（机械设计及理论专业论文）挖掘机远程管理和规划仿真的初步研究及应用.pdf

浙江大学硕士学位论文y7 7 6 1 6 5 挖掘机远程管理和规划仿真的 初步研究及应用 摘要 本文主要描述了挖掘机远程管理和规划仿真的初步研究和应用。深入探讨了 该数据管理中心的功能模块划分、总体系统结构和模块功能的结构设计、详细实 现以及相应的真实的试验数据。该数据管理中心主要包含挖掘机的远程状态监 视、远程遥控、轨迹规划和自主挖掘、轨迹校正以及挖掘机实际工作位置的定位 等模块。总的来说，本文主要介绍了下面几个部分的内容。 1 g s m 短信模块和g p s 卫星定位模块 挖掘机的即时工作状态信息( 包括g p s 位置信息) 通过电信的g s m 短信 模块进行传递。该g s m 短信模块的特点是速度快、费用低，而且覆盖面广，手 机信号覆盖的地方，就可以进行参数传递。通过g p s 卫星定位模块，可以方便 的得知挖掘机所处的地理位置。 2 远程监控模块 通过系统自带的虚拟示波器和数据处理模块，系统可以对挖掘机进行远程监 控( 通过g s m g p s 网络和数据无限传输电台进行参数传递) ，从而为实现挖掘 机无人驾驶打下较好的基础。 3 轨迹规划、自主挖掘模块 通过该系统，用户可以自己定义挖掘机的挖掘轨迹。当轨迹定义完成后，该 系统通过轨迹规划模块，可以自动的规划出一系列轨迹点。当这些轨迹点不满足 条件时，可以通过系统的轨迹校正模块来对已有的轨迹点进行相应的校正。校正 前可以对校正参数和校正模式进行人为的设定。在第四章里，文章给出了直线运 动、复合运动和三角形运动的校正前和校正后的轨迹曲线示意图。 关键字：液压挖掘机、g s m 、g p s 、轨迹规划、轨迹校正、状态监控 浙江大学硕士学位论文 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 浙江大学硕士学位论文 致谢 两年半研究生学习即将结束，在这里首先向我的导师潘双夏教授表示诚挚的 感谢和深深地敬意。在导师的悉心指导和帮助下，课题和论文得以顺利完成，我 的每一个进步都凝结着导师的心血。导师严谨、求实的治学作风，科学的研究方 法和诲人不倦的品德深深地影响了我，在以后的工作学习中将永远激励着我! 感谢高宇老师、高峰博士后在课题中所给予的大力的帮助和支持! 同时，硕士学习生活期间得到任忠惠硕士、胡骁硕士、朱圣兵硕士、冯海隆 硕士等的帮助和支持，在这里一并表示衷心的感谢! 最后感谢多年以来含辛茹苦培养我的父母，希望本人的努力能给他们带去一 份安慰! 程驰宇 2 0 0 5 1 于浙大 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章主要介绍了挖掘机的发展，液压挖掘机在工程施工中的地位和作用， 以及存在的一些问题，例如工作环境的限制、工作状态的未知性等。根据已经存 在的问题，指出了本课题的研究方向、研究内容和课题的背景。 一、挖掘机的发展1 】 第一台手动挖掘机问世至今已有1 3 0 多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动 斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全 自动液压挖掘机的逐步发展过程。 由于液压技术的应用，2 0 世纪4 0 年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂 式挖掘机，2 0 世纪5 0 年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带 式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适 用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从2 0 世纪6 0 年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制造厂和品 种增加很快，产量猛增。1 9 6 8 1 9 7 0 年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的 8 3 ，目前已接近1 0 0 。 随着国民经济的快速、稳步地持续发展，工程施工的项目与日俱增的同时， 液压挖掘机在工程施工中的地位和作用日益巩固。液压挖掘机在工业与民用建 筑、道路建设、农田水力、油田矿山、机场港口等部门土石方施工中，占有非常 重要的位置。在广泛的工程应用中已经证明，挖掘机的可控性和安全性是至关重 要的两大因素。在实际的工程作业中，操作人员面临着工作强度大、工作时间长 和操作单调等一系列问题。随着工作时间的加长，操作人员疲劳度上升，工作效 率明显下降，为实际工程作业埋下了重大的安全隐患。 八十年代初，无人驾驶挖掘机的概念有了雏形。在无人驾驶的基础上，进一 步地提出了挖掘机自主作业的概念。当前挖掘机的发展方向主要有下面两个方 浙江大学硕士学位论文 面 1 迅速发展全液压挖掘机，不断改进和革新控制方式，使挖掘机由简单的 杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线 电遥控、电子计算机综合程序控制。 在危险地区或水下作业采用无线电操纵，利用电子计算机控制接收器和 激光导向相结合，实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切， 挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。 2 迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。 2 0 世纪7 0 年代，为了节省能源消耗和减少对环境的污染，使挖掘机的 操作轻便和安全作业，降低挖掘机口音，改善驾驶员工作条件，逐步在 挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、 操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了机电一 体化在挖掘机上的应用，并使其各种性能有了质的飞跃。2 0 世纪8 0 年 代，以微电子技术为核心的高新技术，特别是微机、微处理器、传感器 和检测仪表在挖掘机上的应用，推动了电子控制技术在挖掘机上应用和 推广，并已成为挖掘机现代化的重要标志，亦即目前先进的挖掘机上设 有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、 监控系统等电控系统。 二、液压挖掘机的工程应用 液压挖掘机经过一段时间的发展，随着工程施工的增加，在目前的情况下， 挖掘机的主要作用体现在下面五个方面。1 1 l 挖掘路堑 反铲挖掘机布置在路堑的附近，根据情况选择沟端挖掘或沟侧挖掘方法进 行旋工。用自卸车与挖掘机配合，将挖掘的土壤移运至卸土场。 填筑路堤 反铲挖掘机与自卸车配合可进行填筑路堤作业，挖掘机在取土场按照上述 挖掘方法取土即可。挖掘路堑和填筑路堤施工中，自卸车配合反铲挖掘机作业 浙江大学硕士学位论文 时所需要的车辆数，除与挖掘机、自卸车的性能有关外，还与运输距离、道路 状况、驾驶员操作技术等因素有关，一般可用估算法求出，然后通过具体作业 予以落实。在此过程中，以满足挖掘机不中断作业、又不让自卸车停滞为原则。 平面挖掘 反铲挖掘机进行平面挖掘作业时可采用垂直挖掘法可平等挖掘法。 垂直挖掘法：挖掘机垂直于工作面上进行挖掘。垂直挖掘法的优点是，挖 掘机的两侧均可停放自卸车，一侧自卸车运输时另一侧自卸车进行装载，并且 挖掘机潮转达角度不超过9 0 。，有利于提高作业效率。 平行挖掘法：反铲挖掘机后退方向与工作面扩展方向平行，可进行直线挖 掘和装载，它适用于细长的挖掘作业。由于自卸车只能在一侧进行装载，因此 生产效率较低。 建筑物基础的挖掘 使用反铲挖掘建筑物基础，其优点是：挖掘机和自卸车均在地面上，不需 要倾斜通道；基础的垂直面可准确挖掘，对水平基础或有坡度的基础都能很好 地进行挖掘，沟底也能按要求挖掘，不需要人工修正。 挖掘沟槽 反铲挖掘机进行沟槽挖掘作业是最适合的。挖掘沟槽时注意沟槽底部的水 平度和挖掘机应有的后退移动，这样才能达到施工要求而不需要人工修整。反 铲挖掘机挖掘沟槽有浅沟的垂直挖掘法和深沟的垂直挖掘法等三种施工方法。 1 ) 浅沟的垂直挖掘法。挖掘机的动臂几乎呈水平状态，在挖掘机后退的过 程中同时也完成挖掘工作。采用这种挖掘法作业循环时间很短，但铲斗每次装 满效率低。挖掘坚硬土壤时须与作业面成垂直状态，以保证有较大的挖掘力。 2 ) 浅沟的平行挖掘法。这种挖掘方法是反铲挖掘的前进方向和沟槽的中心 线平行，动臂与机体( 行走机构) 成直角，并配合以挖掘机的移动，挖掘方法 与上述垂直挖掘法相同。 3 ) 深沟的垂直挖掘法。深沟的垂直挖掘可采用两种作业方式：一种与浅沟 的平等挖掘法相同；另一种是分层分段挖掘，先挖浅沟，当挖掘机沿沟槽方向 前进、挖到长度约为挖掘机长度的1 1 2 时，再挖到所规定的深度。挖掘时使动 浙江大学硕士学位论文 臂下降，斗杆几乎与作业面垂直，并配合以挖掘机的后退移动。这种分层分段 挖掘方法用斗杆挖掘较方便，容易装满铲斗，驾驶员在驾驶室内也容易掌握掌 握斗杆的动作。由于主要依靠斗杆挖掘，因此挖掘作业循环时间较长。又因为 挖掘机需频繁地前进和后退，故松软地带不宣采用这种挖掘方式。 三、液压挖掘机存在的问题 1 存在的问题 随着挖掘机应用的不断发展，一些潜藏的挖掘机的技术上和管理上的一系 列问题也逐渐暴露出来。例如对危险地带的挖掘、对挖掘机组群的管理，对挖 掘机的远程监控等，这些都是在挖掘机发展道路上的障碍。如果想要让液压挖 掘机在工程施工上更进一步，就必须解决这些问题。从挖掘机的应用范畴来说， 主要存在的问题有下面几个方面： 作业环境的限糊田 随着人类活动领域的拓展，对作业质量要求的提高和对人的工作环境的挑 剔，这些应用领域中存在的一些问题愈来愈不容忽略，例如： 1 ) 作业的劳动强度较大，操作者往往被要求全神贯注地身兼“多职”，体力 和脑力消耗极大： 2 ) 工作环境恶劣，常常伴有强烈的振动、噪音和尘埃，有时甚至面临塌 方、核辐射等威胁； 3 ) 缺乏训练有素的操作者完成高质量要求的作业，例如平整作业要保证 作业精度，需要操作者具有足够的经验和判断力，目测并同时操纵几 个手柄； 4 ) 有些工作环境人类不便于直接进入，例如太空开发、水下作业等。 挖掘机韵远程监控 对任何机械的远程监控总是人们所期望的。通过远程监控，人们可以远程 监视挖掘机，包括挖掘机的各种工作状态参数，挖掘机的工作时间，挖掘机的 动作，挖掘机的油位，挖掘机的水温以及挖掘机的地理位置( 经纬度信息) 。 浙江大学硕士学位论文 通过远程监控系统，人们可以远程控制挖掘机的各种动作，例如远程挖掘，远 程行驶等，从而最终实现无人驾驶的目标。远程监控系统的实现，为无人驾驶 的想法提供了可靠的保证，同时也为挖掘机器人的发展提供了坚实的技术基础。 挖掘机工作组的管理 随着挖掘机在工程建设中的广泛应用，越来越多的机构和个人拥有一定数 量的挖掘机，从而形成了挖掘机群。然而，随着挖掘机数量的增加，人们对自 己所拥有的挖掘机的监控越来越力不从心。因此，及时、有效的对挖掘机工作 状态的即时监控成了亟待解决的问题。 另一方面，国内挖掘机械的租赁和银行贷款业务需要较高的信誉评价。以 下为参与业务的各方以及各方的侧重点。 挖掘机用户：设备的管理、完好率、使用效率和财产的安全性。 制造商：获取设备生命周期中最重要的使用阶段的原始资料，由此有针对 性地对技术和产品进行提升。 代理商( 售后服务供应商) ：确保整个销售过程的顺利，提升服务的水准， 进一步向售后服务阶段延伸利润链。 银行：按揭贷款资金的及时回笼。 保险公司：出险的概率降至最低。 2 可能的解决途径 随着i n t e m e t 技术和通信网络的发展和普及，相关的成熟产品和服务大量 走进了人们的日常生活。将成熟的互联网与机械设备远程监控技术结合在一 起，利用网络的覆盖面广、基础设备的齐备、与通信技术具有的互通性强的特 点，开发成熟的、高可靠性的、使用经济的工程机械的g s m g p s 远程监控管 理系统，就成为了一个非常实用的想法。通过i n t e r n e t 绒是通信网络，远程监 控系统为挖掘机用户的安全、经济、满意地使用挖掘机提供了最可靠的技术保 证。 对于挖掘机作业环境的限制，我们可以用远程监控的方式来解决。通过无 人驾驶和驾驶员远程的监控的方式，可以让挖掘机在人类无法工作的环境下进 1 0 浙江大学硕士学位论文 行有条不紊的工程作业。对于挖掘机工作组的管理，同样也可以通过远程监控 的方式来进行有效的管理。但同时还需要一个能够管理大量数据的系统平台来 对大量的、来自不同挖掘机、甚至是不同类型的工程机械的各种各样的、实时 的数据进行有效的管理，从而进行进一步的数据分析处理。对于其他的和工程 机械有关的商业服务( 例如租赁、银行贷款等) 的信誉评估和状态跟踪，远程 监控系统同样可以发挥很大的作用。有了远程监控系统，参与商业活动的多方 ( 挖掘机用户、制造商、代理商、售后服务供应商、银行和保险公司等) 之间 可以非常协调的、有条不紊的进行商业活动。图1 1 为参与商业活动的多方 的关系示意图。 工程机械保险 按揭贷款 ，7 一、 代理商1 i ( 售后服务商) j 、 圈1 1 参与商业活动的多方关系示意圈 从上图可以看出，挖掘机用户、制造商、代理商、售后服务供应商、银行 和保险公司等多方可以通过挖掘机远程监控系统来方便的为彼此提供更好的服 务。银行可以根据该监控系统的历史记录，对挖掘机用户进行相应的信誉评估 从而决定是否提供给该用户或是应该提供哪种服务给该用户。同时，如果有可 能，当用户在规定期限内还没有完成还款行为时，银行可以在法律允许的情况 下，通过远程监控系统，对该用户的贷款的挖掘机进行远程锁车，直到用户完 浙江大学硕士学位论文 成规定的还款行为为止。代理商在提供售后服务的时候，可以通过该远程监控 系统的历史记录，对工作状态的历史数据进行分析，快速的发现问题和引起问 题的原因，从而快速的解决故障，提供完善的售后服务。保险公司在进行保险 担保或是理赔活动时，可以根据该远程监控系统的历史记录情况，来提供相应 的正确的保险担保或是正确的理赔活动。挖掘机制造商可以根据该远程监控系 统的历史记录情况，来对自己生产的挖掘机的各方面的性能进行可靠的、有实 际意义的、全方位的评估。挖掘机用户自己可以根据该远程监控系统的历史记 录情况，来远程的对自己的挖掘机进行监控和挖掘作业。 四、研究的方向、内容、背景和实际意义 1 研究的方向、内容 通过i n t e r n e t 或是通信网络，远程监控系统为挖掘机用户的安全、经济、 满意地使用挖掘机提供了最可靠的技术保证。针对以上提出的挖掘机发展的种 种限制和不足，本课题提出了“挖掘机远程管理中心”。该中心主要包括两个部分 数据传输和后台处理。 挖掘机实际工作 g s m g p s 参数处理，储存 参数采集阶段：传输阶段 和显示阶段 专：j 号：专 圉；= = ：= = 二：i 薹i 一匿；= = ：= = 二：旧i = 函 图 一2 远程智能挖搁机数据交换中心模块划分圈 图1 2 为远程挖掘机数据管理中心模块划分图，从图中可以看出，整个系 统可以划分为三部分：挖掘机实际工作参数采集阶段、g s m i g p s 传输阶段以 及参数处理，储存和显示阶段。挖掘机实际工作参数采集阶段主要负责采集挖 掘机机身上的各种实时工作参数。从安装在挖掘机机身上各个部位的传感器中 浙江大学硕士学位论文 得到实际参数值，经过下位机的数据转化后，再送给g p s 处理模块进行调制， 以便利用g s m 和g p s 网络进行数据的远程传输。g s m g p s 传输阶段主要是 利用现有的g s m 网络和g p s 网络进行数据传输。参数处理，储存和显示阶段 主要是对从工作现场传来的各种实时的参数进行分析、处理和统计，以便目后 的曲线规律再现和故障的诊断。整个挖掘机数据管理中心系统的核心部分位于 这个阶段。其余的两个阶段主要都是提供数据的准备阶段。同时，这个阶段也 是直接面向用户的。 2 课题研究背景 对于该数据管理中心，从功能上来讲，可以分为两个大的子模块：g p s g s m 传输和售后服务模块、挖掘机远程监控模块。图卜一3 为远程挖掘机数据管理中 心的功能模块组图： 圈1 3 远程智能挖掘机数据交换中心子系统 如图1 3 所示，该远程挖掘机数据管理中心按照功能来划分，可以分为 g p s ，g s m 传输和售后服务子系统、挖掘机远程监控子系统。其中，挖掘机远 程监控子系统为国家“8 6 3 ”攻关项目。该子系统主要是通过数据无限传输电台， 远程监视和控制挖掘机的各种挖掘动作，以及实现挖掘机的自主规划，例如修 整平面、沟渠挖掘和挖坑规划等。 浙江火学硕士学位论文 本课题主要研究了挖掘机的远程监控和数据管理中心的系统结构和实现方 法。在该系统研究的基础上，本课题所涉及到的技术和想法同样可以移植到其 他大型的军工或是工程机械上，例如汽车，坦克等。 3 课题研究的实际意义 该远程管理系统的研究，对下面两个方面都有比较积极的现实意义。 1 ) 工程机械的远程状态监测 只要在其他的工程机械( 如车辆、坦克等) 的关键部位安装上相应的传 感器和g p s ，g s m 模块，再经过系统的相应的移植后，该系统就可以成功 的应用于其他工程机械。 2 ) 提供很好的数据支持平台 该系统的可以远程监视挖掘机的各种工作参数的即使状态，这为挖掘机 的各种状态分析( 如故障诊断) ，提供了可靠的数据支持。 浙江大学硕士学位论文 第二章数据管理中心总体结构分析及其实现 【摘要】本章主要阐述了数据管理中心的总体目标和总体结构的实现，主要介绍 了系统的硬件子系统和软件子系统的结构组成。在系统的软件子系统中，阐明了 系统的总体构絮以及相应的功能模块的划分，各个功能模块的概述。 一、系统总体目标 挖掘机远程数据管理中心的总体目标是为挖掘机生产企业实现一个集挖掘 机数据的采集、远程无线传输、存储、处理、分析，基于i n t e m e t 的用户交互、 企业信息的发布于一体的一个平台。通过该平台，挖掘机生产企业可以从不同 的角度观察远程挖掘机的工作数据，从挖掘机的各方面的信息中得到自己感兴 趣的数据，例如得到数据验证虚拟样机，故障出现频率和故障诊断，产品热销 地区的具体分布等；如果挖掘机运行发生致命错误，管理者可以通过这个平台 远程控制挖掘机停机；管理者还可以发布一些企业信息，如维修纪录，售后服 务，新产品发布以供用户访问。挖掘机用户通过这个平台可以观察挖掘机的具 体使用情况，例如挖掘机是否正常工作，作业位置分布等信息。本系统所要实 现的具体功能如下： a ) 挖掘机数据( 如挖掘机工作时的油压、水温、故障报警、各个泵压力参数、 各个关节姿态角参数) 的采集； b ) 挖掘机g p s 全球定位； c ) 数据通过g s m 网络进行远程通讯传输； d ) 实现挖掘机的远程控制( 通过无限传输电台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 ) 建立数据库，进行海量数据的存储、查找、分析及处理；远程用户通过i n t e r n e t 访问数据及挖掘机工作信息。 f ) 历史信息的统计，例如挖掘机地理位置的改变情况，在一定时间内的每天的 浙江大学硕士学位论文 工作情况等。 二、系统总体结构 1 系统总体结构 本挖掘机远程数据管理中心包括硬件系统、软件系统两个子系统。硬件子系 统负责挖掘机数据的采集、远程无线传输、g p s 定位及远程控制；软件予系统 负责数据的存储、处理分析、用户交互、查询、g p s 定位、样机仿真、用户访 问等。硬件子系统是软件子系统的基础和物理支持，软件子系统是硬件子系统的 功能的实现和扩展。由此可见，该挖掘机远程数据管理中心需要硬件和软件的同 时支持。 下面分别介绍硬件子系统和软件子系统的结构。 2 硬件予系统结构 硬件子系统主要负责挖掘机实际工作状态参数的数据采集、远程无线传输、 g p s 定位及远程控制等功能。系统主要由监测仪数据采集模块、管理机数据采 集及远程控制模块、g p s 定位模块、g s m 短信传输模块、数据管理服务器模块 等五个模块组成，硬件系统模块图2 - 1 所示。每个模块的功能描述大致如下： 1 )脏测仪数据采集模块 负责挖掘机工作时油压、水温、电瓶电量参数的采集： 2 ) 管理机数据采集及远程控制模块 负责挖掘机工作时各个泵的参数和关节姿态角参数( 回转q 0 、动臂q 1 、 斗杆q 2 和铲斗q 3 ) 的采集及挖掘机的控制( 通过无限传输电台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 定位模块 负责挖掘机地理位置的经纬度g p s 全球定位；可以让用户随时知道挖掘 机所处的精确地理位置。 4 )g s m 短信传输模块 负责数据的远程无线传输；通过已经建立起的良好的g s m 通信网络，挖 1 6 浙江大学硕士学位论文 掘机的各种状态监视参数可以快捷的传到上位机软件系统。 5 ) 数据管理服务器模块 负责数据的接收、存储处理和分析：可以为售后服务、维修等提供良好的 历史数据查询。 监测仪数据采集模块和g p s 模块分别通过串口与g s m 模块通讯，管理机 数据采集及远程控制模块通过c a n 总线与g s m 模块通讯，各个数据在g s m 模块中整合后通过中国移动的g s m 网络经i n t e r n e t 与数据服务器之间建立连 接，进行相互数据传输和双向通讯，数据在数据服务器中存储、分析处理。用户 则通过i n t e r n e t 与数据服务器相连，进行数据访问。 3 。软件子系统结构 图2 一 硬件系统豢块圈 本软件予系统采用v c + + 6 0 语言编程，主要由无线数据通讯模块、数据库 存储处理模块、g p s 全球卫星地理定位模块、用户数据查询模块、挖掘机轨迹 规划、仿真、控制模块、虚拟样机仿真模块等六个模块组成。每个模块的功能大 致描述如下： 浙江大学硕上学位论文 1 ) 无线数据通讯模块 负责挖掘机工作状态参数的采集和上位机用户指令的收发； 2 ) 数据库存储处理模块 负责海量数据的存储及处理，主要是对下位机通过g s m 网络传来的各种工 作参数和经纬度信息的存储； 3 ) g p s 全球卫星地理定位模块 负责挖掘机的全球地理数字地图定位；通过传来的经纬度的信息，该系统可 以在电子地图上精确的指定挖掘机的工作位置。 图2 2 挖掘机远程数据管理中心电子地图 4 ) 用户数据查询模块 负责挖掘机用户的数据查询，故障分析和潜在问题的预测； 5 ) 挖掘机轨迹规划、仿真、控制模块 负责挖掘机的轨迹规划和轨迹仿真及其挖掘机的控制； 6 ) 虚拟样机仿真模块 负责用采集回来的数据验证虚拟样机，虚拟样机用p r o ，e 制作，仿真环境用 的是a d a m s 。 浙江大学硕士学位论文 图2 3 挖掘机三维仿真模型 各个模块的关系示意图如下： 图2 4 系统软件子系统模块图 9 浙江大学硕士学位论文 第三章系统各功能模块结构分析及其实现 【摘要】根据数据管理中心的功能，对各个功能模块的结构进行了详细的分析和 阐述，并给出了各个功能模块的详细设计、实现原理和实现的方法。在介绍功能 模块的同时，给出了相应的类图和u m l 时序图。 这章主要介绍远程挖掘机数据管理中心的各个功能模块的结构和详细的实 现方法。整个系统主要由几个模块组成：1 ) 用户权限确认模块；2 ) 虚拟样机 仿真模块；3 ) g p s 定位；4 ) 挖掘机规划、仿真、控制模块；5 ) 挖掘机无线数 据通讯模块。下面分别介绍各个功能模块详细设计和实现。 一、用户权限确认模块 1 用户登陆界面 图3 - 1 系统登豫界面 该模块主要负责不同权限用户的登陆。权限不同，登陆后所能执行的操作也 就不同，总的来说，一共有三个权限：a d m i n i s t r a t o r 、u s e r 、g u e s t ，权限列表 浙江大学硕士学位论文 如下 h i g h g u e s t 拥有最高权限，可对三个模块进行所有 操作，可以修改、删除、增加各种数据。 可以设定其他的用户权限。 拥有一般的权限，与a d m i n i s t r a t o r 不同 之处在于无权设定和修改其他的用户权 限。 拥有最低的权限，不能对数据进行修改、 删除、增加等操作，也不能设定其他的 用户权限。 圈3 - 2 用户投限示意圈 用户可以在登陆界面上输入自己的用户名和密码来进行相应的登陆，如果用 户名和密码正确，系统会自动识别该用户的相应权限，以便以后的操作。如果输 入的用户名和密码不正确，会弹出相应的错误对话框。同时，登陆界面还提供了 取回密码服务，该项服务可以根据用户名，把相应的用户名、密码信息以电子邮 件( 邮箱地址在用户注册的时候已用户资料的形式输入) 的方式发送到相应的用 户邮箱。 2 登陆流程示意图 图3 3 是用户登陆流程图，从该流程图中可以看出，用户点击登陆按钮后， 登陆模块首先判断用户名、密码是否已经正确输入，如果用户名为空，弹出错误 信息，并重新输入。如果密码为空，则弹出密码为空警告信息。登陆模块根据用 户名到数据库的u s e ri n f o 表中去查找相应的密码，如果密码相符，则登陆系统， 同时弹出欢迎登陆赛匦。如果密码不符，则弹出用户名，密码错误信息，同时回 到中心登陆界面。 浙江大学硕士学位论文 图3 - 3 用户登陆流程图 3 数据结构设计 图3 - 4 取回密码操作流程圈 在数据库中，关于用户的所有注册信息，都在u s e ri n f o 表中。该表记录了 每个用户的用户名、密码、权限、电子邮箱地址、性别、注册日期等。下面是用 户资料信息在数据库中的存储结构： 豳3 - 6u s e d n f o 表结构 i s 矾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 浙江大学颂士学位论文 4 类图和交互作用图 在程序运行的任何一个时刻，用户的个数都为1 或0 ( 当还未登陆，在登陆 界面时，用户个数为o ) ，因此，程序只需维护一个用户类u s e r 的实例m u s e r 即可。经过分析，可以把这个类的实例放入主程序类( 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对该用户信息进行访问。 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 类圈 浙江大学硕士学位论文 二、g p s 定位模块 1 g p s 定义和主要特点 图3 - 7 用户登陆时序图 g p s ( 全球定位系统) 全称为授时与测距导航全球定位系统( 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 ) ，是美国研制并 建立的新一代精密星基无线电导航系统。它由三大部分组成：空间星座、地面监 控系统和用户接收设备。其中，空间星座部分由均匀分布在6 个轨道平面内的2 4 颗卫星组成，包括三颗备用卫星。地面监控系统由分布在全球的1 个主控站、3 个主机站和5 个监控站组成，负责完成数据采集、故障诊断、跟踪监测、卫星调 度、导航电文编辑等工作。空间星座和地面监控系统由美国政府管理并维护，普 通用户并不关心。用户端使用g p s 接收设备即可实现定位导航功能。1 1 6 ，【1 8 】 g p s 导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛 等特点著称。具体为：【1 6 1 ，【2 0 l 1 ) 定位精度商 应用实践已经证明，g p s 相对定位精度在5 0 k m 以内可达1 0 一，1 0 0 - - 浙江大学硕士学位论文 5 0 0 k m 可以达到1 0 ，1 0 0 0 k m 以上可到达l o 一。在3 0 0 1 5 0 0 m i 程精 度定位中，1 小时以上观测的平面位置误差小于1 m m 。 2 ) 观测时间短 随着g p s 系统的不断完善，软件的不断更新。目前，2 0 k m 以内相对静态 定位，仅需1 5 2 0 m i n ；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基 准站相距在1 5 k m 以内时，流动站观测时间只需1 2 m i n ，然后可随时定 位，每次观测仅需几秒钟。 3 ) 测站间无需通视 g p s 测量不要求测站之间相互通视，只需测站上空开阔即可，因此可节 省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可 密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的 测量工作。 4 ) 可提供三位坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别测量。g p s 可同时精确测 定测站点的三维坐标。目前g p s 水准可满足四等水准测量的精度。 5 ) 操作简洁 随着g p s 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已经达到“傻瓜化” 的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大的减轻测量工作 者的工作紧张程度和劳动强度。 6 1 全天候作业 目前g p s 观测可在一天2 4 d , 时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾 刮风、下雨下雪等气候的影响。 7 ) 功能多、应用广 g p s 系统不仅可以用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度 可达0 1 m ，s ，测时的精度可达到几十毫微妙。其应用领域不断扩大。 g p s 系统一旦工作，就不断地向全球发送导航电文，这是一种可供无数用户 共享的信息资源，位于陆地和近地空间的广大用户可以在任何时候接收g p s 信 号以完成定位解算或授时。可以说，g p s 系统的建立从根本上解决了全球范围 内的导航和定位问题。现在g p s 已成为世界范围内应用最为广泛的卫星导航系 浙江大学硕士学位论文 统，有关g p s 系统的应用技术研究和相关设备的开发在短时间内得到了迅速发 展。 2 g p s 定位基本原型7 】，1 1 钟，刚 g p s 采用高轨测距体制，以观测站至g p s 卫星之间的距离作为基本观测量。 为获得距离观测量，主要采用两种观测方法：1 ) 测量g p s 卫星发射的测距码信 号( g a 码或p 码) 到达用户接收机的传播时间；2 ) 测量接收机接收到的具有多普 勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。载波相位观测是 目前最精确的观测方法，它对精密定位工作具有极其重要的意义。但由于载波相 位观测存在蹩周不确定、周跳和半周跳等现象，因此其数据处理比较复杂。 在导航和动态定位中，主要有两种定位方式：单点定位和差分定位。所谓单点 定位就是独立确定待定点在地心坐标系中的绝对位置。该方法的优点是只需一台 接收机。但由于单点定位的结果受卫星星历误差和卫星信号传播过程中的大气延 迟误差的影响比较显著，定位精度较差。所谓差分定位，就是将一台接收机安置 在地词已知点上作为基准点，并与所有待测点的接收机进行同步观测。基准点根 据其精确已知的坐标可以求出定位结果的坐标改正数( 位置差分法) 或伪距观测 量的改正数( 伪距差分法) ，然后通过数据链把这些改正数实时传送给相关用户。 用户利用这些改正数对自己的定位结果或者伪距观测量进行改正，从而提高定位 结果的精度。虽然基本观测量的观测方法有测距码和载波相位之分，定位方式有 单点定位和差分定位之分，但不论使用何种观测方法和何种定位方式，其基本原 理都是一致的。测距码伪距是指由卫星发射的测距码到观测站的传播时间( 时间 延迟) 乘以光速所得出的量测距离，简称为伪距。为建立伪距观测值的方程，须 顾及卫星钟差、接收机钟差以及大气层折射延迟。 1 )g p s 卫星的监控系统阎 对于卫星大地测量而言，g p s 卫星是以一种动态已知点描述卫星及其轨道参 数，称为卫星星历：每颗卫星的星历由地面监控系统提供，另外，卫星入轨运动 后，它的“健康”状况如何，也需地面设备进行监测和控制。 地面监控系统包括一个主控站，三个注入站和五个监控站。主控站拥有以大 型计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。它的主要功能是：收集 各监测站测得的距离和距离差、气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站 浙江大学硕士学位论文 自身的状态数据等；根据收集的数据及时计算每颗g p s 卫星的星历，时钟改正， 状态数据以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入 站；监控整个地面监控系统是否工作正常，检验注入卫星的导航电文是否正确， 监测卫星是否将导航电文发出；调度备用卫星替代失效的工作卫星，将偏离轨道 的卫星“拉回”到正常轨道位置。 监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用g p s 信号接 收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给 主控站。 图3 8g p s 卫星示意图 2 )g p s 系统的用户设备嗍胆1 l 对于g p s 信号的用户而言，主要分为静态定位和动态定位，两者的用户设各 均叫做g p s 信号接收机，或称为g p s 卫星定位仪。 g p s 信号接收机的基本结构如图3 9 所示，可概括为天线单元和接收单元两 大部分。 天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成。 接收单元信号波道是核心部件，是一种软硬件相结合的有机体，它具有的波 道数目从1 至7 个不等。数据记录器是在野外作业过程中用来记录接收机所有采 集的定位数据，以供测后数据处理之用。视屏监控器包括一个视屏照示密和一个 控制键盘，作业员通过按键可从视屏窗上读取所要求的数据和文字。电池有机内 外两种直流电源，例妻g w m l 0 1 接收机采用1 2 、，机内镉镍电池，或者1 2 v # f 接蓄电 池。 接收机种类很多，主要生产厂家有美国、英国、日本、德国、加拿大等数十 家公司。 浙江大学硕士学位论文 麓奄 i l l j 一一麓璺媲一一 图3 9g p s 型号接收机的基本结构 3 本系统中g p s 定位模块工作流程 在该远程挖掘机数据管理中心中，g p s 模块起着挖掘机工作位置地位的作 用。使用户可以随时精确的知道挖掘机的工作位置的经纬度。g p s 模块的工作 流程图如下。 三、串口通信模块 图3 一伸系统中g p s 模块工作藏程圈 1 串口通信基本原理 串行端1 3 的本质功能是作为c p u 和串行设备间的编码转换器。当数据从c p u 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位 浙江大学硕士学位论文 被转换为字节数据。在w i n d o w s 环境下，串口是系统资源的一