硕士学位论文大型刚体构件的自动测量安装系统及三维显示.doc
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1、分类号 密级 U D C 编号10486武汉大学硕士学位论文大型刚体构件的自动测量安装系统及三维显示研 究 生 姓 名: 指导教师姓名、职称: 学 科、专 业 名 称: 大地测量学与测量工程研 究 方 向: 工 程 测 量二零零六年五月The Automatic Measurement and Installation System for Large-scale Rigid Body Component and 3D DisplayWuhan UniversityMay, 2006郑 重 声 明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的,学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范
2、和侵权行为,本人愿意承担由此而产生的法律后果和法律责任,特此郑重声明。 学位论文作者(签名): 年 月 日 摘 要本论文详细的介绍了大型刚体构件的自动测量安装系统的设计原理,全站仪的自动测量和数据通过GEOCOM数据通讯接口实现数据通讯,并利用GPRS无线数传终端的传输给计算机,计算机再对数据处理,并传给同步顶升系统的进行移动的过程,最后,通过计算机通过OpenGL模拟显示刚体构件的移动过程。本文重点是研究如何利用全站仪的自动测量和数据通过GEOCOM数据通讯接口利用GPRS无线数传终端,实现数据自动传输和计算。数据通讯接口及数据通讯是本系统的一个关键,GEOCOM数据通讯接口,是实现全站仪与
3、GPRS无线数传终端和计算机实现通讯的一个重要接口,本文对GEOCOM数据通讯接口的基本原理、常用函数及一些关键技术作了详细介绍。另外本系统是采用GPRS无线数传终端实现数据的无线传输。坐标转换是本系统的另一个重要内容,通过刚体独立坐标系和现场施工设计坐标系之间的坐标,求出转换参数,根据转换参数再对其他点进行坐标转换。通过坐标转换可以分别计算出刚体构件的实际位置各特征点的坐标和设计位置上各个特征点坐标,两者位置相互比较,可知千斤顶贴片位置的位移量和位移方向。另外本论文也对OpenGL下的刚体构件的三维重建进行了较为详细的论述。关键词:全站仪;坐标转换;GEOCOM;OpenGLAbstract
4、In this paper, the theory of designing the automatic measurement and installation system for large-scale rigid body component has been introduced in detail. The data is automatic measured by the total station and transported into the computer by the GPRS wireless data transportation terminal through
5、 the GEOCOM data communication interface, then, the data is processed and transmitted to synchronic rising system by the computer. Finally, the moving procedure of the rigid body component is displayed by the computer simulation.This paper focuses on how to use automatic measurement by the total sta
6、tion and data transportation through GEOCOM data communication interface by the GPRS wireless data transportation terminal to complement the automatic transportation and computation of the data. Data communication interface and data communication are the keys in the paper. GEOCOM data communication
7、interface is an important interface for the complementation of wireless data transportation terminal between total station and GPRS and the communication on computer, the basic theory for GEOCOM data communication interface, some usual functions and key techniques have been introduced. In additional
8、, the system discussed herein uses the GPRS wireless data transportation terminal to complete the wireless transportation of the data.Coordinate conversion is another key in the system. The conversion parameters can be obtained by the coordinated conversion between the rigid body independent referen
9、ce frame and local construction reference frame, then, the coordinate conversion of other points are based on the conversion parameters. By the coordinate conversion, the coordinates of the feature points on the actual position and designed position of the rigid component can be calculated respectiv
10、ely, and the quantity and orientation of the displacement for the jack platform location. There are some detailed discussions about 3D reconstruction for the rigid body using OpenGL in this paper.Key words:total station;coordinate conversion;GEOCOM;OpenGL目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1 大型刚体构件自动测量安装系
11、统的工程背景11.2 大型刚体构件目前安装采用的方法及发展现状11.3 系统的工作流程21.4 本课题的研究内容31.5 论文的内容组织4第二章 坐标转换的基本原理62.1 三维坐标转换误差方程62.2 三维坐标转换的线性模型的基本原理及应用范围72.3 三维坐标转换的非线性模型92.4 总结10第三章 GEOCOM基本原理及数据接口和通讯123.1 GeoCOM基本原理123.2 GeoCOM的实现构架和基本函数143.3 用GeoCOM开发实现某一指定方向进行自动测量的函数示例193.4 GeoCOM所涉及的一些技术细节21第四章 数据通讯及GPRS无线数传终端234.1 GSI数据格式2
12、34.2 大型刚体构件的自动测量安装系统中的统一数据结构254.3 大型刚体构件自动测量安装系统中的数据接口模块274.4 GPRS无线数传终端概述284.5 GPRS无线数传终端基本结构344.6 GPRS无线数传终端使用设置35第五章 顶升系统385.1 顶升系统的选择385.2 同步顶升系统的特点385.3 系统的组成元件395.4 系统同步位移的基本原理41第六章 用OPENGL实现三维重建436.1 OpenGL概述436.2 OpenGL的工作结构446.3 OpenGL的工作过程446.5 OpenGL的图形操作步骤466.6 OpenGL的建模技术496.7 OpenGL的变换
13、技术496.8几种基本三维几何变换原理51第七章 总结与展望577.1 总结577.2 未来工作及研究方向57参考文献59攻读硕士学位期间参加的主要项目61致 谢62第一章 绪论1.1大型刚体构件自动测量安装系统的工程背景随着经济的快速发展,我国的基础设施建设和工业建设也发展迅猛,而且施工的方法也发生很大变化,其中一些大型工程和工厂设备工程的预制大型刚体构件越来越多的出现,大型刚体构件的测量安装,也越来越多的在工程中应用,目前大型刚体构件安装还停留在逐点测量、逐点移动、逐点逼近、反复移动的阶段,它的自动化程度很低,精度也相对较低,安装的速度更是很难适应工程项目的需要,所以,原有安装方法的精度和
14、安装的速度也越来越不能满足工程建设的需要,也阻碍了我国的经济建设的发展。因此,迫切需要一套能够自动安装调试的测量安装系统并能够模拟现场的显示系统。也就是能够把刚体构件看成一个整体,一次测量,自动计算,整体平移的自动化较高的测量安装系统。因此,对大型刚体构件自动测量安装系统的研究有着重要的实践意义和工程价值。1.2大型刚体构件目前安装采用的方法及发展现状1.2.1大型刚体构件目前安装采用的方法对于大型刚体构件的安装,传统的方法是将大型构件的各个安装对中点逐点测量,逐点纠正。在逐点测量逐点纠正过程中,每一点的纠正位移总会带动其他点的位置的变化,所以需要反复测量反复纠正,经过许多次移动之后,才能逐步
15、逼近刚体构件预定的位置,而且其安装精度也很难满足精度要求。因为测量是针对某一个对中点进行的,而且目前在工程中应用的千斤顶动力系统,也几乎都是相互独立的,不是同时进行工作的,位移的距离很难控制,精度也没有保障。每一次测量完以后,还要另外输入到计算机计算出对中点的偏差,然后再控制动力系统进行逐点调试。这种方法效率很低、精度不高、安装速度也相对较慢,因此,迫切需要一套能够自动安装调试的测量系统并能够模拟现场的显示系统。就是把刚体构件看成一个整体,对其控制点一次测量,求出所有对中点和各个千斤顶的贴片位置的位移量和位移方向。然后,动力系统可以根据每一个千斤顶贴片位置的位移量和位移方向,同时进行移动。通过
16、全站仪的不断跟踪测量,可以很快而又准确的移至设计位置。这是工程建设的需要,更重要的是它的自动化程度高,安装的速度快,精度也相对较高。1.2.2目前发展及现状随着全站仪的不断更新换代,其测量精度和自动化程度的不断提高,利用全站仪可以很容易的快速获取大型刚体构件的一些控制点的三维坐标,也可以通过一些嵌入式的程序和数据终端实时实现与计算机的实时通讯,也可以用计算机来控制全站仪进行自动测量,并把测量结果自动的传输给计算机,计算机再加以数据处理。比如TCA2003就是一种高精度高性能的全站仪,它也是非常适合于用来监测测量的全站仪。GPRS无线数传终端的应用,特别是通用分组无线业务的出现,也为我们能在野外
17、恶劣环境下,即使全站仪离我们再远,我们都可以自动的实现全站仪测量数据和计算机系统之间自由无线通讯提供保障。它只需要GSM网络有通讯信号的地方就可以实现数据传输,因此,它为大型刚体构件的自动测量安装系统提供了数据传输的保障。美国实用动力集团开发出的同步顶升系统,也为我们开发大型刚体构件的自动测量安装系统,提供了动力支持,使得在一定的范围内,它可以同步移动一步到位,实现了整体同步移动。所以我们可以利用这些已经有的一些资源,通过开发一些程序和接口,实现数据自由传输与计算,从而建立一个自动控制的测量安装系统。另外,我们在计算机上用OpenGL软件包设计开发出一套模拟显示系统,实现每一种刚体构件简单的三
18、维重建,能够模拟显示出刚体构件的现场实时位置和设计位置,不用在现场就可以了解刚体构件的移动信息,特别是可以很直观的了解和查询到在现场也很难直接观察到的信息。1.3.系统的工作流程首先,通过对大型刚体构件上的控制点、对中点、千斤顶的贴片点位置和刚体构件的特征点进行测量,建立刚体坐标系,其坐标系可以是任一独立坐标系,也可以直接用刚体的设计坐标系,可以利用刚体的几何中心,充分利用刚体构件的几何尺寸,来建立刚体构件的坐标系统。测量初始位置时,通过设站好的TCA2003全站仪,对大型刚体构件上的固定的控制点进行观测,获取各个控制点的位置坐标,以便实现以后的自动观测和坐标转换,通过GPRS无线业务,把测量
19、数据直接传递给计算机进行数据处理,计算机通过计算处理,可以得出刚体构件的控制点目前位置的坐标,然后计算机再利用刚体构件的独立坐标系中控制点的坐标,计算出刚体构件的坐标转换参数,并用编好的坐标转换软件对其余各点进行坐标转换,可以计算出刚体构件上各个点的目前实际位置坐标。同样,也可以利用对中点的设计坐标和独立坐标系坐标,计算出另外一组转换参数,通过坐标转换,可以求出刚体构件上每一个点的设计位置的坐标,计算机通过对千斤顶贴片位置点的两次求得的坐标相比较,就可以得出千斤顶的贴片位置的移动距离和方向。计算机再把各个千斤顶的贴片位置的移动距离和方向传输给同步顶升系统,驱动千斤顶同步顶升系统进行首次同步移动
20、。移动结束后,再由计算机通过GPRS发回的指令驱动TCA2003全站仪,再次自动对刚体构件的控制点进行自动跟踪观测,并再通过GPRS无线数传终端,把数据传回到计算机,计算机通过数据处理,再次得到刚体构件的最新位置,同样,计算机把计算出刚体构件的贴片的最新位置,再次计算转换参数并进行坐标转换,也同时可以得出千斤顶位移和方向,然后可以再次再传给千斤顶同步顶升系统自动的移动。通过反复的跟踪测量,直到测得的刚体构件的最新位置坐标和设计位置坐标比较,满足设计要求,就实现刚体构件的自动安装与调试。另外,计算机还可以根据事先利用OpenGL开发三维重建应用系统。根据实时测量的刚体构件的最新位置坐标,模拟现场
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