基于北斗衛星導航系統的自動放樣小車設計

馮佳琪，陶庭葉，賀晗，房興博

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

北斗衛星導航系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，可以為亞太地區乃至全球提供全天候、全天時、高精度的定位、導航等服務。目前，北斗系統相關產品已經成功應用于交通運輸、測繪地理信息等領域，正逐步滲透于社會生產和人們生活的方方面面，由此可見，將北斗系統與傳統行業相結合，進行傳統技術革新會成為未來發展的趨勢之一[1]。

隨著我國經濟水平飛速發展，基礎設施需求量日益增加，優化放樣技術、創造智能化放樣工具有著重要的現實意義和廣闊的應用前景。目前施工放樣領域所應用的技術，多為依靠施工員重復操作的低效率人工測量[2，3]，并且由于人員無法在高溫大雨等環境下工作，無法保證施工周期。除此之外，還有BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術結合測量機器人的方法[4，5]，該方法需要繪制建筑物三維模型，測量機器人才可進行放樣，對技術要求高，前期準備工作復雜，工作現場也需要至少一名施工員配合儀器工作，即無法實現完全的自動化放樣，也不利于向市場大面積推廣。為彌補現有放樣技術的不足，本文設計了一款高效率、低成本、易操作的自動放樣小車，其基于北斗衛星定位系統，結合串口轉WiFi的通訊技術，控制技術、手機APP開發技術等，可以由APP遠程遙控移動，控制運動軌跡，自動到達放樣點坐標而后根據指令進行打點。全放樣過程僅需一人將放樣點坐標導入APP并在遠處通過手機監管，所有工作都可由小車獨立完成。

本文從設計思路、軟硬件設計和適用工程三個角度闡述自動放樣小車的核心特點與優越性。

2 設計思路及方案

自動放樣小車的設計核心是獲取基準站通過電臺模式播發出的差分信號，確定移動中小車的實時位置[6]，根據其三維坐標與待放樣點三維坐標之差，控制小車移動相應距離，直到小車坐標與放樣點坐標在誤差范圍內重合(即小車到達放樣點)。

詳細設計方案為：設計能夠360°自由旋轉并移動的小車，其上搭載北斗衛星接收機及定位模塊和搭載打點工具，而后借助WiFi信號將模塊解算出的小車坐標(精度為 1 cm～2 cm[7])傳輸至通過Java語言和Android平臺開發的移動端APP，并由APP的數據處理程序計算出放樣點和小車當前坐標的差值，移動驅動程序根據差值控制小車自動前進相應距離，并隨著小車實時位置不斷改變修正距離值，直至達到放樣點，由標記驅動程序控制打點工具標記地面完成放樣。

考慮到監管需要，設計將小車實時位置和放樣點坐標顯示在移動端屏幕上，并設計手動操控小車移動、打點功能作為自動模式的補充和輔助。

3 系統設計

3.1 硬件系統設計

根據自動放樣小車的設計思路及詳細方案，采用車身、北斗接收機、北斗衛星定位模塊、串口轉WiFi模塊、驅動模塊、電源等設備組成硬件系統，其整體系統框架及實物如圖1、圖2所示：

圖1 硬件系統概況

圖2 硬件實物圖

(1)履帶式不銹鋼車體

小車選取履帶式車輪，配合可360°旋轉的底盤，能夠采取坦克式姿態向各個方向移動。相較于傳統圓形車輪，履帶式車輪不僅大大提升了小車旋轉的靈活性，更能穩定翻越場地上的低矮障礙物，履帶可以均勻分散車體承重，最大限度地防止車輪磨損不均導致小車故障的情況出現。車身采取不銹鋼材質則能夠在降低小車自重的情況下保持車身硬度，加大承載力以搭載北斗接收機(置于車身頂部)、打點標記裝置(置于車身底部)等設備。

(2)北斗接收機及定位模塊

北斗接收機采用司南AT300型號接收機，該接收機體積小重量輕，能夠穩定安置在車身頂部，具有抗震、防水、耐熱等特點，可以滿足任何氣候下穩定作業的設計要求。北斗定位模塊采用司南K726型號GNSS板卡，除GPS信號外，它可以支持北斗全球信號，獲取高質量B1、B2雙頻觀測數據。通過基準站播發的差分信號組建雙差觀測模型，小車能夠實現1-2厘米的動態定位精度。二者構成小車實時定位部分，保證了小車能夠在極寒極熱、不斷運動的條件下獲取高質量的北斗衛星觀測數據和厘米級的實時坐標。

(3)串口轉WiFi模塊

因為自動放樣小車的關鍵在于實時控制和定位，所以穩定、快速地進行數據通訊是重中之重。考慮到4G信號具有一定程度的數據延遲，藍牙技術不適用于中遠距離通訊，因此選擇WiFi技術進行百米級距離實時數據傳輸。

小車采用USR-WiFi232-T模塊，它是基于Uart接口的符合WiFi無線網絡標準的嵌入式模塊，能夠實現串口數據到無線網絡之間的轉換，通過該模塊，可以迅速將北斗實時定位數據傳輸至手機APP中[8]，并獲取APP發出的移動指令。

3.2 軟件系統設計

本文設計的控制APP基于Android平臺使用Java語言進行編寫，用戶可以直接使用自己的Android移動設備如手機、平板等，下載APP并進行操作，無須其他專業測量設備。相較于傳統測量工作中的智能手簿，此軟件可以有效節省測量成本[9]，當有特殊的工作需要時，更便于二次開發以拓展小車的應用場合。

該軟件能將小車實時位置和放樣點位置在移動端屏幕上顯示出來，并可操縱小車進行多種動作(如移動、打點等)，其程序主要由四部分組成：數據導入程序；數據處理程序；移動驅動程序；標記驅動程序，另有如通過攝像頭進行周圍觀察等輔助程序。整體軟件框架和整體控制界面設計圖如圖3所示：

圖3 軟件設計框架

(1)數據導入程序

程序包括放樣點坐標導入和地圖包導入兩部分。放樣點坐標導入是將需要放樣的點的三維坐標輸入到軟件后臺，既可以選擇手動添加單個放樣點，也可以選擇將多個點編寫為Text文檔，整體導入APP進行自動讀取。待讀取完畢后，坐標點會顯示在應用界面上，其中，尚未進行放樣的坐標點顯示為紅色，已完成坐標點顯示為綠色。地圖包導入是指，當存在施工場地由ArcGIS做好的離線地圖包時，將其導入APP，屏幕上會顯示一定范圍的標志物、道路等，若施工場地不需要或沒有地圖包時，則無須導入，APP放樣工作界面會出現柵格代替地圖。

(2)數據處理程序

因為小車使用的定位模塊K726解算出的坐標結果為WGS84坐標系下的，而實際工程往往會采用施工坐標系，因此，為了將放樣點坐標和小車自身坐標統一，在北斗定位模塊將小車實時位置等信息以NMEA-0183格式傳輸至手機后，判斷信息的有效性并設計編寫數據處理程序將WGS84坐標系下的坐標轉換至施工坐標系，而后計算出當前小車坐標與放樣點坐標之間的差值并反饋給移動驅動程序。

(3)移動驅動程序

小車移動方式被設計為自動控制及手動控制兩種。自動控制是開啟界面自動移動開關后，小車無須人工干預，自行移動至目的地。手動控制則是操作人員關閉自動移動開關，通過方向鍵操縱小車。

(4)標記驅動程序

與移動驅動程序類似，分為自動標記和手動標記兩種。自動標記為軟件判斷小車準確到達放樣點后，自動使用搭載的標記工具對地面進行打點標記，視為完成放樣工作。手動標記即為由操作員按下軟件的打點按鈕，控制小車打點。

4 成果與應用

自動放樣小車的最終目的是在滿足施工精度要求的前提下，結合北斗衛星導航系統簡單、快速、安全地完成施工放樣。在實際應用中，小車的GNSS板卡被設置為同時接收GPS的L1、L2和BDS的B1、B2載波相位觀測值，通過接收基站播發出來的差分信號，建立雙模雙頻雙差方程進行定位，并在完成初始化后向APP實時發送NMEA-0183格式數據[10，11]，如定位信息(GGA)、衛星狀態信息(GSV)等。APP數據處理程序根據轉碼而得的定位狀態、坐標等信息進行判斷，僅當報文返回的解狀態為固定解且有效的情況下，將坐標結果轉換至指定坐標系下且僅保留平面坐標，在計算距放樣點的坐標向量后，由控制程序進行移動。一旦返回的解狀態為非固定解或無效解，則停止運動直到返回具有固定解的坐標，若10s內都無法返回固定解，則重新初始化。當小車的位置移動至放樣點位置5cm內時減速移動，直至放樣點并行打點。

本文設計的APP控制軟件采用簡潔明了的主界面(如圖4所示)，以方便人員操作與獲取信息。由該界面可以清楚地獲知，小車采用自動控制模式(on鍵開啟)工作，1、2號點放樣完成(已變為綠色)，3、4、5號點尚未放樣(仍為紅色)，小車正向3號點移動等信息。

圖4自動放樣小車APP主界面

為驗證自動放樣小車的放樣精度，證明小車在施工放樣領域的適用性，本文采用小車先將點位放樣出來，再用全站儀精確測量坐標的方式計算放樣誤差。由于全站儀精度達到毫米級，用于檢核精度具有足夠的可靠性。以圖4中的5個放樣點為例，自動放樣小車的放樣誤差如表1所示：

小車放樣誤差 表1

根據工程測量規范，普通混凝土結構工程，即目前建設領域的主要組成部分之一，放樣精度控制標準[12]如表2所示：

放樣精度控制標準 表2

分析兩表可以發現，自動放樣小車的放樣精度可達到 1 cm～2 cm，能滿足所有混凝土結構建筑邊緣線的施工要求；對于公路、擋墻等工程，由于僅有3號點誤差 >1.5 cm，預計小車可以通過適當降低行駛速度、在行駛過程中增加暫停次數、計算坐標均值[13]而提高定位精度，進而提高放樣精度，最終滿足該類工程。但是對于主軸線放樣點，小車尚無法達到其精度要求，未來將通過升級定位模塊、改進定位算法來達到 1 cm內的放樣精度。

5 總 結

本文設計了一款基于北斗衛星導航系統的自動放樣小車，結合衛星定位技術、WiFi數據傳輸技術、Android軟件開發技術等，具有 1 cm～2 cm的放樣精度，能滿足如邊緣線等大量放樣點的精度要求。工作過程中僅需一人將放樣點坐標導入至控制軟件并處于WiFi信號范圍內，便可完成施工放樣，避免了現有放樣方法依靠人工進行操作而產生的諸多弊端。未來的研究中，將在已有設備和相關實驗結果的基礎上，繼續完善小車軟硬件系統，進一步提高小車移動穩定性和放樣精度，使自動放樣小車可以適用于更多建筑工程。