測繪(2)班209101819 李

1、南 昌 工 程 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)水利與生態(tài)工程 系（院） 測繪工程 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目: 便攜式遙控量船軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 學(xué)生姓名 李順浩 班 級 09測繪（2）班學(xué) 號 2009101819 指導(dǎo)教師 周航宇 完成日期 2013 年 5 月 15日第一章 水下測量原因 1.1選題背景及研究意義 進(jìn)入21世紀(jì)，人類面臨許多嚴(yán)峻的問題；：人口膨脹，資源短缺，環(huán)境污染等，在陸地資源告急的情況下，各國紛紛將眼光投到了水下。因此，憑借獨(dú)到的海洋技術(shù)最大限度可持續(xù)地開發(fā)利用水下資源，將是每個國家必須重視的戰(zhàn)略性問題。同時在江河湖海上建設(shè)發(fā)電站，其能源是環(huán)保的，并具有抗洪，抗旱等多種功

2、能。還有整治，管理航道，確保水運(yùn)暢通的作用，也是關(guān)乎民生的大事。 所以說，水下測量技術(shù)的開發(fā)與提升迫在眉睫1.2 水下測量的背景 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水下地形測量日益顯露出其重要性。尤其在現(xiàn)代施工設(shè)計(jì)和規(guī)劃中，更迫切需要解決水下地形測量的精確性和時勢性問題。由于現(xiàn)代水下測量方法配備設(shè)備比較多，加上需人員實(shí)地操作計(jì)算機(jī)，為保證人員和設(shè)備安全，一般都需配備載重較大的船，對于小面積水域和陡岸坎下的水下地形測量，有種鞭長莫及之感。對大面積水域，由于作業(yè)準(zhǔn)備時間較長，也難以適應(yīng)現(xiàn)代化水下測量高效、快速的特點(diǎn)。所以在常規(guī)的水下測量中，在船只無法進(jìn)入的池塘或激流險灘，有單位甚至采用人員下水、拋乒乓球、依靠釣

3、魚桿浮標(biāo)等古老的測量方法來估算水深，得到的數(shù)據(jù)不僅不準(zhǔn)確，也增加了施測人員的危險性。1.3 傳統(tǒng)水下測量的方法 第二章 水下地形測量的原理和方法 2.1 水下測量的原理技術(shù)原理：GPS通過基站RTK或CORS RTK方式采集數(shù)據(jù)，測深儀同步采集水深，并將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)傳遞給無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)至遙控點(diǎn)，遙控點(diǎn)收到數(shù)據(jù)信號后，快速解算定位坐標(biāo)，并將實(shí)時顯示船只軌跡，實(shí)時計(jì)算速度和方向，將速度和方向與計(jì)劃線對比，得出偏移量，根據(jù)偏移量遙控調(diào)整舵機(jī)方向和船只速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航的目的。第三章 便攜式遙控測量船的設(shè)施系統(tǒng) 3.1便攜式遙控測量船近年來，隨著無線傳輸和自動導(dǎo)航

4、技術(shù)的發(fā)展，一種遙控測量船應(yīng)運(yùn)而生。國內(nèi)外各大公司也相繼推出相應(yīng)產(chǎn)品，在水域調(diào)查、航道測量、危險水域水下測量等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但仍然難以解決便攜與功能需求的矛盾問題。遠(yuǎn)距離遙控、遠(yuǎn)距離無線傳輸、測量設(shè)備自重始終是制約便攜式遙控測量船發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。 要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線遙控傳輸，需加大發(fā)射功率，增加備用電池?cái)?shù)量，這勢必會增加船體自重。目前，專業(yè)的GPS RTK超遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)2050KM（實(shí)際作業(yè)情況大概在10KM左右），發(fā)射功率一般為25W，一般配備有40AH的電源，有10KG左右。船上耗電設(shè)備，包括測深儀、視頻傳輸系統(tǒng)、GPS RTK數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，系統(tǒng)耗電總量

5、近達(dá)100W，如果僅靠蓄電池供電，需要配備較龐大的蓄電池組，再加上動力系統(tǒng)，舵機(jī)控制系統(tǒng)，船載設(shè)備、遙控船自重，遙控船重量至少100KG，難以解決遙控船便攜的問題。為滿足測量船的功能需求，實(shí)現(xiàn)便攜的目的，需解決測量船自重與功能需求的矛盾問題。本項(xiàng)目擬通過設(shè)計(jì)一種簡單實(shí)用的發(fā)電機(jī)，有效減輕蓄電池自重問題；通過尋求一種集成式無線傳輸設(shè)備，有效解決遠(yuǎn)距離遙控傳輸問題；通過單片機(jī)編程，解決舵機(jī)控制和無線遙控之間的接口問題，并且無需在船上加載計(jì)算機(jī)便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與岸上計(jì)算機(jī)的通訊，減輕遙控船自重，延長遙控船的使用壽命；通過設(shè)計(jì)帶有平衡翼裝置的遙控船，解決遙控船平衡和太輕巧難以抵抗風(fēng)浪的難題；通過尋求便攜式

6、汽油機(jī)，最大限度的減輕船的自重。通過以上方式，有效地解決便攜式遙控測量船自重和功能需求之間的矛盾問題。依照以上解決方案設(shè)計(jì)制造的遙控測量船船長1.21.5米，寬0.60.8米，可放入汽車后艙，實(shí)現(xiàn)便攜的目的。便攜式遙控測量船小巧靈活，便于運(yùn)輸；在靠近陡岸的水下測量中，遙控測量船可以靠近岸邊行駛，可為拋石等施工設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的水下地形圖；在激流險灘，無需測量人員在水上工作，可以保證施測人員安全。在一般水域和河流的水下地形測量，能克服大型船只無法靠岸測量或在小型池塘湖泊中沒有船只，難以進(jìn)行水下測量的缺點(diǎn)。本項(xiàng)目通過研制便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)，不僅成功解決以上問題，實(shí)現(xiàn)遙控測量船便攜的目的，

7、且能實(shí)現(xiàn)對遙控測量船的超遠(yuǎn)距離自動導(dǎo)航、水下地形測量自動化采集等目標(biāo)，將真正實(shí)現(xiàn)水下測量的現(xiàn)代化。 便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)的研制將填補(bǔ)小型水庫、枯水期淺水道測量、亂水區(qū)大比例航道測量、狹窄水域整治、工程施工中填挖方計(jì)算工程測量中自動化水深采集的空白；徹底解決危險水域水下測量、用急區(qū)域水下測量的危險和難題；提升施工測量水下自動化采集的能力，減輕職工勞動強(qiáng)度，降低維護(hù)成本，對未來水下測量將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)將當(dāng)前的無線遙控設(shè)備、GPS RTK、測深儀、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)等各種儀器組合在一起，并整合當(dāng)前GPS RTK技術(shù)、測深技術(shù)、無線遙控技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、無線

8、傳輸技術(shù)，能夠按預(yù)設(shè)航線實(shí)現(xiàn)便攜式遙控測量船的自動導(dǎo)航和水下測量。 便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)包括船體、推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視頻傳輸系統(tǒng)（模擬）八大系統(tǒng)。其中船體包括船體設(shè)計(jì)、船體制造；推進(jìn)系統(tǒng)包括汽油機(jī)（主動力）、電動機(jī)（副動力）、主副動力的切換裝置；發(fā)電系統(tǒng)包括動力傳入、發(fā)電機(jī)、蓄電池；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括GPS定位數(shù)據(jù)采集、測深采集、各種警報感應(yīng)器的監(jiān)測；導(dǎo)航系統(tǒng)分為接收數(shù)據(jù)、快速解算、計(jì)算偏移、發(fā)出指令等；控制系統(tǒng)包括舵控制、油門控制、汽油機(jī)重啟、電動機(jī)控制；視頻傳輸系統(tǒng)分為攝像裝置、無線傳輸、遙控點(diǎn)實(shí)時顯示。3.2便攜式遙

9、控遙控測量船的設(shè)施系統(tǒng)3.3主要技術(shù)關(guān)鍵 （1）對遙控船的電動力，機(jī)械動力雙控制；當(dāng)汽油機(jī)不工作或出現(xiàn)故障時，對其進(jìn)行有效檢測，啟動報警裝置，并能夠?qū)崿F(xiàn)汽油機(jī)動力與電力驅(qū)動的有效切換，發(fā)出安全自動返航指令。（2）發(fā)電系統(tǒng)的研制由于現(xiàn)在先進(jìn)的汽油發(fā)電機(jī)，一般700W功率的大多有2030KG，要求設(shè)計(jì)的船用發(fā)電機(jī)輸出功率在100W200W，重量控制在45KG左右。（3）自動導(dǎo)航軟件的實(shí)現(xiàn)由于存在遠(yuǎn)程無線傳輸問題，所以自動導(dǎo)航軟件包括遠(yuǎn)程無線接收數(shù)據(jù)、快速解算、實(shí)時處理、遠(yuǎn)程控制幾個環(huán)節(jié)。存在硬件與軟件的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，有一定難度和創(chuàng)新。（4）平衡翼的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種船體平衡翼，在有效降低船體自重的同時，能增

10、強(qiáng)遙控船抗風(fēng)浪能力。（5）遠(yuǎn)程無線指令傳輸和單片機(jī)對舵機(jī)的有效控制單片機(jī)控制舵機(jī)是老生長談的問題，但通過無線指令控制單片機(jī)操控舵機(jī)卻是一個值得探討的問題，應(yīng)解決無線指令傳輸與8051單片機(jī)的串口匹配問題，解決8051單片機(jī)實(shí)時控制舵機(jī)的問題。 （6）GPS數(shù)據(jù)快速解算快速解算是自動導(dǎo)航的前提，要實(shí)時操控遙控船，嚴(yán)密的GPS 快速解算算法必不可少。3.4 軟件，硬件設(shè)施 本課題所研制的便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)包括船體、推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視頻傳輸系統(tǒng)（模擬）等八大系統(tǒng)。通過對以上8大系統(tǒng)的研制和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)便攜式水域地形測量自動化采集

11、系統(tǒng)的整體功能。具體技術(shù)實(shí)施路線如下圖所示，主要研究方案如下： （1）船體 船體包括船體設(shè)計(jì)和船體制造。通過設(shè)計(jì)一種便攜式遙控測量船船長1.21.5米，寬0.60.8米，船上能承載水下測量設(shè)備和各種數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，且?guī)в蟹雷o(hù)措施和平衡翼。選用合適材料，按照設(shè)計(jì)圖紙，制作防水船體，能保證在風(fēng)浪情況下，安全穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)船可采用0.001米即1毫米的不銹鋼制作，如果設(shè)計(jì)高度以0.4米計(jì)算，可知最小負(fù)載為1.2*0.6*0.4*1000=288KG，船上設(shè)備加船重設(shè)計(jì)為50KG。為此，可考慮將船體分為設(shè)計(jì)平衡的獨(dú)立的23部分，即使一個船艙破漏，船體仍不至于沉沒。為使船體不超過50KG，船載設(shè)備主要分配控制

12、重量如下：汽油機(jī)不大于6KG，蓄電池不大于8KG，電動機(jī)2個不大于3KG，船體自重不大于15KG、發(fā)電機(jī)不大于3KG、測深儀不大于8KG、GPS儀器不大于2KG，船載汽油3KG，其他設(shè)備控制總重量在1.52KG，總質(zhì)量控制在50KG之內(nèi)。（2）推進(jìn)系統(tǒng)（3）發(fā)電系統(tǒng) 發(fā)電系統(tǒng)由汽油機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池組成。通過汽油機(jī)傳動的動力源進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機(jī)滿足輸出功率150W200W的能力，以滿足船上所有用電設(shè)備的實(shí)際需要。（4）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括GPS采集、測深采集、溫度警報采集（單片機(jī)掃描監(jiān)測）、濕度警報采集（單片機(jī)掃描監(jiān)測）。GPS采集和測深儀采集是目前很成熟的技術(shù)，GPS實(shí)時定位

13、采集精度可達(dá)厘米級，測深儀采集精度同樣可達(dá)厘米級，可滿足自動導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。溫度警報可通過溫度感應(yīng)器、濕度感應(yīng)器與單片機(jī)管腳直接相連，當(dāng)感應(yīng)器檢測到溫度和濕度達(dá)到危險值時，感應(yīng)器輸出高電平，單片機(jī)通過不斷檢測對應(yīng)管腳來測試電平的輸入，實(shí)現(xiàn)警報采集的目的。（5） 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是該項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素之一，它包括GPS數(shù)據(jù)傳輸、水深數(shù)據(jù)傳輸、信號數(shù)據(jù)傳輸。信號數(shù)據(jù)又分為：各種報警器向單片機(jī)2發(fā)射報警信號、單片機(jī)2向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令、單片機(jī)2向?qū)Ш较到y(tǒng)無線傳輸報警信號、導(dǎo)航系統(tǒng)向單片機(jī)2無線傳輸控制信號。由于單片機(jī)控制舵機(jī)的信號傳輸直接用線相連，可靠性很好，在此不再贅述。數(shù)字

14、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)最大的難點(diǎn)是要解決無線模塊傳輸距離的問題，本系統(tǒng)擬采用專門從事無線控制的君悅智控公司產(chǎn)品。（6）導(dǎo)航系統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng)包括接收GPS數(shù)據(jù)和測深數(shù)據(jù)；快速解算和匹配；根據(jù)船只實(shí)時位置和計(jì)劃線，實(shí)時計(jì)算偏移；發(fā)出相應(yīng)控制命令。此部分由經(jīng)驗(yàn)豐富的河海大學(xué)承擔(dān)。（7）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括舵控制、油門控制、汽油機(jī)重啟控制、電動機(jī)控制等。該控制系統(tǒng)通過選用一款功能強(qiáng)大的增強(qiáng)型STC12C5A60S2單片機(jī)，再輔以基于Keil uVision4的軟件開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。通過接收到的無線指令，通過分時復(fù)用定時器，用1個定時器來產(chǎn)生多路PWM的思想，在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種判斷和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對多路舵機(jī)的控制。

15、（8）視頻傳輸系統(tǒng)： 視頻傳輸系統(tǒng)是一套單獨(dú)的傳輸系統(tǒng)，其主要目的是為遙控點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測遙控測量船提供方便。它是一種模擬信號傳輸，具有海量數(shù)據(jù)量，要求具有較高的傳輸速率和較大的傳輸功率。 第4章 軟件的應(yīng)用 4.1 C語言的介紹 C語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，它既具有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它由美國貝爾研究所的D.M.Ritchie于1972年推出，1978年后，C語言已先后被移植到大、中、小及微型機(jī)上，它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用范圍廣泛，具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科

16、研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫，具體應(yīng)用比如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。 4.2 何為單片機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理

17、與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。 由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由僅有CPU的專用處理器芯片發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中都含有單片機(jī)。 汽車上一般配備40多片單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百片單片機(jī)在同時工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算機(jī)的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。4.3 單片機(jī)的實(shí)際作用 GPS通過基站

18、RTK或CORS RTK方式采集數(shù)據(jù)，測深儀同步采集水深，并將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)傳遞給無線發(fā)射模塊。無線發(fā)射模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)至遙控點(diǎn)，遙控點(diǎn)收到數(shù)據(jù)信號后，快速解算定位坐標(biāo)，并將實(shí)時顯示船只軌跡，實(shí)時計(jì)算速度和方向，將速度和方向與計(jì)劃線對比，得出偏移量，根據(jù)偏移量遙控調(diào)整舵機(jī)方向和船只速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航的目的。 4.4 vb程序的介紹 Visual Basic是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動編程語言。從任何標(biāo)準(zhǔn)來說，VB都是世界上使用人數(shù)最多的語言不僅是盛贊VB的開發(fā)者還是抱怨VB的開發(fā)者的數(shù)量。它源自于BASIC編程語言。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用DAO、RDO、ADO連接數(shù)據(jù)庫，或者輕松的創(chuàng)建ActiveX控件。程序員可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個應(yīng)用程序。 4.5 Vb編制控制程序在測量過程中的作用 是測量船的控制系統(tǒng)，其作用是控制船的前進(jìn)或后退方向，使其避免發(fā)生危險或者更精準(zhǔn)的進(jìn)行測量。4.6軟件主界面4.7導(dǎo)航顯示4.8測量出的水底地形變化結(jié)束語通過對便攜式測量船的數(shù)據(jù)分析和了解，可以看出水下測量不再是難題，便攜式水域地形測量自動化采集系統(tǒng)的研制將填補(bǔ)