測量機器人基于安卓系統在高鐵隧道控制測量中設計與應用

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、高穩定性、高可靠性、快速便捷以及自動觀測等優點廣受大家的青睞，高鐵對線路施工的平穩性、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下的設計與應用研究。

1 測量機器人開發方案選擇

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方案有2種：1） 利用GeoBasic或Geoc++編程工具開發，編譯后上傳目標設備并調試使用，其優點是直接采用廠商底層API函數執行，代碼執行效率較高，缺點是受限于設備本身處理器的運算能力限制，對開發者要求較高，軟件開發周期較長。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機數據通信，其優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，可以及時發現并處理異常問題，靈活性高、拓展性豐富，軟件開發整個周期較短，通過網絡可實現遠程執行，是目前普遍采用的開發方式，缺點是需要單獨采購移動開發設備。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微系統的遠程調用（RPC）建立的，有2種協議：1） 調用GeoCOM函數，采用編程開發工具，按照作業需求，根據流程進行應答。2） 低級的ASCII協議，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請求協議

ASCII請求協議語法如下。

[]%R1Q，[，]：[][，，...]

格式中的[ ]表示可選項，緩沖區初始化，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應答協議

ASCII應答協議語法如下。

%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范要求進行比對，如果不滿足規范要求，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觀測數據時，保存該數據。工作流程圖如圖2所示。

2.2 開發環境

操作系統為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，其還具有開發周期短等優點，是目前安卓軟件標準的開發環境。

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代表函數執行完畢

str = "函數成功執行完成。";

break；\跳出循環判斷

…

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開發的軟件自動觀測精度一致，測量機器人至少能節省一倍的觀測時間（在復雜工況下可以節約更多的時間）。

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任務。3）測量機器人相對附近震動源敏感性強，如果發現及時，就可以進行協調解決。

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，利用安卓系統開發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，在外業觀測時大大提高了觀測的效率；利用GeoCOM ASCII二次開發充分利用測量機器人和安卓設備的硬件優勢，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有更高的執行效率，但是開發時需考慮適配設備廠商細節差異。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。