测绘(2)班209101819 李

1、南 昌 工 程 学 院毕 业 设 计 (论 文)水利与生态工程 系（院） 测绘工程 专业毕业设计（论文）题目: 便携式遥控量船软件系统的实现 学生姓名 李顺浩 班 级 09测绘（2）班学 号 2009101819 指导教师 周航宇 完成日期 2013 年 5 月 15日第一章 水下测量原因 1.1选题背景及研究意义 进入21世纪，人类面临许多严峻的问题；：人口膨胀，资源短缺，环境污染等，在陆地资源告急的情况下，各国纷纷将眼光投到了水下。因此，凭借独到的海洋技术最大限度可持续地开发利用水下资源，将是每个国家必须重视的战略性问题。同时在江河湖海上建设发电站，其能源是环保的，并具有抗洪，抗旱等多种功

2、能。还有整治，管理航道，确保水运畅通的作用，也是关乎民生的大事。 所以说，水下测量技术的开发与提升迫在眉睫1.2 水下测量的背景 随着国民经济的发展，水下地形测量日益显露出其重要性。尤其在现代施工设计和规划中，更迫切需要解决水下地形测量的精确性和时势性问题。由于现代水下测量方法配备设备比较多，加上需人员实地操作计算机，为保证人员和设备安全，一般都需配备载重较大的船，对于小面积水域和陡岸坎下的水下地形测量，有种鞭长莫及之感。对大面积水域，由于作业准备时间较长，也难以适应现代化水下测量高效、快速的特点。所以在常规的水下测量中，在船只无法进入的池塘或激流险滩，有单位甚至采用人员下水、抛乒乓球、依靠钓

3、鱼杆浮标等古老的测量方法来估算水深，得到的数据不仅不准确，也增加了施测人员的危险性。1.3 传统水下测量的方法 第二章 水下地形测量的原理和方法 2.1 水下测量的原理技术原理：GPS通过基站RTK或CORS RTK方式采集数据，测深仪同步采集水深，并将数据通过单片机传递给无线发射模块，无线发射模块通过无线网络实时转发至遥控点，遥控点收到数据信号后，快速解算定位坐标，并将实时显示船只轨迹，实时计算速度和方向，将速度和方向与计划线对比，得出偏移量，根据偏移量遥控调整舵机方向和船只速度，进而实现自动导航的目的。第三章 便携式遥控测量船的设施系统 3.1便携式遥控测量船近年来，随着无线传输和自动导航

4、技术的发展，一种遥控测量船应运而生。国内外各大公司也相继推出相应产品，在水域调查、航道测量、危险水域水下测量等相关领域进行了应用，取得了一定的经济效益，但仍然难以解决便携与功能需求的矛盾问题。远距离遥控、远距离无线传输、测量设备自重始终是制约便携式遥控测量船发展的关键点。 要实现远距离无线遥控传输，需加大发射功率，增加备用电池数量，这势必会增加船体自重。目前，专业的GPS RTK超远距离传输可达2050KM（实际作业情况大概在10KM左右），发射功率一般为25W，一般配备有40AH的电源，有10KG左右。船上耗电设备，包括测深仪、视频传输系统、GPS RTK数据传输系统、控制系统，系统耗电总量

5、近达100W，如果仅靠蓄电池供电，需要配备较庞大的蓄电池组，再加上动力系统，舵机控制系统，船载设备、遥控船自重，遥控船重量至少100KG，难以解决遥控船便携的问题。为满足测量船的功能需求，实现便携的目的，需解决测量船自重与功能需求的矛盾问题。本项目拟通过设计一种简单实用的发电机，有效减轻蓄电池自重问题；通过寻求一种集成式无线传输设备，有效解决远距离遥控传输问题；通过单片机编程，解决舵机控制和无线遥控之间的接口问题，并且无需在船上加载计算机便可实现数据与岸上计算机的通讯，减轻遥控船自重，延长遥控船的使用寿命；通过设计带有平衡翼装置的遥控船，解决遥控船平衡和太轻巧难以抵抗风浪的难题；通过寻求便携式

6、汽油机，最大限度的减轻船的自重。通过以上方式，有效地解决便携式遥控测量船自重和功能需求之间的矛盾问题。依照以上解决方案设计制造的遥控测量船船长1.21.5米，宽0.60.8米，可放入汽车后舱，实现便携的目的。便携式遥控测量船小巧灵活，便于运输；在靠近陡岸的水下测量中，遥控测量船可以靠近岸边行驶，可为抛石等施工设计提供准确的水下地形图；在激流险滩，无需测量人员在水上工作，可以保证施测人员安全。在一般水域和河流的水下地形测量，能克服大型船只无法靠岸测量或在小型池塘湖泊中没有船只，难以进行水下测量的缺点。本项目通过研制便携式水域地形测量自动化采集系统，不仅成功解决以上问题，实现遥控测量船便携的目的，

7、且能实现对遥控测量船的超远距离自动导航、水下地形测量自动化采集等目标，将真正实现水下测量的现代化。 便携式水域地形测量自动化采集系统的研制将填补小型水库、枯水期浅水道测量、乱水区大比例航道测量、狭窄水域整治、工程施工中填挖方计算工程测量中自动化水深采集的空白；彻底解决危险水域水下测量、用急区域水下测量的危险和难题；提升施工测量水下自动化采集的能力，减轻职工劳动强度，降低维护成本，对未来水下测量将产生深远的影响。 便携式水域地形测量自动化采集系统将当前的无线遥控设备、GPS RTK、测深仪、计算机、单片机等各种仪器组合在一起，并整合当前GPS RTK技术、测深技术、无线遥控技术、单片机技术、无线

8、传输技术，能够按预设航线实现便携式遥控测量船的自动导航和水下测量。 便携式水域地形测量自动化采集系统包括船体、推进系统、发电系统、数字数据采集系统、数字数据传输系统、导航系统、控制系统、视频传输系统（模拟）八大系统。其中船体包括船体设计、船体制造；推进系统包括汽油机（主动力）、电动机（副动力）、主副动力的切换装置；发电系统包括动力传入、发电机、蓄电池；数字数据采集系统包括GPS定位数据采集、测深采集、各种警报感应器的监测；导航系统分为接收数据、快速解算、计算偏移、发出指令等；控制系统包括舵控制、油门控制、汽油机重启、电动机控制；视频传输系统分为摄像装置、无线传输、遥控点实时显示。3.2便携式遥

9、控遥控测量船的设施系统3.3主要技术关键 （1）对遥控船的电动力，机械动力双控制；当汽油机不工作或出现故障时，对其进行有效检测，启动报警装置，并能够实现汽油机动力与电力驱动的有效切换，发出安全自动返航指令。（2）发电系统的研制由于现在先进的汽油发电机，一般700W功率的大多有2030KG，要求设计的船用发电机输出功率在100W200W，重量控制在45KG左右。（3）自动导航软件的实现由于存在远程无线传输问题，所以自动导航软件包括远程无线接收数据、快速解算、实时处理、远程控制几个环节。存在硬件与软件的协调统一，有一定难度和创新。（4）平衡翼的设计设计一种船体平衡翼，在有效降低船体自重的同时，能增

10、强遥控船抗风浪能力。（5）远程无线指令传输和单片机对舵机的有效控制单片机控制舵机是老生长谈的问题，但通过无线指令控制单片机操控舵机却是一个值得探讨的问题，应解决无线指令传输与8051单片机的串口匹配问题，解决8051单片机实时控制舵机的问题。 （6）GPS数据快速解算快速解算是自动导航的前提，要实时操控遥控船，严密的GPS 快速解算算法必不可少。3.4 软件，硬件设施 本课题所研制的便携式水域地形测量自动化采集系统包括船体、推进系统、发电系统、数字数据采集系统、数字数据传输系统、导航系统、控制系统、视频传输系统（模拟）等八大系统。通过对以上8大系统的研制和开发，实现便携式水域地形测量自动化采集

11、系统的整体功能。具体技术实施路线如下图所示，主要研究方案如下： （1）船体 船体包括船体设计和船体制造。通过设计一种便携式遥控测量船船长1.21.5米，宽0.60.8米，船上能承载水下测量设备和各种数据传输设备，且带有防护措施和平衡翼。选用合适材料，按照设计图纸，制作防水船体，能保证在风浪情况下，安全稳定。实验船可采用0.001米即1毫米的不锈钢制作，如果设计高度以0.4米计算，可知最小负载为1.2*0.6*0.4*1000=288KG，船上设备加船重设计为50KG。为此，可考虑将船体分为设计平衡的独立的23部分，即使一个船舱破漏，船体仍不至于沉没。为使船体不超过50KG，船载设备主要分配控制

12、重量如下：汽油机不大于6KG，蓄电池不大于8KG，电动机2个不大于3KG，船体自重不大于15KG、发电机不大于3KG、测深仪不大于8KG、GPS仪器不大于2KG，船载汽油3KG，其他设备控制总重量在1.52KG，总质量控制在50KG之内。（2）推进系统（3）发电系统 发电系统由汽油机、发电机、蓄电池组成。通过汽油机传动的动力源进行发电，发电机满足输出功率150W200W的能力，以满足船上所有用电设备的实际需要。（4）数字数据采集系统 数字数据采集系统包括GPS采集、测深采集、温度警报采集（单片机扫描监测）、湿度警报采集（单片机扫描监测）。GPS采集和测深仪采集是目前很成熟的技术，GPS实时定位

13、采集精度可达厘米级，测深仪采集精度同样可达厘米级，可满足自动导航系统的需求。温度警报可通过温度感应器、湿度感应器与单片机管脚直接相连，当感应器检测到温度和湿度达到危险值时，感应器输出高电平，单片机通过不断检测对应管脚来测试电平的输入，实现警报采集的目的。（5） 数字数据传输系统 数字数据传输系统是该项目成败的关键因素之一，它包括GPS数据传输、水深数据传输、信号数据传输。信号数据又分为：各种报警器向单片机2发射报警信号、单片机2向控制系统发出控制指令、单片机2向导航系统无线传输报警信号、导航系统向单片机2无线传输控制信号。由于单片机控制舵机的信号传输直接用线相连，可靠性很好，在此不再赘述。数字

14、数据传输系统最大的难点是要解决无线模块传输距离的问题，本系统拟采用专门从事无线控制的君悦智控公司产品。（6）导航系统 导航系统包括接收GPS数据和测深数据；快速解算和匹配；根据船只实时位置和计划线，实时计算偏移；发出相应控制命令。此部分由经验丰富的河海大学承担。（7）控制系统 控制系统包括舵控制、油门控制、汽油机重启控制、电动机控制等。该控制系统通过选用一款功能强大的增强型STC12C5A60S2单片机，再辅以基于Keil uVision4的软件开发来实现。通过接收到的无线指令，通过分时复用定时器，用1个定时器来产生多路PWM的思想，在单片机内实现各种判断和计算，实现单片机对多路舵机的控制。

15、（8）视频传输系统： 视频传输系统是一套单独的传输系统，其主要目的是为遥控点实时监测遥控测量船提供方便。它是一种模拟信号传输，具有海量数据量，要求具有较高的传输速率和较大的传输功率。 第4章 软件的应用 4.1 C语言的介绍 C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科

16、研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。 4.2 何为单片机单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理

17、与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。 由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。 汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。4.3 单片机的实际作用 GPS通过基站

18、RTK或CORS RTK方式采集数据，测深仪同步采集水深，并将数据通过单片机传递给无线发射模块。无线发射模块通过无线网络实时转发至遥控点，遥控点收到数据信号后，快速解算定位坐标，并将实时显示船只轨迹，实时计算速度和方向，将速度和方向与计划线对比，得出偏移量，根据偏移量遥控调整舵机方向和船只速度，进而实现自动导航的目的。 4.4 vb程序的介绍 Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言不仅是盛赞VB的开发者还是抱怨VB的开发者的数量。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。 4.5 Vb编制控制程序在测量过程中的作用 是测量船的控制系统，其作用是控制船的前进或后退方向，使其避免发生危险或者更精准的进行测量。4.6软件主界面4.7导航显示4.8测量出的水底地形变化结束语通过对便携式测量船的数据分析和了解，可以看出水下测量不再是难题，便携式水域地形测量自动化采集系统的研制将填补