基于差分GPS定位的深海采礦車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)*

侯 奔

(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

基于差分GPS定位的深海采礦車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)*

侯 奔

(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用研究所，湖南 長(zhǎng)沙410012)

深海采礦車(chē)的行進(jìn)軌跡對(duì)于采集效率非常重要，而現(xiàn)有的商業(yè)組態(tài)軟件難以滿(mǎn)足對(duì)采礦車(chē)軌跡監(jiān)控的要求。針對(duì)這種現(xiàn)狀，提出以VisualC++軟件為平臺(tái)、基于差分GPS定位的深海采礦車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件。根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)四個(gè)軟件模塊。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和保存的數(shù)據(jù)，對(duì)差分GPS定位的精度進(jìn)行了分析。運(yùn)行結(jié)果表明，該軟件實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)且具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

差分GPS；軌跡監(jiān)控；OPC；ADO

0 引言

深海采礦車(chē)是一種履帶式海底作業(yè)車(chē)輛，一般采用車(chē)體自行走方式采礦。車(chē)體上部用電纜和輸送管道與海面上的船體相連接，船體為車(chē)體供電產(chǎn)生動(dòng)力,因此車(chē)體作業(yè)的區(qū)域和船體之間有相應(yīng)的約束關(guān)系。為了保證采集效率和采集系統(tǒng)的安全運(yùn)行，深海采礦車(chē)的采集作業(yè)必須在規(guī)定的海域進(jìn)行。因此，務(wù)必對(duì)采礦車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并隨時(shí)做相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件對(duì)于深入研究采礦車(chē)本身的運(yùn)動(dòng)和控制模型提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)于后續(xù)的采礦車(chē)按指定路徑運(yùn)行的自動(dòng)控制算法的研究同樣具有指導(dǎo)意義。

1 差分GPS定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、Opto22控制器和PC組成，如圖1所示。

圖1 差分GPS定位系統(tǒng)整體組成

本研究所用的海洋采礦試驗(yàn)場(chǎng)地為長(zhǎng)40 m，寬10 m，深5 m的水池，普通的GSP定位誤差為10 m以?xún)?nèi)，顯然不符合定位精度要求。本文采用差分定位的方式獲取更高的精度，由兩臺(tái)GPS組成差分定位系統(tǒng)，一臺(tái)基站和一臺(tái)移動(dòng)站。差分信號(hào)由基站輸出到移動(dòng)站，移動(dòng)站根據(jù)差分信號(hào)進(jìn)行定位修正，使定位精度達(dá)到厘米級(jí)。使用時(shí)基站固定不動(dòng)，移動(dòng)站安裝于運(yùn)動(dòng)體上。

Opto22控制器裝在車(chē)體中，用于采集車(chē)體各種傳感器的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，同時(shí)接收GPS移動(dòng)站的數(shù)據(jù)輸出。

PC是運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件的載體，與Opto22控制器處于同一局域網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)Opto22的相關(guān)變量進(jìn)行處理。監(jiān)控軟件對(duì)車(chē)體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖形顯示、計(jì)算車(chē)體的速度等參數(shù)，并對(duì)所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行保存，以便日后分析。

2 監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件與Opto22控制器實(shí)時(shí)通信，接收其中需要進(jìn)行顯示和進(jìn)一步處理的變量。對(duì)從控制器中獲取的變量進(jìn)行分析計(jì)算，將車(chē)體的平面直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡以圖形的方式實(shí)時(shí)刷新顯示；對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以供理論分析所用。綜上所述，監(jiān)控軟件由實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)四個(gè)模塊組成。

2.1 實(shí)時(shí)通信模塊設(shè)計(jì)

圖2 實(shí)時(shí)通信模塊工作流程

本模塊采用OPC接口的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。OPC是基于微軟的COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，被眾多PLC廠家支持的一種通用通信方式。其分為Server和Client端，Server端供應(yīng)數(shù)據(jù)，Client端則使用數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，Opto22控制器就是OPC的Server端，而監(jiān)控軟件就是Client端[1-5]。實(shí)時(shí)通信模塊的工作流程如圖2所示。

實(shí)時(shí)通信模塊的關(guān)鍵接口設(shè)計(jì)如下：

(1) 初始化一個(gè)服務(wù)器實(shí)例

IOPCServer

*InstantiateServer(wchar_t ServerName[]){

HRESULThr;

CLSIDclsid;

IOPCServer *opcServer;

hr = CLSIDFromProgID(ServerName,&clsid);

//獲取CLSID結(jié)構(gòu)

……

hr = CoCreateInstance(clsid,

NULL,CLSCTX_LOCAL_SERVER,IID_IOPCServer,(void **)&opcServer);

//返回服務(wù)器實(shí)例

……

}

本監(jiān)控軟件的服務(wù)端是Opto22控制器，因此ServerName這個(gè)參數(shù)填寫(xiě)“Opto22.OpcServer.2”，調(diào)用后返回一個(gè)IOPCServer類(lèi)型的指針，隨后針對(duì)數(shù)據(jù)組的操作都在這個(gè)指針上進(jìn)行。

(2) 添加一個(gè)數(shù)據(jù)組

int AddTheGroup(IOPCServer* pIOPCServer,

IOPCItemMgt* &pIOPCItemMgt,wchar_t

*pGrpName,OPCHANDLE& hServerGroup){

……

HRESULThr =

pIOPCServer->AddGroup(……)

//添加數(shù)據(jù)組

……

}

pIOPCServer參數(shù)填入初始化服務(wù)器實(shí)例得到的IOPCServer指針參數(shù)，pIOPCItemMgt是一個(gè)返回的指向數(shù)據(jù)組的指針參數(shù)，針對(duì)數(shù)據(jù)組的操作都針對(duì)這個(gè)指針進(jìn)行。pGrpName可以傳入任何名字，用來(lái)表示這個(gè)組。

(3)添加數(shù)據(jù)項(xiàng)

int AddTheItem(IOPCItemMgt* pIOPCItemMgt,

int numItems,OPCITEMDEF *opcItems,

OPCHANDLE *hServerItems){

OPCITEMRESULT*pAddResult=NULL;

HRESULT*pErrors = NULL;

HRESULThr =

pIOPCItemMgt->AddItems(numItems,

opcItems,&pAddResult,&pErrors);

//添加數(shù)據(jù)項(xiàng)

……

}

pIOPCItemMgt是添加數(shù)據(jù)組接口得到的指針，opcItems是實(shí)際需要添加到組中的數(shù)據(jù)項(xiàng)，numItems是數(shù)據(jù)項(xiàng)的個(gè)數(shù)。

(4)讀取數(shù)據(jù)接口

int ReadItems(IUnknown* pGroupIUnknown,

int num,OPCItems *pOPCItems)

pGroupIUnknown是添加數(shù)據(jù)組接口得到的指針，pOPCItems指向的數(shù)組用來(lái)保存獲取的數(shù)據(jù)，num是數(shù)組長(zhǎng)度。

(5)寫(xiě)入數(shù)據(jù)接口

int WriteItem(IUnknown* pGroupIUnknown,

OPCHANDLEhServerItem,VARIANT& varValue)

pGroupIUnknown是添加數(shù)據(jù)組接口得到的指針，hServerItem是添加數(shù)據(jù)項(xiàng)返回的句柄，varValue用來(lái)容納需要寫(xiě)入Opto22控制器的具體數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

本模塊從實(shí)時(shí)通信模塊中獲取的數(shù)據(jù)分為顯示類(lèi)和計(jì)算類(lèi)兩種數(shù)據(jù)，顯示類(lèi)只需在軟件上簡(jiǎn)單顯示車(chē)體各類(lèi)傳感器信號(hào)、各類(lèi)開(kāi)關(guān)量檢測(cè)信號(hào)等信息；計(jì)算類(lèi)則需進(jìn)一步處理如車(chē)體的經(jīng)度、緯度、時(shí)間數(shù)據(jù)，并從這些數(shù)據(jù)中算出車(chē)體當(dāng)前相對(duì)于GPS基站的平面坐標(biāo)、車(chē)體的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。

移動(dòng)站的數(shù)據(jù)輸出格式為GPGGA語(yǔ)句，格式如下：

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx

其中幾個(gè)重要字段含義如表1所示。

表1 GPGGA語(yǔ)句各字段含義

從移動(dòng)站GPS數(shù)據(jù)中得到的經(jīng)緯度是WGS-84坐標(biāo)，屬于大地坐標(biāo)系。在實(shí)際的定位應(yīng)用中，通常需要將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。高斯坐標(biāo)適合于大區(qū)域的展開(kāi)，但是運(yùn)算復(fù)雜；而采礦車(chē)通常只在較小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的區(qū)域可以近似為一個(gè)平面，因此宜采用一種較簡(jiǎn)單的算法。本文定義GPS基站所處的位置作為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X軸正方向定義沿緯度線圈向東，Y軸正方向定義經(jīng)度線圈向北。則移動(dòng)站所處位置相對(duì)于基站的平面坐標(biāo)(X，Y)計(jì)算方法[6-7]如式(1)～式(6)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Y=Xo×Log

(6)

式中，a為地球橢球長(zhǎng)半軸；b為地球橢球短半軸；Lato為原點(diǎn)的緯度；Xo、Yo為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)；xA、yA為移動(dòng)站沿緯線與過(guò)原點(diǎn)之經(jīng)線交點(diǎn)的直角坐標(biāo)；Log為過(guò)原點(diǎn)的緯線圈與移動(dòng)站沿經(jīng)線與之交點(diǎn)的經(jīng)度差。

車(chē)體的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算如式(7)所示：

(7)

其中X1、X2、Y1、Y2為移動(dòng)站相鄰兩點(diǎn)的X，Y直角坐標(biāo)。

本模塊計(jì)算直角坐標(biāo)的接口設(shè)計(jì)如下：

double calc_xy_log(double log1,double lat1,double

log2,double lat2,double *x,double *y){

基站直角坐標(biāo)計(jì)算

移動(dòng)站直角坐標(biāo)計(jì)算

*x=移動(dòng)站X坐標(biāo)

*y=移動(dòng)站Y坐標(biāo)

}

其中，log1為GPS基站的經(jīng)度；lat1為GPS基站的緯度；log2為GPS移動(dòng)站的經(jīng)度；lat2為GPS移動(dòng)站的緯度；x為計(jì)算得出的移動(dòng)站X坐標(biāo)；y為計(jì)算得出的移動(dòng)站Y坐標(biāo)。

2.3 圖形顯示模塊設(shè)計(jì)

在計(jì)算處理模塊得出車(chē)體的(X，Y)坐標(biāo)后，需要以圖形的形式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，本模塊主要的技術(shù)難點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)：需要高速、實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)要避免圖形的閃爍；繪圖效率要高，避免影響其他模塊工作；需要大數(shù)據(jù)量的保存，確保實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)軌跡點(diǎn)都有顯示。

根據(jù)以上要求，本模塊采用基于繼承的方式繪圖。原理是從CStatic類(lèi)繼承出一個(gè)自定義的圖像類(lèi)，在該類(lèi)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和繪制[8-9]。通過(guò)雙緩存的機(jī)制，提高繪圖的效率；重寫(xiě)本類(lèi)的OnPaint接口[10]，解決圖形的閃爍問(wèn)題；定義出適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)都能繪制出來(lái)。

該類(lèi)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)如下：

class Trace : public CStatic{

(Construction)

public:

CurveDevice(CWnd * parent,CRect

&rectBorder,int type);

void m_LoadData

(vector&rec);

virtual ～CurveDevice();

//加載所有數(shù)據(jù)

private:

vectorm_VecRecord;

//存儲(chǔ)所有的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)

DWORDm_RecordStartPos;

//數(shù)組的當(dāng)前起始位置

void Draw_XY(void);

//繪制X-Y直角坐標(biāo)軌跡圖

};

本類(lèi)中兩個(gè)結(jié)構(gòu)體Coordinate、 CoordinateFloat分別是屏幕像素點(diǎn)和GPS移動(dòng)站的(X，Y)坐標(biāo)。將GPS坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于屏幕的像素點(diǎn)通過(guò)m_LoadData接口完成。

void CurveDevice::CD_LoadData

(vector&rec){

int i;

Coordinate Coordinate_data;

for (i=0; i

{

(坐標(biāo)變換公式，代碼略)

}

Draw_XY();

//繪制出軌跡圖

}

如果在窗口上直接繪圖，則會(huì)不斷產(chǎn)生WM_PAINT消息，導(dǎo)致閃爍的現(xiàn)象。本模塊采用雙緩存的方式繪圖，原理是在內(nèi)存位圖中繪制圖形，然后一次性粘貼到需要顯示的窗口，其接口設(shè)計(jì)如下：

void Draw_XY(void){

CBitmap bmp;

//內(nèi)存中承載臨時(shí)圖象的位圖

dcMem.CreateCompatibleDC(pDC);

//創(chuàng)建兼容內(nèi)存DC

//創(chuàng)建兼容位圖

bmp.CreateCompatibleBitmap(&dcMem,rect.Width(),rect.Height());

……

pDC->BitBlt(0,0,rect.Width(),rect.Height(),&d

cMem,0,0,SRCCOPY);

//將內(nèi)存DC上的圖象拷貝到前臺(tái)

}

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

在計(jì)算處理模塊得出結(jié)果后，同時(shí)要將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便試驗(yàn)后進(jìn)行理論分析。本文采用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)完成，其優(yōu)點(diǎn)是小巧、速度快且安裝方便，作為Office辦公軟件的一部分，在大多數(shù)計(jì)算機(jī)中都有安裝。本監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的操作接口有ODBC、DAO和ADO幾種，其中ADO[11-12]是速度最快的一種方式，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的快速處理需求。使用ADO之前需要引入系統(tǒng)的ADO動(dòng)態(tài)庫(kù)，在stdafx.h中加入如下代碼:

#import "C:Program FilesCommon FilesSystem

adomsado15.dll"no_namespace

rename("EOF","rsEOF")

關(guān)鍵接口設(shè)計(jì)如下：

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)連接

BOOLADO_GetConn(_ConnectionPtr &pConn){

CString strSRC="Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;

Data Source=";

……

strSRC += "\vehicle.mdb";

//數(shù)據(jù)庫(kù)名稱(chēng)

……

pConn->Open(……)

}

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入

int ADO_AddRecord

(_ConnectionPtr pConn,_RecordsetPtr pRst,void *DataBuf,int FileType,int flag){

ADO_GetRecordSet(pConn,pRst,FileType)

//獲取記錄集

pRst->AddNew();

pRst->PutCollect("Time",(_variant_t)str);

……

}

3 運(yùn)行結(jié)果

3.1 定點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GPS信號(hào)好壞進(jìn)行兩次長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，每次運(yùn)行6 h?；疚恢貌蛔儯苿?dòng)站處于基站東北角1.4 m處，手工測(cè)量沿緯線距離基站約1.05 m，沿經(jīng)線距離基站約0.95 m。作為動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的目的在于檢測(cè)差分GPS定位的實(shí)際精度。

(1) GPS信號(hào)無(wú)遮擋

GPS信號(hào)無(wú)遮擋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，軌跡點(diǎn)分布如圖3所示。

表3 移動(dòng)站直角坐標(biāo)

(2)GPS信號(hào)有遮擋

GPS信號(hào)不能持續(xù)良好，有時(shí)出現(xiàn)遮擋情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。軌跡點(diǎn)分布如圖4所示。

表4 移動(dòng)站直角坐標(biāo)

(3)移動(dòng)站軌跡

圖3 實(shí)驗(yàn)1軌跡圖

圖4 實(shí)驗(yàn)2軌跡圖

表3、表4的極值數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值，實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)記錄在本軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 采礦車(chē)運(yùn)動(dòng)定位實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行采礦車(chē)的行駛實(shí)驗(yàn)，在監(jiān)控軟件中得到實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，圖中曲線代表車(chē)體運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5 采礦車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡界面

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，差分GPS的定位精度與信號(hào)強(qiáng)度直接相關(guān)，不能出現(xiàn)遮擋的情況，否則將出現(xiàn)較大的誤差。因此在實(shí)際使用中，必須再引入其他輔助定位手段或一些處理算法來(lái)保證定位的可信度，這也是后續(xù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 結(jié)論

本文介紹了基于差分GPS定位的深海采礦車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)，在Vsiual C++軟件平臺(tái)上，根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)通信、計(jì)算處理、圖形顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)保存四個(gè)模塊。在作者單位的海洋采礦實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的運(yùn)行結(jié)果表明，軟件實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的功能，完成了車(chē)體控制器變量的監(jiān)控。

在實(shí)際的深海采礦中，定位方式會(huì)發(fā)生改變，將由聲學(xué)定位和慣導(dǎo)結(jié)合的方式代替GPS。本監(jiān)控軟件采用清晰的模塊劃分，耦合程度小，由硬件變化導(dǎo)致程序改變，只需改動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊，以適應(yīng)聲學(xué)和慣導(dǎo)的算法即可，其他模塊基本不變。

本文的方法創(chuàng)新點(diǎn)在于用低成本和高精度的方案，實(shí)現(xiàn)了海洋集礦車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡的在線監(jiān)測(cè)，為集礦車(chē)在實(shí)驗(yàn)階段的軌跡定位研究和控制方法研究提供了可靠的指導(dǎo)，其軟件實(shí)現(xiàn)方法適用于集礦車(chē)各階段的工程應(yīng)用。

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The monitoring software developing of moving trajectory of the ocean mining vehiclebased on differential GPS positioning

Hou Ben

(Laboratory of Exploitation and Utilization of Deep-sea Mineral Resourcesof Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co.,LTD.,Changsha,410012,China)

The trajectory of the deep-sea mining vehicle is very important for the acquisition efficiency. However,the existing commercial configuration software is difficult to meet the requirements of mining vehicle trajectory monitoring. Thus the monitoring software of moving trajectory of the ocean mining vehicle based on differential GPS positioning is developed based on Visual C++ platform. According to requirement analysis,real-time communication module,data processing module,graphic display module and database module are designed. According to the experimental results and the stored data,the accuracy of differential GPS positioning is analyzed. The result shows that this software achieves the designing goal and has strong adaptability.

differential GPS; trajectory monitoring; OPC; ADO

湖南省工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(2016GK2031)

TP3

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.004

侯奔.基于差分GPS定位的深海采礦車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(24)：11-15.

2017-06-29)

侯奔(1980-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：嵌入式軟件開(kāi)發(fā)。