（機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)論文）挖掘機(jī)遠(yuǎn)程管理和規(guī)劃仿真的初步研究及應(yīng)用.pdf

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文y7 7 6 1 6 5 挖掘機(jī)遠(yuǎn)程管理和規(guī)劃仿真的 初步研究及應(yīng)用 摘要 本文主要描述了挖掘機(jī)遠(yuǎn)程管理和規(guī)劃仿真的初步研究和應(yīng)用。深入探討了 該數(shù)據(jù)管理中心的功能模塊劃分、總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計、詳細(xì)實 現(xiàn)以及相應(yīng)的真實的試驗數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)管理中心主要包含挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān) 視、遠(yuǎn)程遙控、軌跡規(guī)劃和自主挖掘、軌跡校正以及挖掘機(jī)實際工作位置的定位 等模塊。總的來說，本文主要介紹了下面幾個部分的內(nèi)容。 1 g s m 短信模塊和g p s 衛(wèi)星定位模塊 挖掘機(jī)的即時工作狀態(tài)信息( 包括g p s 位置信息) 通過電信的g s m 短信 模塊進(jìn)行傳遞。該g s m 短信模塊的特點(diǎn)是速度快、費(fèi)用低，而且覆蓋面廣，手 機(jī)信號覆蓋的地方，就可以進(jìn)行參數(shù)傳遞。通過g p s 衛(wèi)星定位模塊，可以方便 的得知挖掘機(jī)所處的地理位置。 2 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊 通過系統(tǒng)自帶的虛擬示波器和數(shù)據(jù)處理模塊，系統(tǒng)可以對挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān) 控( 通過g s m g p s 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)無限傳輸電臺進(jìn)行參數(shù)傳遞) ，從而為實現(xiàn)挖掘 機(jī)無人駕駛打下較好的基礎(chǔ)。 3 軌跡規(guī)劃、自主挖掘模塊 通過該系統(tǒng)，用戶可以自己定義挖掘機(jī)的挖掘軌跡。當(dāng)軌跡定義完成后，該 系統(tǒng)通過軌跡規(guī)劃模塊，可以自動的規(guī)劃出一系列軌跡點(diǎn)。當(dāng)這些軌跡點(diǎn)不滿足 條件時，可以通過系統(tǒng)的軌跡校正模塊來對已有的軌跡點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的校正。校正 前可以對校正參數(shù)和校正模式進(jìn)行人為的設(shè)定。在第四章里，文章給出了直線運(yùn) 動、復(fù)合運(yùn)動和三角形運(yùn)動的校正前和校正后的軌跡曲線示意圖。 關(guān)鍵字：液壓挖掘機(jī)、g s m 、g p s 、軌跡規(guī)劃、軌跡校正、狀態(tài)監(jiān)控 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a i n l yd e m o n s t r a t e st h ed e v e l o p m e n to fd a t ae x c h a n g es y s t e m ， n a m e di n t e l l i g e n te x c a v a t o rr e m o t ed a t a e x c h a n g ec e n t e r ( i e r d c ) i e r d c sf u n c t i o n a l i t i e sm o d u l e s ， s y s t e m a r c h i t e c t u r ea n dm o d u l e s a r c h i t e c t u r ea r em a i n l yi n t r o d u c e di e r d ci n c l u d e sr e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n go fe x c a v a t o r , t r a c ep l a n n i n g ，s e l f - w o r k i n g ，t r a c em o d i f i c a t i o na n d g p sm o d u l e t o t a l l y , t h ef o l l o w i n gi t e m sa r em a i n l yi n t r o d u c e d 1 - g s m g p sm o d u l e a l lt h er e a l - t i m e p a r a m e t e r s o fe x c a v a t o rd u r i n gw o r k i n gc a nb e t r a n s f e r r e do re x c h a n g e dv i ag s mn e t w o r kf s m a r tm e s s a g en e t w o r ko f t e l e c o m ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg s mn e t w o r ka r et ob eq u i c k t ob ec h e a p a n dt ob ew i d er a n g e d t h ep a r a m e t e r sc a nb et r a n s f e r r e do re x c h a n g e d i nt h ep l a c e sw h e r et h ec a l lp h o n ec a nb eu s e d w t h eh e l po fg p s n e t w o r k ，t h er e a l t i m ep o s i t i o no fe x c a v a t o rc a nb ee a s i l yd e s e r v e d 2 r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gm o d u l e w i t ht h ew a v ed i s p l a y e ec o n t a i n e db yi e r d c ，a l lp a r a m e t e r sc a nb e m o n i t o r e da n dc o n t r o l l e di nav e r yf a rd i s t a n c ev i ag s m _ g p sn e t w o r k s o n o n eh u m a no p e r a t i n go fe x c a v a t o rc a nb et u r n e di n t or e a l i t y 3 t r a c i n gp l a n n i n ga n dt r a c i n gm o d i f i c a t i o nm o d u l e w i t ht h i si e r d c ，u s e rc a nc u s t o m i z et h et r a c et h a tt h e yw a n t ，a f t e rt h e a c c o m p l i s h m e n to ft r a c ep l a n n i n g 。t h et r a c ec a nb eg e n e r a t e db yt r a c i n g p l a n n i n gm o d u l e i ft h et r a c ec a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，t h e nt r a c i n g m o d i f l c a t i o nm o d u l ec a nb ew o r k e d a l s o ，i nt h ef o u r t hc h a p t e ro ft h i s a r t i c l e ，t h er e a lp a r a m e t e ro fl i n ep l a n n i n g ，t r i a n g l ep l a n n i n ga r ed i s p l a y e d k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce x c a v a t o r , g s m ，g p s ，t r a c i n gp l a n n i n g ，t r a c i n g m o d i f i c a t i o n ，s t a t u sm o n i t o r i n g 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 致謝 兩年半研究生學(xué)習(xí)即將結(jié)束，在這里首先向我的導(dǎo)師潘雙夏教授表示誠摯的 感謝和深深地敬意。在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和幫助下，課題和論文得以順利完成，我 的每一個進(jìn)步都凝結(jié)著導(dǎo)師的心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)、求實的治學(xué)作風(fēng)，科學(xué)的研究方 法和誨人不倦的品德深深地影響了我，在以后的工作學(xué)習(xí)中將永遠(yuǎn)激勵著我! 感謝高宇老師、高峰博士后在課題中所給予的大力的幫助和支持! 同時，碩士學(xué)習(xí)生活期間得到任忠惠碩士、胡驍碩士、朱圣兵碩士、馮海隆 碩士等的幫助和支持，在這里一并表示衷心的感謝! 最后感謝多年以來含辛茹苦培養(yǎng)我的父母，希望本人的努力能給他們帶去一 份安慰! 程馳宇 2 0 0 5 1 于浙大 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 【摘要】本章主要介紹了挖掘機(jī)的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)在工程施工中的地位和作用， 以及存在的一些問題，例如工作環(huán)境的限制、工作狀態(tài)的未知性等。根據(jù)已經(jīng)存 在的問題，指出了本課題的研究方向、研究內(nèi)容和課題的背景。 一、挖掘機(jī)的發(fā)展1 】 第一臺手動挖掘機(jī)問世至今已有1 3 0 多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動 斗回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機(jī)、應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)的全 自動液壓挖掘機(jī)的逐步發(fā)展過程。 由于液壓技術(shù)的應(yīng)用，2 0 世紀(jì)4 0 年代有了在拖拉機(jī)上配裝液壓反鏟的懸掛 式挖掘機(jī)，2 0 世紀(jì)5 0 年代初期和中期相繼研制出拖式全回轉(zhuǎn)液壓挖掘機(jī)和履帶 式全液壓挖掘機(jī)。初期試制的液壓挖掘機(jī)是采用飛機(jī)和機(jī)床的液壓技術(shù)，缺少適 用于挖掘機(jī)各種工況的液壓元件，制造質(zhì)量不夠穩(wěn)定，配套件也不齊全。從2 0 世紀(jì)6 0 年代起，液壓挖掘機(jī)進(jìn)入推廣和蓬勃發(fā)展階段，各國挖掘機(jī)制造廠和品 種增加很快，產(chǎn)量猛增。1 9 6 8 1 9 7 0 年間，液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量已占挖掘機(jī)總產(chǎn)量的 8 3 ，目前已接近1 0 0 。 隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速、穩(wěn)步地持續(xù)發(fā)展，工程施工的項目與日俱增的同時， 液壓挖掘機(jī)在工程施工中的地位和作用日益鞏固。液壓挖掘機(jī)在工業(yè)與民用建 筑、道路建設(shè)、農(nóng)田水力、油田礦山、機(jī)場港口等部門土石方施工中，占有非常 重要的位置。在廣泛的工程應(yīng)用中已經(jīng)證明，挖掘機(jī)的可控性和安全性是至關(guān)重 要的兩大因素。在實際的工程作業(yè)中，操作人員面臨著工作強(qiáng)度大、工作時間長 和操作單調(diào)等一系列問題。隨著工作時間的加長，操作人員疲勞度上升，工作效 率明顯下降，為實際工程作業(yè)埋下了重大的安全隱患。 八十年代初，無人駕駛挖掘機(jī)的概念有了雛形。在無人駕駛的基礎(chǔ)上，進(jìn)一 步地提出了挖掘機(jī)自主作業(yè)的概念。當(dāng)前挖掘機(jī)的發(fā)展方向主要有下面兩個方 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 面 1 迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡單的 杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線 電遙控、電子計算機(jī)綜合程序控制。 在危險地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計算機(jī)控制接收器和 激光導(dǎo)向相結(jié)合，實現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動化。所有這一切， 挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。 2 迅速拓展電子化、自動化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。 2 0 世紀(jì)7 0 年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的 操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)口音，改善駕駛員工作條件，逐步在 挖掘上應(yīng)用電子和自動控制技術(shù)。隨著對挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、 操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電一 體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。2 0 世紀(jì)8 0 年 代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器 和檢測儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和 推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè) 有發(fā)動機(jī)自動怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、 監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。 二、液壓挖掘機(jī)的工程應(yīng)用 液壓挖掘機(jī)經(jīng)過一段時間的發(fā)展，隨著工程施工的增加，在目前的情況下， 挖掘機(jī)的主要作用體現(xiàn)在下面五個方面。1 1 l 挖掘路塹 反鏟挖掘機(jī)布置在路塹的附近，根據(jù)情況選擇溝端挖掘或溝側(cè)挖掘方法進(jìn) 行旋工。用自卸車與挖掘機(jī)配合，將挖掘的土壤移運(yùn)至卸土場。 填筑路堤 反鏟挖掘機(jī)與自卸車配合可進(jìn)行填筑路堤作業(yè)，挖掘機(jī)在取土場按照上述 挖掘方法取土即可。挖掘路塹和填筑路堤施工中，自卸車配合反鏟挖掘機(jī)作業(yè) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 時所需要的車輛數(shù)，除與挖掘機(jī)、自卸車的性能有關(guān)外，還與運(yùn)輸距離、道路 狀況、駕駛員操作技術(shù)等因素有關(guān)，一般可用估算法求出，然后通過具體作業(yè) 予以落實。在此過程中，以滿足挖掘機(jī)不中斷作業(yè)、又不讓自卸車停滯為原則。 平面挖掘 反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行平面挖掘作業(yè)時可采用垂直挖掘法可平等挖掘法。 垂直挖掘法：挖掘機(jī)垂直于工作面上進(jìn)行挖掘。垂直挖掘法的優(yōu)點(diǎn)是，挖 掘機(jī)的兩側(cè)均可停放自卸車，一側(cè)自卸車運(yùn)輸時另一側(cè)自卸車進(jìn)行裝載，并且 挖掘機(jī)潮轉(zhuǎn)達(dá)角度不超過9 0 。，有利于提高作業(yè)效率。 平行挖掘法：反鏟挖掘機(jī)后退方向與工作面擴(kuò)展方向平行，可進(jìn)行直線挖 掘和裝載，它適用于細(xì)長的挖掘作業(yè)。由于自卸車只能在一側(cè)進(jìn)行裝載，因此 生產(chǎn)效率較低。 建筑物基礎(chǔ)的挖掘 使用反鏟挖掘建筑物基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)是：挖掘機(jī)和自卸車均在地面上，不需 要傾斜通道；基礎(chǔ)的垂直面可準(zhǔn)確挖掘，對水平基礎(chǔ)或有坡度的基礎(chǔ)都能很好 地進(jìn)行挖掘，溝底也能按要求挖掘，不需要人工修正。 挖掘溝槽 反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行溝槽挖掘作業(yè)是最適合的。挖掘溝槽時注意溝槽底部的水 平度和挖掘機(jī)應(yīng)有的后退移動，這樣才能達(dá)到施工要求而不需要人工修整。反 鏟挖掘機(jī)挖掘溝槽有淺溝的垂直挖掘法和深溝的垂直挖掘法等三種施工方法。 1 ) 淺溝的垂直挖掘法。挖掘機(jī)的動臂幾乎呈水平狀態(tài)，在挖掘機(jī)后退的過 程中同時也完成挖掘工作。采用這種挖掘法作業(yè)循環(huán)時間很短，但鏟斗每次裝 滿效率低。挖掘堅硬土壤時須與作業(yè)面成垂直狀態(tài)，以保證有較大的挖掘力。 2 ) 淺溝的平行挖掘法。這種挖掘方法是反鏟挖掘的前進(jìn)方向和溝槽的中心 線平行，動臂與機(jī)體( 行走機(jī)構(gòu)) 成直角，并配合以挖掘機(jī)的移動，挖掘方法 與上述垂直挖掘法相同。 3 ) 深溝的垂直挖掘法。深溝的垂直挖掘可采用兩種作業(yè)方式：一種與淺溝 的平等挖掘法相同；另一種是分層分段挖掘，先挖淺溝，當(dāng)挖掘機(jī)沿溝槽方向 前進(jìn)、挖到長度約為挖掘機(jī)長度的1 1 2 時，再挖到所規(guī)定的深度。挖掘時使動 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 臂下降，斗桿幾乎與作業(yè)面垂直，并配合以挖掘機(jī)的后退移動。這種分層分段 挖掘方法用斗桿挖掘較方便，容易裝滿鏟斗，駕駛員在駕駛室內(nèi)也容易掌握掌 握斗桿的動作。由于主要依靠斗桿挖掘，因此挖掘作業(yè)循環(huán)時間較長。又因為 挖掘機(jī)需頻繁地前進(jìn)和后退，故松軟地帶不宣采用這種挖掘方式。 三、液壓挖掘機(jī)存在的問題 1 存在的問題 隨著挖掘機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展，一些潛藏的挖掘機(jī)的技術(shù)上和管理上的一系 列問題也逐漸暴露出來。例如對危險地帶的挖掘、對挖掘機(jī)組群的管理，對挖 掘機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等，這些都是在挖掘機(jī)發(fā)展道路上的障礙。如果想要讓液壓挖 掘機(jī)在工程施工上更進(jìn)一步，就必須解決這些問題。從挖掘機(jī)的應(yīng)用范疇來說， 主要存在的問題有下面幾個方面： 作業(yè)環(huán)境的限糊田 隨著人類活動領(lǐng)域的拓展，對作業(yè)質(zhì)量要求的提高和對人的工作環(huán)境的挑 剔，這些應(yīng)用領(lǐng)域中存在的一些問題愈來愈不容忽略，例如： 1 ) 作業(yè)的勞動強(qiáng)度較大，操作者往往被要求全神貫注地身兼“多職”，體力 和腦力消耗極大： 2 ) 工作環(huán)境惡劣，常常伴有強(qiáng)烈的振動、噪音和塵埃，有時甚至面臨塌 方、核輻射等威脅； 3 ) 缺乏訓(xùn)練有素的操作者完成高質(zhì)量要求的作業(yè)，例如平整作業(yè)要保證 作業(yè)精度，需要操作者具有足夠的經(jīng)驗和判斷力，目測并同時操縱幾 個手柄； 4 ) 有些工作環(huán)境人類不便于直接進(jìn)入，例如太空開發(fā)、水下作業(yè)等。 挖掘機(jī)韻遠(yuǎn)程監(jiān)控 對任何機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控總是人們所期望的。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，人們可以遠(yuǎn)程 監(jiān)視挖掘機(jī)，包括挖掘機(jī)的各種工作狀態(tài)參數(shù)，挖掘機(jī)的工作時間，挖掘機(jī)的 動作，挖掘機(jī)的油位，挖掘機(jī)的水溫以及挖掘機(jī)的地理位置( 經(jīng)緯度信息) 。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，人們可以遠(yuǎn)程控制挖掘機(jī)的各種動作，例如遠(yuǎn)程挖掘，遠(yuǎn) 程行駛等，從而最終實現(xiàn)無人駕駛的目標(biāo)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，為無人駕駛 的想法提供了可靠的保證，同時也為挖掘機(jī)器人的發(fā)展提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 挖掘機(jī)工作組的管理 隨著挖掘機(jī)在工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，越來越多的機(jī)構(gòu)和個人擁有一定數(shù) 量的挖掘機(jī)，從而形成了挖掘機(jī)群。然而，隨著挖掘機(jī)數(shù)量的增加，人們對自 己所擁有的挖掘機(jī)的監(jiān)控越來越力不從心。因此，及時、有效的對挖掘機(jī)工作 狀態(tài)的即時監(jiān)控成了亟待解決的問題。 另一方面，國內(nèi)挖掘機(jī)械的租賃和銀行貸款業(yè)務(wù)需要較高的信譽(yù)評價。以 下為參與業(yè)務(wù)的各方以及各方的側(cè)重點(diǎn)。 挖掘機(jī)用戶：設(shè)備的管理、完好率、使用效率和財產(chǎn)的安全性。 制造商：獲取設(shè)備生命周期中最重要的使用階段的原始資料，由此有針對 性地對技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行提升。 代理商( 售后服務(wù)供應(yīng)商) ：確保整個銷售過程的順利，提升服務(wù)的水準(zhǔn)， 進(jìn)一步向售后服務(wù)階段延伸利潤鏈。 銀行：按揭貸款資金的及時回籠。 保險公司：出險的概率降至最低。 2 可能的解決途徑 隨著i n t e m e t 技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和普及，相關(guān)的成熟產(chǎn)品和服務(wù)大量 走進(jìn)了人們的日常生活。將成熟的互聯(lián)網(wǎng)與機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)結(jié)合在一 起，利用網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面廣、基礎(chǔ)設(shè)備的齊備、與通信技術(shù)具有的互通性強(qiáng)的特 點(diǎn)，開發(fā)成熟的、高可靠性的、使用經(jīng)濟(jì)的工程機(jī)械的g s m g p s 遠(yuǎn)程監(jiān)控管 理系統(tǒng)，就成為了一個非常實用的想法。通過i n t e r n e t 絨是通信網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān) 控系統(tǒng)為挖掘機(jī)用戶的安全、經(jīng)濟(jì)、滿意地使用挖掘機(jī)提供了最可靠的技術(shù)保 證。 對于挖掘機(jī)作業(yè)環(huán)境的限制，我們可以用遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式來解決。通過無 人駕駛和駕駛員遠(yuǎn)程的監(jiān)控的方式，可以讓挖掘機(jī)在人類無法工作的環(huán)境下進(jìn) 1 0 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 行有條不紊的工程作業(yè)。對于挖掘機(jī)工作組的管理，同樣也可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控 的方式來進(jìn)行有效的管理。但同時還需要一個能夠管理大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)平臺來 對大量的、來自不同挖掘機(jī)、甚至是不同類型的工程機(jī)械的各種各樣的、實時 的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，從而進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析處理。對于其他的和工程 機(jī)械有關(guān)的商業(yè)服務(wù)( 例如租賃、銀行貸款等) 的信譽(yù)評估和狀態(tài)跟蹤，遠(yuǎn)程 監(jiān)控系統(tǒng)同樣可以發(fā)揮很大的作用。有了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，參與商業(yè)活動的多方 ( 挖掘機(jī)用戶、制造商、代理商、售后服務(wù)供應(yīng)商、銀行和保險公司等) 之間 可以非常協(xié)調(diào)的、有條不紊的進(jìn)行商業(yè)活動。圖1 1 為參與商業(yè)活動的多方 的關(guān)系示意圖。 工程機(jī)械保險 按揭貸款 ，7 一、 代理商1 i ( 售后服務(wù)商) j 、 圈1 1 參與商業(yè)活動的多方關(guān)系示意圈 從上圖可以看出，挖掘機(jī)用戶、制造商、代理商、售后服務(wù)供應(yīng)商、銀行 和保險公司等多方可以通過挖掘機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來方便的為彼此提供更好的服 務(wù)。銀行可以根據(jù)該監(jiān)控系統(tǒng)的歷史記錄，對挖掘機(jī)用戶進(jìn)行相應(yīng)的信譽(yù)評估 從而決定是否提供給該用戶或是應(yīng)該提供哪種服務(wù)給該用戶。同時，如果有可 能，當(dāng)用戶在規(guī)定期限內(nèi)還沒有完成還款行為時，銀行可以在法律允許的情況 下，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對該用戶的貸款的挖掘機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程鎖車，直到用戶完 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 成規(guī)定的還款行為為止。代理商在提供售后服務(wù)的時候，可以通過該遠(yuǎn)程監(jiān)控 系統(tǒng)的歷史記錄，對工作狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，快速的發(fā)現(xiàn)問題和引起問 題的原因，從而快速的解決故障，提供完善的售后服務(wù)。保險公司在進(jìn)行保險 擔(dān)?；蚴抢碣r活動時，可以根據(jù)該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的歷史記錄情況，來提供相應(yīng) 的正確的保險擔(dān)?；蚴钦_的理賠活動。挖掘機(jī)制造商可以根據(jù)該遠(yuǎn)程監(jiān)控系 統(tǒng)的歷史記錄情況，來對自己生產(chǎn)的挖掘機(jī)的各方面的性能進(jìn)行可靠的、有實 際意義的、全方位的評估。挖掘機(jī)用戶自己可以根據(jù)該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的歷史記 錄情況，來遠(yuǎn)程的對自己的挖掘機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和挖掘作業(yè)。 四、研究的方向、內(nèi)容、背景和實際意義 1 研究的方向、內(nèi)容 通過i n t e r n e t 或是通信網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為挖掘機(jī)用戶的安全、經(jīng)濟(jì)、 滿意地使用挖掘機(jī)提供了最可靠的技術(shù)保證。針對以上提出的挖掘機(jī)發(fā)展的種 種限制和不足，本課題提出了“挖掘機(jī)遠(yuǎn)程管理中心”。該中心主要包括兩個部分 數(shù)據(jù)傳輸和后臺處理。 挖掘機(jī)實際工作 g s m g p s 參數(shù)處理，儲存 參數(shù)采集階段：傳輸階段 和顯示階段 專：j 號：專 圉；= = ：= = 二：i 薹i 一匿；= = ：= = 二：舊i = 函 圖 一2 遠(yuǎn)程智能挖擱機(jī)數(shù)據(jù)交換中心模塊劃分圈 圖1 2 為遠(yuǎn)程挖掘機(jī)數(shù)據(jù)管理中心模塊劃分圖，從圖中可以看出，整個系 統(tǒng)可以劃分為三部分：挖掘機(jī)實際工作參數(shù)采集階段、g s m i g p s 傳輸階段以 及參數(shù)處理，儲存和顯示階段。挖掘機(jī)實際工作參數(shù)采集階段主要負(fù)責(zé)采集挖 掘機(jī)機(jī)身上的各種實時工作參數(shù)。從安裝在挖掘機(jī)機(jī)身上各個部位的傳感器中 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 得到實際參數(shù)值，經(jīng)過下位機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，再送給g p s 處理模塊進(jìn)行調(diào)制， 以便利用g s m 和g p s 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。g s m g p s 傳輸階段主要是 利用現(xiàn)有的g s m 網(wǎng)絡(luò)和g p s 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。參數(shù)處理，儲存和顯示階段 主要是對從工作現(xiàn)場傳來的各種實時的參數(shù)進(jìn)行分析、處理和統(tǒng)計，以便目后 的曲線規(guī)律再現(xiàn)和故障的診斷。整個挖掘機(jī)數(shù)據(jù)管理中心系統(tǒng)的核心部分位于 這個階段。其余的兩個階段主要都是提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備階段。同時，這個階段也 是直接面向用戶的。 2 課題研究背景 對于該數(shù)據(jù)管理中心，從功能上來講，可以分為兩個大的子模塊：g p s g s m 傳輸和售后服務(wù)模塊、挖掘機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。圖卜一3 為遠(yuǎn)程挖掘機(jī)數(shù)據(jù)管理中 心的功能模塊組圖： 圈1 3 遠(yuǎn)程智能挖掘機(jī)數(shù)據(jù)交換中心子系統(tǒng) 如圖1 3 所示，該遠(yuǎn)程挖掘機(jī)數(shù)據(jù)管理中心按照功能來劃分，可以分為 g p s ，g s m 傳輸和售后服務(wù)子系統(tǒng)、挖掘機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)。其中，挖掘機(jī)遠(yuǎn) 程監(jiān)控子系統(tǒng)為國家“8 6 3 ”攻關(guān)項目。該子系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)無限傳輸電臺， 遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制挖掘機(jī)的各種挖掘動作，以及實現(xiàn)挖掘機(jī)的自主規(guī)劃，例如修 整平面、溝渠挖掘和挖坑規(guī)劃等。 浙江火學(xué)碩士學(xué)位論文 本課題主要研究了挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方 法。在該系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，本課題所涉及到的技術(shù)和想法同樣可以移植到其 他大型的軍工或是工程機(jī)械上，例如汽車，坦克等。 3 課題研究的實際意義 該遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的研究，對下面兩個方面都有比較積極的現(xiàn)實意義。 1 ) 工程機(jī)械的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測 只要在其他的工程機(jī)械( 如車輛、坦克等) 的關(guān)鍵部位安裝上相應(yīng)的傳 感器和g p s ，g s m 模塊，再經(jīng)過系統(tǒng)的相應(yīng)的移植后，該系統(tǒng)就可以成功 的應(yīng)用于其他工程機(jī)械。 2 ) 提供很好的數(shù)據(jù)支持平臺 該系統(tǒng)的可以遠(yuǎn)程監(jiān)視挖掘機(jī)的各種工作參數(shù)的即使?fàn)顟B(tài)，這為挖掘機(jī) 的各種狀態(tài)分析( 如故障診斷) ，提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章數(shù)據(jù)管理中心總體結(jié)構(gòu)分析及其實現(xiàn) 【摘要】本章主要闡述了數(shù)據(jù)管理中心的總體目標(biāo)和總體結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，主要介紹 了系統(tǒng)的硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。在系統(tǒng)的軟件子系統(tǒng)中，闡明了 系統(tǒng)的總體構(gòu)絮以及相應(yīng)的功能模塊的劃分，各個功能模塊的概述。 一、系統(tǒng)總體目標(biāo) 挖掘機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心的總體目標(biāo)是為挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)一個集挖掘 機(jī)數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程無線傳輸、存儲、處理、分析，基于i n t e m e t 的用戶交互、 企業(yè)信息的發(fā)布于一體的一個平臺。通過該平臺，挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)可以從不同 的角度觀察遠(yuǎn)程挖掘機(jī)的工作數(shù)據(jù)，從挖掘機(jī)的各方面的信息中得到自己感興 趣的數(shù)據(jù)，例如得到數(shù)據(jù)驗證虛擬樣機(jī)，故障出現(xiàn)頻率和故障診斷，產(chǎn)品熱銷 地區(qū)的具體分布等；如果挖掘機(jī)運(yùn)行發(fā)生致命錯誤，管理者可以通過這個平臺 遠(yuǎn)程控制挖掘機(jī)停機(jī)；管理者還可以發(fā)布一些企業(yè)信息，如維修紀(jì)錄，售后服 務(wù)，新產(chǎn)品發(fā)布以供用戶訪問。挖掘機(jī)用戶通過這個平臺可以觀察挖掘機(jī)的具 體使用情況，例如挖掘機(jī)是否正常工作，作業(yè)位置分布等信息。本系統(tǒng)所要實 現(xiàn)的具體功能如下： a ) 挖掘機(jī)數(shù)據(jù)( 如挖掘機(jī)工作時的油壓、水溫、故障報警、各個泵壓力參數(shù)、 各個關(guān)節(jié)姿態(tài)角參數(shù)) 的采集； b ) 挖掘機(jī)g p s 全球定位； c ) 數(shù)據(jù)通過g s m 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊傳輸； d ) 實現(xiàn)挖掘機(jī)的遠(yuǎn)程控制( 通過無限傳輸電臺m i c r o w a v ed a t as y s t e m ， m d s 2 7 1 0 ) ： e ) 建立數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的存儲、查找、分析及處理；遠(yuǎn)程用戶通過i n t e r n e t 訪問數(shù)據(jù)及挖掘機(jī)工作信息。 f ) 歷史信息的統(tǒng)計，例如挖掘機(jī)地理位置的改變情況，在一定時間內(nèi)的每天的 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 工作情況等。 二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本挖掘機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。硬件子系 統(tǒng)負(fù)責(zé)挖掘機(jī)數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程無線傳輸、g p s 定位及遠(yuǎn)程控制；軟件予系統(tǒng) 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、處理分析、用戶交互、查詢、g p s 定位、樣機(jī)仿真、用戶訪 問等。硬件子系統(tǒng)是軟件子系統(tǒng)的基礎(chǔ)和物理支持，軟件子系統(tǒng)是硬件子系統(tǒng)的 功能的實現(xiàn)和擴(kuò)展。由此可見，該挖掘機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心需要硬件和軟件的同 時支持。 下面分別介紹硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 2 硬件予系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 硬件子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)挖掘機(jī)實際工作狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程無線傳輸、 g p s 定位及遠(yuǎn)程控制等功能。系統(tǒng)主要由監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集模塊、管理機(jī)數(shù)據(jù)采 集及遠(yuǎn)程控制模塊、g p s 定位模塊、g s m 短信傳輸模塊、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器模塊 等五個模塊組成，硬件系統(tǒng)模塊圖2 - 1 所示。每個模塊的功能描述大致如下： 1 )臟測儀數(shù)據(jù)采集模塊 負(fù)責(zé)挖掘機(jī)工作時油壓、水溫、電瓶電量參數(shù)的采集： 2 ) 管理機(jī)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程控制模塊 負(fù)責(zé)挖掘機(jī)工作時各個泵的參數(shù)和關(guān)節(jié)姿態(tài)角參數(shù)( 回轉(zhuǎn)q 0 、動臂q 1 、 斗桿q 2 和鏟斗q 3 ) 的采集及挖掘機(jī)的控制( 通過無限傳輸電臺m i c r o w a v e d a t as y s t e m ，m d s 2 7 1 0 ) = 3 )g p s 定位模塊 負(fù)責(zé)挖掘機(jī)地理位置的經(jīng)緯度g p s 全球定位；可以讓用戶隨時知道挖掘 機(jī)所處的精確地理位置。 4 )g s m 短信傳輸模塊 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸；通過已經(jīng)建立起的良好的g s m 通信網(wǎng)絡(luò)，挖 1 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 掘機(jī)的各種狀態(tài)監(jiān)視參數(shù)可以快捷的傳到上位機(jī)軟件系統(tǒng)。 5 ) 數(shù)據(jù)管理服務(wù)器模塊 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、存儲處理和分析：可以為售后服務(wù)、維修等提供良好的 歷史數(shù)據(jù)查詢。 監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集模塊和g p s 模塊分別通過串口與g s m 模塊通訊，管理機(jī) 數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程控制模塊通過c a n 總線與g s m 模塊通訊，各個數(shù)據(jù)在g s m 模塊中整合后通過中國移動的g s m 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)i n t e r n e t 與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間建立連 接，進(jìn)行相互數(shù)據(jù)傳輸和雙向通訊，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)服務(wù)器中存儲、分析處理。用戶 則通過i n t e r n e t 與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。 3 。軟件子系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖2 一 硬件系統(tǒng)豢塊圈 本軟件予系統(tǒng)采用v c + + 6 0 語言編程，主要由無線數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)庫 存儲處理模塊、g p s 全球衛(wèi)星地理定位模塊、用戶數(shù)據(jù)查詢模塊、挖掘機(jī)軌跡 規(guī)劃、仿真、控制模塊、虛擬樣機(jī)仿真模塊等六個模塊組成。每個模塊的功能大 致描述如下： 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文 1 ) 無線數(shù)據(jù)通訊模塊 負(fù)責(zé)挖掘機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)的采集和上位機(jī)用戶指令的收發(fā)； 2 ) 數(shù)據(jù)庫存儲處理模塊 負(fù)責(zé)海量數(shù)據(jù)的存儲及處理，主要是對下位機(jī)通過g s m 網(wǎng)絡(luò)傳來的各種工 作參數(shù)和經(jīng)緯度信息的存儲； 3 ) g p s 全球衛(wèi)星地理定位模塊 負(fù)責(zé)挖掘機(jī)的全球地理數(shù)字地圖定位；通過傳來的經(jīng)緯度的信息，該系統(tǒng)可 以在電子地圖上精確的指定挖掘機(jī)的工作位置。 圖2 2 挖掘機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心電子地圖 4 ) 用戶數(shù)據(jù)查詢模塊 負(fù)責(zé)挖掘機(jī)用戶的數(shù)據(jù)查詢，故障分析和潛在問題的預(yù)測； 5 ) 挖掘機(jī)軌跡規(guī)劃、仿真、控制模塊 負(fù)責(zé)挖掘機(jī)的軌跡規(guī)劃和軌跡仿真及其挖掘機(jī)的控制； 6 ) 虛擬樣機(jī)仿真模塊 負(fù)責(zé)用采集回來的數(shù)據(jù)驗證虛擬樣機(jī)，虛擬樣機(jī)用p r o ，e 制作，仿真環(huán)境用 的是a d a m s 。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 3 挖掘機(jī)三維仿真模型 各個模塊的關(guān)系示意圖如下： 圖2 4 系統(tǒng)軟件子系統(tǒng)模塊圖 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章系統(tǒng)各功能模塊結(jié)構(gòu)分析及其實現(xiàn) 【摘要】根據(jù)數(shù)據(jù)管理中心的功能，對各個功能模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和 闡述，并給出了各個功能模塊的詳細(xì)設(shè)計、實現(xiàn)原理和實現(xiàn)的方法。在介紹功能 模塊的同時，給出了相應(yīng)的類圖和u m l 時序圖。 這章主要介紹遠(yuǎn)程挖掘機(jī)數(shù)據(jù)管理中心的各個功能模塊的結(jié)構(gòu)和詳細(xì)的實 現(xiàn)方法。整個系統(tǒng)主要由幾個模塊組成：1 ) 用戶權(quán)限確認(rèn)模塊；2 ) 虛擬樣機(jī) 仿真模塊；3 ) g p s 定位；4 ) 挖掘機(jī)規(guī)劃、仿真、控制模塊；5 ) 挖掘機(jī)無線數(shù) 據(jù)通訊模塊。下面分別介紹各個功能模塊詳細(xì)設(shè)計和實現(xiàn)。 一、用戶權(quán)限確認(rèn)模塊 1 用戶登陸界面 圖3 - 1 系統(tǒng)登豫界面 該模塊主要負(fù)責(zé)不同權(quán)限用戶的登陸。權(quán)限不同，登陸后所能執(zhí)行的操作也 就不同，總的來說，一共有三個權(quán)限：a d m i n i s t r a t o r 、u s e r 、g u e s t ，權(quán)限列表 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 如下 h i g h g u e s t 擁有最高權(quán)限，可對三個模塊進(jìn)行所有 操作，可以修改、刪除、增加各種數(shù)據(jù)。 可以設(shè)定其他的用戶權(quán)限。 擁有一般的權(quán)限，與a d m i n i s t r a t o r 不同 之處在于無權(quán)設(shè)定和修改其他的用戶權(quán) 限。 擁有最低的權(quán)限，不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、 刪除、增加等操作，也不能設(shè)定其他的 用戶權(quán)限。 圈3 - 2 用戶投限示意圈 用戶可以在登陸界面上輸入自己的用戶名和密碼來進(jìn)行相應(yīng)的登陸，如果用 戶名和密碼正確，系統(tǒng)會自動識別該用戶的相應(yīng)權(quán)限，以便以后的操作。如果輸 入的用戶名和密碼不正確，會彈出相應(yīng)的錯誤對話框。同時，登陸界面還提供了 取回密碼服務(wù)，該項服務(wù)可以根據(jù)用戶名，把相應(yīng)的用戶名、密碼信息以電子郵 件( 郵箱地址在用戶注冊的時候已用戶資料的形式輸入) 的方式發(fā)送到相應(yīng)的用 戶郵箱。 2 登陸流程示意圖 圖3 3 是用戶登陸流程圖，從該流程圖中可以看出，用戶點(diǎn)擊登陸按鈕后， 登陸模塊首先判斷用戶名、密碼是否已經(jīng)正確輸入，如果用戶名為空，彈出錯誤 信息，并重新輸入。如果密碼為空，則彈出密碼為空警告信息。登陸模塊根據(jù)用 戶名到數(shù)據(jù)庫的u s e ri n f o 表中去查找相應(yīng)的密碼，如果密碼相符，則登陸系統(tǒng)， 同時彈出歡迎登陸賽匭。如果密碼不符，則彈出用戶名，密碼錯誤信息，同時回 到中心登陸界面。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 - 3 用戶登陸流程圖 3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖3 - 4 取回密碼操作流程圈 在數(shù)據(jù)庫中，關(guān)于用戶的所有注冊信息，都在u s e ri n f o 表中。該表記錄了 每個用戶的用戶名、密碼、權(quán)限、電子郵箱地址、性別、注冊日期等。下面是用 戶資料信息在數(shù)據(jù)庫中的存儲結(jié)構(gòu)： 豳3 - 6u s e d n f o 表結(jié)構(gòu) i s 礬i dl dn a m ep a s s w o r d a u t h o r i t y e m a i lg e n d e rd a t e i i 浙江大學(xué)頌士學(xué)位論文 4 類圖和交互作用圖 在程序運(yùn)行的任何一個時刻，用戶的個數(shù)都為1 或0 ( 當(dāng)還未登陸，在登陸 界面時，用戶個數(shù)為o ) ，因此，程序只需維護(hù)一個用戶類u s e r 的實例m u s e r 即可。經(jīng)過分析，可以把這個類的實例放入主程序類( c d a t a c e n t e r a p p ) 中， 以便在程序的任何地方對該用戶信息進(jìn)行訪問。 c d a t a c e n t e r a p p mu s e t ：u s e r d e p e n d e n c y u s e t s o f l l d ：s t r i n g i d ：s t r i n g n a m e ：s t r i n g p a s s w o r d ：s t r i n g a u t h o r i t y ：i n t e m a i l ：s t r i n g g e n d e r ：s t r i n g d a t e ：d a t e g e t s o f u d o ：s t r i n g g e t l d o ：s t r i n g g e t n a m e o ：s t r i n g g e t p a s s w o r d o ：s t r i n g g e t k u t h o d t y o ：i n t g e t e m a i l o ：s t r i n g g e t g e n d e r o ：s t r i n g g e t r i 帕t e r d a t e o ：s t r i n g s e t s o f t l d ( s o f t l d ：s t r i n g ) ：i n t s e t l o ( i d ：s t r i n g ) ：i n t s e t n a m e ( n a m e ：s t r i n g ) ：i n t s e t p a s s w o r d ( p a s s w o r d ：s t r i n g ) ：i n t s e t a u t h o r i t y ( a u t h o d t y ：i n t ) ：i n t s e t e m a i l ( e m a i l ：s t r i n g ) ：i n t s e t g e n d e r ( g e n d e r ：s t r i n g ) ：i n t s e t r i g e s t e r d a t e ( d a t e ：d a t e ) ：i n t s e n d e m a i l o ：i n t 圈3 6 類圈 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 二、g p s 定位模塊 1 g p s 定義和主要特點(diǎn) 圖3 - 7 用戶登陸時序圖 g p s ( 全球定位系統(tǒng)) 全稱為授時與測距導(dǎo)航全球定位系統(tǒng)( n a t i o ns a t e l l i t e t u n i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，n a v s t a p j g p s ) ，是美國研制并 建立的新一代精密星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。它由三大部分組成：空間星座、地面監(jiān) 控系統(tǒng)和用戶接收設(shè)備。其中，空間星座部分由均勻分布在6 個軌道平面內(nèi)的2 4 顆衛(wèi)星組成，包括三顆備用衛(wèi)星。地面監(jiān)控系統(tǒng)由分布在全球的1 個主控站、3 個主機(jī)站和5 個監(jiān)控站組成，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集、故障診斷、跟蹤監(jiān)測、衛(wèi)星調(diào) 度、導(dǎo)航電文編輯等工作?？臻g星座和地面監(jiān)控系統(tǒng)由美國政府管理并維護(hù)，普 通用戶并不關(guān)心。用戶端使用g p s 接收設(shè)備即可實現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。1 1 6 ，【1 8 】 g p s 導(dǎo)航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛 等特點(diǎn)著稱。具體為：【1 6 1 ，【2 0 l 1 ) 定位精度商 應(yīng)用實踐已經(jīng)證明，g p s 相對定位精度在5 0 k m 以內(nèi)可達(dá)1 0 一，1 0 0 - - 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 0 0 k m 可以達(dá)到1 0 ，1 0 0 0 k m 以上可到達(dá)l o 一。在3 0 0 1 5 0 0 m i 程精 度定位中，1 小時以上觀測的平面位置誤差小于1 m m 。 2 ) 觀測時間短 隨著g p s 系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新。目前，2 0 k m 以內(nèi)相對靜態(tài) 定位，僅需1 5 2 0 m i n ；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基 準(zhǔn)站相距在1 5 k m 以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1 2 m i n ，然后可隨時定 位，每次觀測僅需幾秒鐘。 3 ) 測站間無需通視 g p s 測量不要求測站之間相互通視，只需測站上空開闊即可，因此可節(jié) 省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點(diǎn)間通視，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要，可稀可 密，使選點(diǎn)工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的 測量工作。 4 ) 可提供三位坐標(biāo) 經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別測量。g p s 可同時精確測 定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前g p s 水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度。 5 ) 操作簡潔 隨著g p s 接收機(jī)不斷改進(jìn)，自動化程度越來越高，有的已經(jīng)達(dá)到“傻瓜化” 的程度；接收機(jī)的體積越來越小，重量越來越輕，極大的減輕測量工作 者的工作緊張程度和勞動強(qiáng)度。 6 1 全天候作業(yè) 目前g p s 觀測可在一天2 4 d , 時內(nèi)的任何時間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧 刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。 7 ) 功能多、應(yīng)用廣 g p s 系統(tǒng)不僅可以用于測量、導(dǎo)航，還可用于測速、測時。測速的精度 可達(dá)0 1 m ，s ，測時的精度可達(dá)到幾十毫微妙。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 g p s 系統(tǒng)一旦工作，就不斷地向全球發(fā)送導(dǎo)航電文，這是一種可供無數(shù)用戶 共享的信息資源，位于陸地和近地空間的廣大用戶可以在任何時候接收g p s 信 號以完成定位解算或授時。可以說，g p s 系統(tǒng)的建立從根本上解決了全球范圍 內(nèi)的導(dǎo)航和定位問題。現(xiàn)在g p s 已成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 統(tǒng)，有關(guān)g p s 系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)研究和相關(guān)設(shè)備的開發(fā)在短時間內(nèi)得到了迅速發(fā) 展。 2 g p s 定位基本原型7 】，1 1 鐘，剛 g p s 采用高軌測距體制，以觀測站至g p s 衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。 為獲得距離觀測量，主要采用兩種觀測方法：1 ) 測量g p s 衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信 號( g a 碼或p 碼) 到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時間；2 ) 測量接收機(jī)接收到的具有多普 勒頻移的載波信號與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差。載波相位觀測是 目前最精確的觀測方法，它對精密定位工作具有極其重要的意義。但由于載波相 位觀測存在蹩周不確定、周跳和半周跳等現(xiàn)象，因此其數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。 在導(dǎo)航和動態(tài)定位中，主要有兩種定位方式：單點(diǎn)定位和差分定位。所謂單點(diǎn) 定位就是獨(dú)立確定待定點(diǎn)在地心坐標(biāo)系中的絕對位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是只需一臺 接收機(jī)。但由于單點(diǎn)定位的結(jié)果受衛(wèi)星星歷誤差和衛(wèi)星信號傳播過程中的大氣延 遲誤差的影響比較顯著，定位精度較差。所謂差分定位，就是將一臺接收機(jī)安置 在地詞已知點(diǎn)上作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并與所有待測點(diǎn)的接收機(jī)進(jìn)行同步觀測?；鶞?zhǔn)點(diǎn)根 據(jù)其精確已知的坐標(biāo)可以求出定位結(jié)果的坐標(biāo)改正數(shù)( 位置差分法) 或偽距觀測 量的改正數(shù)( 偽距差分法) ，然后通過數(shù)據(jù)鏈把這些改正數(shù)實時傳送給相關(guān)用戶。 用戶利用這些改正數(shù)對自己的定位結(jié)果或者偽距觀測量進(jìn)行改正，從而提高定位 結(jié)果的精度。雖然基本觀測量的觀測方法有測距碼和載波相位之分，定位方式有 單點(diǎn)定位和差分定位之分，但不論使用何種觀測方法和何種定位方式，其基本原 理都是一致的。測距碼偽距是指由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼到觀測站的傳播時間( 時間 延遲) 乘以光速所得出的量測距離，簡稱為偽距。為建立偽距觀測值的方程，須 顧及衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣層折射延遲。 1 )g p s 衛(wèi)星的監(jiān)控系統(tǒng)閻 對于衛(wèi)星大地測量而言，g p s 衛(wèi)星是以一種動態(tài)已知點(diǎn)描述衛(wèi)星及其軌道參 數(shù)，稱為衛(wèi)星星歷：每顆衛(wèi)星的星歷由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供，另外，衛(wèi)星入軌運(yùn)動 后，它的“健康”狀況如何，也需地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。 地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站，三個注入站和五個監(jiān)控站。主控站擁有以大 型計算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計算、傳輸、診斷等設(shè)備。它的主要功能是：收集 各監(jiān)測站測得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)，監(jiān)測站 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等；根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時計算每顆g p s 衛(wèi)星的星歷，時鐘改正， 狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入 站；監(jiān)控整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常，檢驗注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確， 監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出；調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星，將偏離軌道 的衛(wèi)星“拉回”到正常軌道位置。 監(jiān)控站是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測數(shù)據(jù)，每個監(jiān)測站均用g p s 信號接 收機(jī)測量每顆可見衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象要素等數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送給 主控站。 圖3 8g p s 衛(wèi)星示意圖 2 )g p s 系統(tǒng)的用戶設(shè)備嗍膽1 l 對于g p s 信號的用戶而言，主要分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位，兩者的用戶設(shè)各 均叫做g p s 信號接收機(jī)，或稱為g p s 衛(wèi)星定位儀。 g p s 信號接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖3 9 所示，可概括為天線單元和接收單元兩 大部分。 天線單元由接收天線和前置放大器兩個部件組成。 接收單元信號波道是核心部件，是一種軟硬件相結(jié)合的有機(jī)體，它具有的波 道數(shù)目從1 至7 個不等。數(shù)據(jù)記錄器是在野外作業(yè)過程中用來記錄接收機(jī)所有采 集的定位數(shù)據(jù)，以供測后數(shù)據(jù)處理之用。視屏監(jiān)控器包括一個視屏照示密和一個 控制鍵盤，作業(yè)員通過按鍵可從視屏窗上讀取所要求的數(shù)據(jù)和文字。電池有機(jī)內(nèi) 外兩種直流電源，例妻g w m l 0 1 接收機(jī)采用1 2 、，機(jī)內(nèi)鎘鎳電池，或者1 2 v # f 接蓄電 池。 接收機(jī)種類很多，主要生產(chǎn)廠家有美國、英國、日本、德國、加拿大等數(shù)十 家公司。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 麓奄 i l l j 一一麓璺媲一一 圖3 9g p s 型號接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 3 本系統(tǒng)中g(shù) p s 定位模塊工作流程 在該遠(yuǎn)程挖掘機(jī)數(shù)據(jù)管理中心中，g p s 模塊起著挖掘機(jī)工作位置地位的作 用。使用戶可以隨時精確的知道挖掘機(jī)的工作位置的經(jīng)緯度。g p s 模塊的工作 流程圖如下。 三、串口通信模塊 圖3 一伸系統(tǒng)中g(shù) p s 模塊工作藏程圈 1 串口通信基本原理 串行端1 3 的本質(zhì)功能是作為c p u 和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從c p u 經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時，串行的位 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在w i n d o w s 環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一