基于Leica TS60測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)放樣測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

朱書(shū)敏，楊雪峰，王 永，劉成龍

(1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東廣州 5114311；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756；3.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都 611756)

放樣測(cè)量是按照一定的精度要求將樁基、索夾、管線等建筑物或構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)平面坐標(biāo)和高程標(biāo)注在實(shí)地的過(guò)程。該項(xiàng)工作貫穿于土木工程建設(shè)的整個(gè)期間，作為工程施工建設(shè)的紐帶，將各個(gè)環(huán)節(jié)非常緊密地銜接在一起。一旦放樣點(diǎn)位置確定后，即可根據(jù)放樣點(diǎn)位置進(jìn)行填挖、設(shè)備安裝、混凝土澆筑等一系列施工工作。如果放樣點(diǎn)位置出錯(cuò)或未達(dá)到相應(yīng)的精度要求，即使之后發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題也將難以修正，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)放樣測(cè)量通常采用全站儀和水準(zhǔn)儀等儀器根據(jù)放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)和高程分別進(jìn)行測(cè)設(shè)，人工計(jì)算出調(diào)整量和調(diào)整方向，通過(guò)反復(fù)地調(diào)整和測(cè)量直至放樣點(diǎn)實(shí)測(cè)平面坐標(biāo)和高程均達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。傳統(tǒng)放樣測(cè)量方法過(guò)程較為繁瑣，并且人工計(jì)算容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)造成不可挽回的嚴(yán)重后果。

現(xiàn)代放樣測(cè)量需要自動(dòng)化觀測(cè)和計(jì)算，利用掌上電腦[1](PDA)開(kāi)發(fā)控制測(cè)量機(jī)器人[2]的測(cè)量程序，可以實(shí)現(xiàn)放樣點(diǎn)自動(dòng)搜索和精確照準(zhǔn)、調(diào)整量自動(dòng)計(jì)算、合格放樣結(jié)果自動(dòng)保存等多種功能。PDA具有體積小、可靠性高、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、適合隨身攜帶、供電時(shí)間長(zhǎng)等多種優(yōu)點(diǎn)，非常適合測(cè)量人員在野外進(jìn)行操控和數(shù)據(jù)結(jié)果的實(shí)時(shí)處理。采用測(cè)量機(jī)器人在幾百米的小范圍內(nèi)進(jìn)行高程放樣測(cè)量同樣可以達(dá)到很高的精度，這也為基于測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行三維放樣測(cè)量研究提供了基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的放樣測(cè)量方法相比，采用PDA在線控制測(cè)量機(jī)器人的現(xiàn)代放樣測(cè)量方法可以較大程度提高放樣測(cè)量效率且減少人工干預(yù)，將繁雜枯燥的計(jì)算工作由軟件自動(dòng)完成，從而減輕測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并避免錯(cuò)誤的發(fā)生。因此，本文結(jié)合Leica測(cè)量機(jī)器人二次開(kāi)發(fā)技術(shù)[3]，基于Leica TS60測(cè)量機(jī)器人研制了一套適用于二維和三維固定測(cè)站和自由設(shè)站[4-5]多種測(cè)量模式的自動(dòng)放樣測(cè)量系統(tǒng)ALS(Automatic Lofting System)，下面詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的研制過(guò)程。

1 ALS系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)代放樣測(cè)量自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的發(fā)展需求和特點(diǎn)，ALS應(yīng)滿(mǎn)足工程施工建設(shè)期間多種自動(dòng)化放樣需求。系統(tǒng)應(yīng)能夠控制測(cè)量機(jī)器人在固定控制點(diǎn)或自由設(shè)站點(diǎn)進(jìn)行放樣測(cè)量，從而解決工程施工過(guò)程中因車(chē)輛和臨時(shí)堆積材料等因素所造成的控制點(diǎn)架站無(wú)法直接測(cè)定某些點(diǎn)位的視線阻礙問(wèn)題。并且，根據(jù)二維平面放樣和三維空間放樣的不同需要，自由設(shè)站測(cè)量設(shè)站點(diǎn)和放樣點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算方法也應(yīng)不同。ALS應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

(1)安裝在PDA上的放樣測(cè)量軟件應(yīng)能夠與測(cè)量機(jī)器人采用串口或藍(lán)牙方式[6]進(jìn)行通信，通過(guò)軟件可以方便快捷地對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行各項(xiàng)操作控制，例如讀取和設(shè)置儀器氣象參數(shù)和測(cè)距模式等。

(2)放樣測(cè)量開(kāi)始前，軟件應(yīng)能夠讀取存儲(chǔ)在PDA內(nèi)存中包含控制點(diǎn)和放樣點(diǎn)點(diǎn)名和設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息的文件，同時(shí)軟件還應(yīng)允許外業(yè)測(cè)量過(guò)程中臨時(shí)增加控制點(diǎn)或放樣點(diǎn)坐標(biāo)信息。

(3)放樣測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)固定測(cè)站和自由設(shè)站多種測(cè)量模式下二維或三維放樣測(cè)量。

(4)在設(shè)站完成后，應(yīng)采用極坐標(biāo)測(cè)量方法進(jìn)行放樣測(cè)量。為提高放樣測(cè)量效率，放樣測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)放樣點(diǎn)和后視點(diǎn)之間的設(shè)計(jì)坐標(biāo)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)選某一放樣點(diǎn)測(cè)量機(jī)器人即可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)指向到該點(diǎn)設(shè)計(jì)位置的功能。

(5)當(dāng)放樣結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求后，放樣測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)细駭?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)安全可靠，避免造成測(cè)量數(shù)據(jù)丟失。

2 ALS系統(tǒng)軟件研制

由于放樣測(cè)量往往不能在同一位置完成，需要經(jīng)常搬站。因此采用便攜式PDA在線控制測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化放樣測(cè)量是一種合理的方式。ALS以Leica測(cè)量機(jī)器人二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)工具和語(yǔ)言[7]為基礎(chǔ)，以Leica TS60測(cè)量機(jī)器人和PDA等硬件為支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式設(shè)站、放樣點(diǎn)自動(dòng)照準(zhǔn)測(cè)量、放樣點(diǎn)調(diào)整量實(shí)時(shí)計(jì)算、合格放樣數(shù)據(jù)自動(dòng)保存等功能，下面將詳細(xì)介紹ALS軟件研制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.1 軟件實(shí)現(xiàn)流程

ALS軟件設(shè)計(jì)的基本思路為：

(1)設(shè)置測(cè)量機(jī)器人與PDA的通信參數(shù)一致以完成聯(lián)機(jī)通信。

(2)設(shè)置測(cè)量機(jī)器人的測(cè)距模式和氣象參數(shù)，并選擇相應(yīng)的設(shè)站模式。

(3)將存儲(chǔ)在PDA內(nèi)存中的測(cè)量文件建立的后視點(diǎn)和放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息導(dǎo)入軟件。

(4)測(cè)量后視點(diǎn)并通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)和精度以完成自由設(shè)站或固定測(cè)站后視定向。

(5)當(dāng)設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)精度符合要求后，點(diǎn)選某放樣點(diǎn)完成放樣點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量及調(diào)整量的實(shí)時(shí)計(jì)算。

(6)將滿(mǎn)足放樣精度要求的放樣點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)自動(dòng)保存在PDA內(nèi)存中以便于后續(xù)導(dǎo)出查看和管理，ALS軟件功能實(shí)現(xiàn)流程框圖如圖1所示。

圖1 ALS軟件功能實(shí)現(xiàn)流程

2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

依照?qǐng)D1中 ALS軟件功能實(shí)現(xiàn)流程，并以簡(jiǎn)便、實(shí)用為原則，設(shè)計(jì)了ALS軟件的4個(gè)功能模塊，分別為參數(shù)設(shè)置、導(dǎo)入設(shè)計(jì)、儀器設(shè)站、放樣測(cè)量。

2.2.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置PDA串口通信參數(shù)，如端口名、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等與測(cè)量機(jī)器人一致；設(shè)置測(cè)量機(jī)器人的測(cè)距模式和氣象參數(shù)；選擇二維或三維固定測(cè)站和自由設(shè)站中的一種模式。

2.2.2 導(dǎo)入設(shè)計(jì)

將存儲(chǔ)在PDA內(nèi)存中由測(cè)量文件建立的后視點(diǎn)和放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息導(dǎo)入軟件。同時(shí)，軟件還允許用戶(hù)臨時(shí)增加后視點(diǎn)和放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息。

2.2.3 儀器設(shè)站

固定測(cè)站測(cè)量模式需首先進(jìn)行后視定向，即將儀器大致照準(zhǔn)某一后視點(diǎn)并進(jìn)行自動(dòng)照準(zhǔn)測(cè)量；自由設(shè)站測(cè)量模式需觀測(cè)至少2個(gè)以上的后視點(diǎn)以完成自由設(shè)站點(diǎn)坐標(biāo)和精度的平差計(jì)算，若設(shè)站精度不合格，還應(yīng)重新架設(shè)儀器或觀測(cè)其他后視點(diǎn)再次進(jìn)行設(shè)站。

2.2.4 放樣測(cè)量

儀器設(shè)站完成后，通過(guò)點(diǎn)選某一放樣點(diǎn)，軟件即可控制測(cè)量機(jī)器人望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到該放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)位置的方向。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)照準(zhǔn)并測(cè)量該放樣點(diǎn)后，軟件可以自動(dòng)計(jì)算該放樣點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)相對(duì)于其設(shè)計(jì)坐標(biāo)的調(diào)整量。當(dāng)放樣結(jié)果滿(mǎn)足要求后，可將合格的放樣數(shù)據(jù)保存到PDA內(nèi)存中，避免傳統(tǒng)手工記錄容易出錯(cuò)和繁瑣的缺點(diǎn)，同時(shí)提高放樣測(cè)量數(shù)據(jù)處理的工作效率。

2.3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

結(jié)合ALS軟件實(shí)現(xiàn)流程與功能設(shè)計(jì)，下面介紹ALS軟件界面設(shè)計(jì)和功能模塊的編程實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

首先，配置PDA與測(cè)量機(jī)器人的通信參數(shù)一致，從而通過(guò)數(shù)據(jù)電纜或藍(lán)牙方式建立PDA與測(cè)量機(jī)器人之間的物理連接數(shù)據(jù)鏈；然后，讀取或設(shè)定測(cè)量機(jī)器人的測(cè)距模式和氣象參數(shù)；最后，選擇一種設(shè)站模式即完成全部參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。

2.3.2 導(dǎo)入設(shè)計(jì)

在參數(shù)設(shè)置完成后，即可將后視點(diǎn)和放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息導(dǎo)入軟件。設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息的導(dǎo)入有兩種方式，一種是點(diǎn)擊導(dǎo)入按鈕，將存儲(chǔ)在PDA內(nèi)存中按照指定格式編輯的設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息文件直接導(dǎo)入軟件；另一種是在增加設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息的數(shù)據(jù)錄入框中輸入需要增加的點(diǎn)名和設(shè)計(jì)坐標(biāo)，點(diǎn)擊增加按鈕逐點(diǎn)逐行地增加設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息，三維設(shè)站導(dǎo)入設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息界面分別如圖3所示。

2.3.3 儀器設(shè)站

儀器設(shè)站分為固定測(cè)站和自由設(shè)站兩種測(cè)量模式，通過(guò)點(diǎn)擊軟件底部標(biāo)簽可以進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)站界面。固定測(cè)站測(cè)量模式首先應(yīng)選擇測(cè)站名和后視點(diǎn)名(三維固定測(cè)站測(cè)量模式還應(yīng)在觀測(cè)后視點(diǎn)之前輸入儀器高)，然后旋轉(zhuǎn)測(cè)量機(jī)器人大致照準(zhǔn)所選后視點(diǎn)方向，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕測(cè)量機(jī)器人即可完成后視點(diǎn)自動(dòng)照準(zhǔn)和測(cè)量，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示在軟件中。自由設(shè)站測(cè)量模式需測(cè)量2個(gè)以上的后視點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站，首先應(yīng)輸入設(shè)站名并逐一選擇后視點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)(三維自由設(shè)站測(cè)量模式還應(yīng)在觀測(cè)后視點(diǎn)之前輸入后視點(diǎn)目標(biāo)高)，后視點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示在軟件表格中。當(dāng)所有后視點(diǎn)觀測(cè)完成后，點(diǎn)擊設(shè)站按鈕，軟件即可自動(dòng)計(jì)算并顯示自由設(shè)站點(diǎn)約束平差后的坐標(biāo)和精度。如果設(shè)站精度不滿(mǎn)足要求，還應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)站。固定測(cè)站測(cè)量和自由設(shè)站測(cè)量界面分別如圖4、圖5所示。

圖2 參數(shù)設(shè)置界面

圖3 三維設(shè)站導(dǎo)入設(shè)計(jì)坐標(biāo)信息界面

圖4 固定測(cè)站測(cè)量界面

圖5 自由設(shè)站測(cè)量界面

2.3.4 放樣測(cè)量

在儀器設(shè)站完成后，可以開(kāi)始進(jìn)行放樣測(cè)量。選擇某一放樣點(diǎn)名，測(cè)量機(jī)器人望遠(yuǎn)鏡即可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到該放樣點(diǎn)設(shè)計(jì)位置方向。點(diǎn)擊測(cè)量按鈕(三維放樣還應(yīng)輸入放樣點(diǎn)目標(biāo)高)，測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)照準(zhǔn)測(cè)量該放樣點(diǎn)并將放樣點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)和調(diào)整量計(jì)算結(jié)果顯示在軟件中。當(dāng)放樣點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)滿(mǎn)足要求后，點(diǎn)擊保存按鈕，即可將放樣點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)和調(diào)整量的最終結(jié)果以文本形式保存在PDA內(nèi)存中。放樣測(cè)量界面和放樣結(jié)果文件格式分別如圖6、表1所示。

3 主要結(jié)論

(1)本文首先根據(jù)現(xiàn)代放樣測(cè)量自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的發(fā)展需求和特點(diǎn)，分析了自動(dòng)放樣測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足的工程施工建設(shè)期間的自動(dòng)化放樣需求，并提出了放樣測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體功能。

(2)結(jié)合放樣測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體功能和相關(guān)算法研制了安裝在PDA上的自動(dòng)放樣測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)了多種模式設(shè)站、放樣點(diǎn)自動(dòng)照準(zhǔn)測(cè)量、放樣點(diǎn)調(diào)整量實(shí)時(shí)計(jì)算、合格放樣數(shù)據(jù)自動(dòng)保存等功能。

圖6 放樣測(cè)量界面

點(diǎn)名X/mY/mZ/mΔX/mmΔY/mmΔZ/mmFYD1-1.710613.44971-0.547000.29-0.090.10

(3)通過(guò)比較不同模式下放樣測(cè)量軟件計(jì)算的自由設(shè)站點(diǎn)和放樣點(diǎn)坐標(biāo)與控制點(diǎn)已知坐標(biāo)之間的差異，驗(yàn)證了自動(dòng)放樣測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及軟件計(jì)算的正確性。

本文研制的自動(dòng)放樣測(cè)量系統(tǒng)(ALS)在虎門(mén)二橋樁基施工放樣和東、西兩個(gè)高大索塔各個(gè)節(jié)段的施工放樣測(cè)量中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)放樣結(jié)果正確，運(yùn)行可靠，而且測(cè)站位置選擇靈活，放樣效率高，值得在土木工程施工放樣測(cè)量中推廣使用，同時(shí)本文對(duì)同類(lèi)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有借鑒作用。