基于VB的TM30測量機器人變形監測系統開發

蔣 晨 張書畢(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

基于VB的TM30測量機器人變形監測系統開發

蔣 晨 張書畢(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

結合VB語言開發出了TM30測量機器人自動化變形監測系統，分析了該系統組成、數據串行通訊方式以及數據獲取方式。為了提高觀測數據的精度，著重對觀測數據的處理方法進行了探討，首先對原始觀測數據進行差分處理以削弱公共誤差的影響，然后利用MATLAB軟件提供的小波分析工具箱對變形信號進行3層小波分解，對分解后得到的小波系數采用軟閾值進行去噪，對去噪后的小波系數進行重構，以降低噪聲影響。采用淮北礦區實際變形監測數據對該系統進行了測試，結果表明，該系統通過采用差分、去噪的處理思路，能夠提高監測數據的精度及穩定性，對于礦區變形監測數據處理具有一定的借鑒作用。

TM30測量機器人 變形監測 差分處理 小波去噪

在傳統的變形監測方法中，數據的采集、處理以及監測預警都是分開進行的，監測周期較長，觀測數據誤差來源較多，有些誤差不易發現，極大地降低了觀測數據的精度。近年來，測量機器人在變形監測中得到了廣泛的應用[1]，測量機器人能夠將變形監測中的數據采集、處理及預報警等環節加以集成，既縮短了觀測周期，減少了誤差來源，又提高了觀測數據精度，其優勢在大壩、基坑邊坡變形監測[2-4]等應用中得到了體現。為了對礦區地面開采沉降進行有效監測，基于VB語言開發出了TM30測量機器人自動化變形監測系統，該系統通過對測量數據引入差分及小波降噪的方法，以期提高監測數據精度。

1 自動化監測系統的組成

TM30測量機器人自動化變形監測系統由數據采集、數據通訊和數據分析3部分組成[5-7]。①數據采集部分的主要任務是控制測量機器人采集數據，可以全天候連續或者間歇性地采集數據，采集到的直接數據是角度和距離，通過角度和距離計算出監測點的三維坐標；②數據通訊部分在數據處理中心及測量機器人之間進行，主要負責在線控制及數據傳輸；③數據分析部分主要是對采集的數據進行實時處理分析，從而得到即時的變形特征，做出相應的預警。自動化監測系統的組成見圖1。

圖1 自動化變形監測系統的組成

2 系統數據通訊及數據獲取

2.1 系統數據通訊

監測數據的串行通訊是指計算機通過自動化變形監測系統軟件與測量機器人之間進行的通訊。測量機器人自身提供了兩種數據通訊方式：①有線通訊是通過自身攜帶的一系列串口和USB接口，通過數據線與計算機連接起來進行數據傳輸；②無線通訊是利用電磁波而不通過電纜進行數據傳輸與交換的通信方式，該通訊有2種模式，一種是CDMA或GPRS調制解調器設備，另一種是傳輸電臺，2種模式都可以作為遠程數據的傳輸工具。

GEOCOM是萊卡儀器公司為測量機器人控制軟件的二次開發提供的平臺[8]，在VB環境下利用GEOCOM二次開發出的自動化變形監測系統不僅能夠使測量機器人與計算機以有線方式進行正確的端口連接，而且具備了在線設置測量機器人初始值以及數據記錄等功能，能夠將測得的數據直接傳輸至計算機，并以一定的格式進行存儲，便于利用相關軟件進行預處理及平差計算。

2.2 系統數據獲取步驟及關鍵代碼

2.2.1 設備連接

包括端口、波特率、數據位等設置，以打開連接，匹配成功后即可與計算機連接。

VB_COM_OpenConnection(ByVal Port As Integer，ByVal Baud As Integer，ByVal Retries As Integer).

If(RetCode = GRC_OK) Then

‘無通訊錯誤’

RetCode = VB_COM_OpenConnection(COM_1，COM_BAUD_19200，NUM_OF_RETRIES)

If(RetCode = GRC_OK) Then

bOpenAndRunning = True

End If

End If

2.2.2 初始化設置

(1)設置照準部到指定位置。

VB_AUT_MakePositioning4(Hz As Double，

V As Double，POSMode As Long，ATRMode As Long，bDummy As Boolean).

令rc =AUT_MakePositioning(1.3,1.6,POSMode,AUT_TARGET,FALSE),則rc=GRC_OK時執行成功.

(2)自動精確照準目標。

VB_AUT_FineAdjust3(dSrchHz AsDouble,

dSrchV As Double,bDummy As Boolean).

dHzSearchRange=0.08，

dVSearchRange=0.08，‘設置水平及豎直方向的自動搜索范圍’

Result=AUT_FineAdjust(dHzSearchRange,dVSearchRange,FALSE)‘Result= GRC_OK時執行成功’

2.2.3 數據記錄

包括水平角、豎直角和斜距的獲取。

VB_TMC_GetSimpleMea(ByValWaitTime AsLong,

OnlyAngle As TMC_HZ_V_ANG,

SlopeDiastance AsDouble,ByValMode As Integer).

rc=TMC_GetSimpleMea(3000,OnlyAngle,SlopeDistance,TMC_MEA_INC), rc=GRC_OK時執行成功.‘ 3000為等待測距的時間，單位為ms’

2.2.4 關閉端口連接

VB_COM_CloseConnection( ).

整個通訊過程是支持遠程控制的，因此，通過測量機器人可以使得測量人員不必進入現場，僅在項目部或者遠程控制中心就能夠對測量機器人進行指揮測量及管理。

3 監測數據處理

測量機器人在測量過程中不可避免地存在誤差，有些誤差是難以或者不能精確確定大小的，如大氣折射帶來的測距誤差、施工對測站產生的不確定震動誤差等。由于測量機器人具有較強的自動目標尋找、智能識別以及精確照準能力，因而可以對多個測量目標點可在短時間內完成持續、重復的觀測工作[9]，不確定因素帶來的誤差在同一環境、短時間內可視為固定值，因此，采用一定的處理方法，可以消除或減弱上述誤差。

3.1 差分處理

監測點的三維坐標計算原理為：以測站點為原點，以定向方向為X軸，以測站天頂距方向為Z軸建立左手空間直角坐標系見圖2，設原點O的坐標為(X0，Y0，Z0)，監測點P的坐標為(XP,YP,ZP)，S為斜距，v為豎直角，i為水平角。

圖2 三維坐標計算原理示意

圖2中，監測點P的三維坐標計算公式為

(1)

由此可見，三維坐標受方位角、垂直角及斜距的影響，其中，方位角和斜距是最主要的影響因素。

3.1.1 方位角差分

在進行角度測量時，認為每次測量的誤差是相等的，方位角差分是把每一期測出的方位角i與第1期測出的方位角i0的差值作為本期方位角的改正值，

Δi=i-i0.

(2)

因此，若某期測得的監測點原始方位角為iJ，則其差分后的改正值為

Δi′=ij+Δi=iJ+i-i0.

(3)

3.1.2 斜距差分

斜距測量時，各次測量所含誤差不相等，因此需要設置1個誤差改正系數。設基準點到測站點的第1期斜距測量值為S1，第n期測得的基準點斜距為Sn，第n期監測點斜距為S′。由于同一周期內對某個監測點的觀測時間很短，可以認為周圍外界環境對監測點的誤差影響是相同的、穩定的，因此可以把第n期觀測得到的基準點斜距與第1期斜距之差與第n期實測斜距的比值作為第n期下的斜距改正系數，即

ΔS=(Sn-S1)/Sn.

(4)

于是，該測站其他監測點的斜距改正值為(1-ΔS)S′。

3.2 小波去噪

(1)小波分解。選用db3小波基函數對變形監測信號x進行3層小波分解，可調用MATLAB語句“[C,L]=wavedec(x,3,‘db3’)”來實現。

(2)閾值去噪。提取所有小波分解高頻系數及第3層小波分解低頻系數，對高頻小波分解系數進行軟閾值去噪(閾值按照Heuristic SURE準則來確定)，部分MATLAB執行語句如下：

A3=appcoef(C,L,‘db3’,3)；

D1=appcoef(C,L,1)；

THR=thselect(x,‘heursure’)；

DZ1=wthresh(D1,‘x’，THR).

(3)小波重構。即把低頻信號以及經過處理的高頻信號進行小波重構，從而得到降噪后的數據，MATLAB執行代碼為：

CL=[A3,DZ3,DZ2,DZ1]；

SL=waverec(CL，L,‘db3’).

4 應用實例

選取淮北礦區某沉降區域1棟建筑物作為試驗對象，經實地勘察，以該礦區原有穩定基巖點作為高等級的控制點，如圖3所示。在變形區域外設置了1個穩定的基準站，并與基巖點進行了聯測，保證其精度的穩定性，同時在建筑物上設置了6個監測點。TM30測量機器人角度測量精度為0.5″，有棱鏡模式下測距標稱精度為(0.6 mm，1mm/km)，無棱鏡模式下測距標稱精度為(2 mm，2 mm/km)[10-11]，此次采用有棱鏡模式進行試驗。

圖3 基準點及監測點分布示意

點位布設完畢后在基準點A處設站，對監測點進行了10周期的連續觀測。每周期觀測時，角度觀測采用全圓觀測法，觀測4個測回，每條邊觀測次數設置為3次，采用有線數據通訊方式。以2#點和6#點為例，該2點的原始觀測數據及經差分、小波去噪后的數據擬合曲線分別見圖4、圖5。

由圖4、圖5可知，采用TM30測量機器人進行變形監測能夠反映出變形體的微小變化；降噪后的沉降曲線變化相對均勻，趨勢比較平緩，說明降噪后數據的穩定性有一定的提高；6#點的每期累計沉降量均大于2#點，表明圖3中建筑物右上部分沉降比較厲害，整體存在著不均勻沉降的現象。經調查發現，修建該建筑時，煤炭的開采離該區域較遠，隨著開采的進行，該區域受到了一定的影響，導致了不均勻沉降的發生，該礦區自行開展的沉降觀測成果也證實了這一點。計算出累計沉降值后就可以判斷沉降值否超限，從而做出相應的預警。

圖4 2#監測點初始及差分小波去噪后的累計沉降曲線

圖5 6#監測點初始及差分小波去噪后的累計沉降曲線

5 結 語

結合VB語言開發了TM30測量機器人自動化變形監測系統，該系統通過對監測數據首先進行差分處理，然后進行小波軟閾值去噪，有助于提高監測數據的精度。該系統的不足之處在于缺乏數據后期平差功能，監測數據的平差處理需要結合其他相關軟件進行。

[1] 張海麗，孫 昊，姚連壁.基于TCA2003測量機器人的滑坡變形監測系統開發與應用[J].大地測量與地球動力學，2012，32(1)：152-155. Zhang Haili，Sun Hao，Yao Lianbi.Development and application of landslide deformation monitoring system based on measuring robot TCA2003[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2012,32(1):152-155.

[2] 崔有禎，李亞靜.徠卡TM30 測量機器人三維測量在基坑邊坡監測中的應用[J].測繪通報，2013(3)：75-77. Cui Youzhen，Li Yajing.The application of arbitrary stations with 3D survey of geodetic robot in the running stability for slope monitoring of foundation pits[J].Bulletin of Surveying and Mapping，2013(3):75-77.

[3] 華前程，徐茂林，楊鳳蕓，等.基于TM30測量機器人邊坡監測系統的研究[J].北京測繪，2014(4)：60-62. Hua Qiancheng，Guo Maolin，Yang Fengyun，et al.Research on slope monitoring based on measuring robot TM30[J].Beijing Surveying and Mapping，2014(4):60-62.

[4] 孫華芬，侯克鵬.測量機器人自動檢測系統在邊坡遠程監測中的應用[J].礦業研究與開發，2013，33(6)：84-87. Sun Huafen，Hou Kepeng.Application of remote monitoring of slope based on measuring robot automatic detection system[J].Mining Research and Development，2013,33(6):84-87.

[5] 梅文勝，劉 濤.TS30/TM30測量機器人變形監測系統研究[J].測繪地理信息，2014，39(2)：45-48. Mei Wensheng，Liu Tao.Research of deformation monitoring system based on measuring robot TS30/TM30[J].Journal of Geomatics，2014,39(2):45-48.

[6] 張汝捷，高 飛，高曼莉.自動化測量技術的研發與應用[J].信息通信，2013(7)：43-44. Zhang Rujie，Gao Fei，Gao Manli.The development and application of automatic measurement technology[J].Information and Communications,2013(7):43-44.

[7] 張永毅，陳偉健，王子軍，等.測量機器人觀測系統的研究與開發[J].現代礦業，2014(4)：45-48. Zhang Yongyi，Chen Weijian，Wang Zijun，et al.Research and development of observation system of measuring robot[J].Modern Mining，2014(4):45-48.

[8] 毛亞純，王恩德，陳永生，等.利用GEOCOM開發測量機器人自動變形監測軟件的有關問題及解決方法[J].金屬礦山，2010(3)：94-96. Mao Yachun，Wang Ende，Chen Yongsheng，et al.By using GEOCOM measuring robot automatic deformation monitoring software development related problems and solutions [J].Metal Mine,2010(3):94-96.

[9] 劉朋姣，侯東亞.徠卡 TM30 在罐體掃描檢測中的開發及應用[J].測繪通報，2010(10)：73-74. Liu Pengjiao，Hou Dongya.The development and application of scanning detection in tanks based on Leica TM30[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2010(10):73-74.

[10] 崔有禎，鄭佳榮，桂偉振，等.基于測量機器人技術的天倫監測應用研究[J].有色金屬：礦山部分，2013，65(3)：79-81. Cui Youzhen，Zheng Jiarong，Gui Weizhen，et al.Application research on Tianlun monitoring based on the technology of measuring robot [J].Nonferrous Metal：Mine Section,2013,65(3)：79-81.

[11] 張正祿，沈飛飛，孔 寧，等.徠卡新型全站儀TS30的測評和開發研究[J].測繪信息與工程，2011，36(1)：52-54. Zhang Zhenglu，Shen Feifei，Kong Ning，et al.Assessment and development of new type of total station Leica TS30[J].Journal of Surveying and Mapping Information and Engineering,2011,36(1):52-54.

(責任編輯 王小兵)

Development of the Deformation Monitoring System of TM30 Measuring Robot Based on VB

Jiang Chen Zhang Shubi(SchoolofEnvironmentScience&SpatialInformation，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116,China)

The automatic deformation monitoring system of TM30 measuring robot based on VB language is developed，and the composition and data serial communication mode and data acquisition mode of the system are analyzed in detail.In order to improve the accuracy of the observation data，the observation data processing methods are discussed.Firstly，the original observation data is conducted on differential treatment so as to weaken the effect of public errors，Secondly，the deformation data signals is conducted on 3 layers wavelet decomposition based on the wavelet analysis toolkit of MATLAB software，and the wavelet decomposition coefficients are processed by soft threshold to weaken the effect of noise.Performance of the deformation monitoring system is tested by adopting the actual deformation monitoring data of Huaibei mining area，the test results show that，the accuracy and stability of the monitoring data are improved based on the processing methods of differential treatment and wavelet denoising，so the method can provide some reference for dealing with the deformation monitoring data of mining area.

TM30 measuring robot，Deformation monitoring，Differential treatment，Wavelet denoising

2014-10-14

國家自然科學基金項目(編號：51174206)，江蘇省普通高校自然科學研究項目(編號：11KJD420002)， 江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(編號：PAPD SA1102)。

蔣 晨(1990—)，男，碩士研究生。

TD178

A

1001-1250(2015)-01-104-04