的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下。相比于人工控制導(dǎo)航，自動導(dǎo)航系統(tǒng)能減少操作人員的復(fù)雜操作，真正實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)采集的自動化和智能化。

2.2.3 人工控制

人工控制是指在船體自動導(dǎo)航的同時，操作人員可以對船體動作外加控制。人工控制包括油門控制、舵機控制、電機控制等，可以實現(xiàn)遙控測量船的加速、減速、倒退和轉(zhuǎn)向。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，可以控制船體偏離航線運行，當(dāng)油位狀態(tài)較低發(fā)出警報時，可以發(fā)出返回指令。軟件可以根據(jù)航行的路線計算最佳返回路徑完成自動返回任務(wù)。人工控制模塊增加了遙控測量船的應(yīng)急能力，面對各種突發(fā)狀況時可以及時返回。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

通過船載控制系統(tǒng)和岸基控制系統(tǒng)的開發(fā)集成，完成便攜式水域測量系統(tǒng)的研制，經(jīng)過多次調(diào)試改進，能夠順利完成水下地形測量任務(wù)與自動導(dǎo)航功能。便攜式水域測量系統(tǒng)將進一步滿足中小型水庫、枯水期淺水道測量、亂水區(qū)大比例航道測量、狹窄水域整治、填挖方工程中自動化水深采集的需求，提高施工測量中水下地形自動化采集的效率。

3 結(jié)束語

本文的便攜式水域測量系統(tǒng)通過全新的設(shè)計和多項技術(shù)的集成，能夠完成水下地形自動測量的目的。全新的船體設(shè)計體積減小，滿足了便攜的需求。相比于傳統(tǒng)的電力驅(qū)動，雙動力驅(qū)動大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時增加了續(xù)航時間，為野外工作提供了保障。便攜式水域測量系統(tǒng)的推廣，將會大大提高特殊水域水下地形測量的效率，不斷滿足水下地形測量的社會需求。

[1]劉仁杰，姚星周.Windows 環(huán)境下多線程多串口通訊的實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2011，24(5): 32-33.

[2]吳元芝，楊傳華，林晨光，等.設(shè)計航速下無人遙控測量船主機功率計算及選型[J].南京工程學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版，2012，10(2): 56-58.

[3]李征航，黃勁松.GPS 測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[4]黃雪梅，范強，魏修亭.舵機控制用 PWM 信號的研究與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2010 (5): 28-30.

[5]林旭波,丁繼勝,唐秋華.基于GPS高精度定位的便攜遙控水上測量船技術(shù)研究及集成[J].測繪通報，2012(S1)：706-708.

[6]曹明，趙傳虎.基于CORS的機動水位自動監(jiān)測和遙報系統(tǒng)[J].交通科技與經(jīng)濟，2014，16(4)：100-104.

[7]程劍剛.網(wǎng)絡(luò)RTK聯(lián)合聲波測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用[J].測繪工程，2014，23(3)：63-65.

[8]閆永輝，徐建新，吳文強，等.GPS-PPK 結(jié)合測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用[J].人民黃河，2013 (5): 128-130.

[9]姜仁輝，佰春明.GPS 結(jié)合測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù)，2011，47(12): 43-44.

[10]王建忠，王玉龍.多波束與RTK三維水深測量技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用[J].測繪工程，2014，23(4)：65-68.

[11]萬紫，劉江，徐慶華，等.基于多源空間數(shù)據(jù)的河道水城變化監(jiān)測方法研究[J].測繪工程，2014，23(5)：37-41.

[12]趙珞成.GPS輸出的NMEA0183信號的時間特性分析[J].海洋測繪，2002，22(3): 19-21.

[13]周建鄭，楊中利.GPS實時動態(tài)測量在故縣水庫水下地形測量中的應(yīng)用[J].海洋測繪，2002，22(3): 32-34.

[14]高斌，吳向陽，劉娟.GPS 在水下地形測量工程中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2009，34(S2)：149-150.

[15]高成發(fā)，趙毅.差分 GPS 水深測量系統(tǒng)在港口工程中的應(yīng)用[J].測繪工程，2004，13(4): 16-19.

[16]史建青，焦明連，董春來.信標(biāo) GPS 定位信號與測深儀水聲信號的融合技術(shù)研究[J].測繪工程，2011，20(2): 18-20.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

The portable survey system of the water region based on embedded system

WANG Xue, YUE Jian-ping, NING Zhen-guo, ZHOU Hang-yu

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Based on bathymetric surveying principle, through the development of new design and the system supported by double power, and by use of GPS RTK and sounder, the remote control survey boat is developed. Through the development of embedded shipboard control module and shore-based control module, the data collection and automatic navigation of the remote control survey boat are realized.

remote survey boat; embedded; GPS RTK; echosounder; automatic navigation

2013-12-31；補充更新日期：2014-10-12

王 雪(1990-)，男，碩士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0067-04