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MEMS传感器和激光测距在GIS采集器上的应用
摘要：随着GIS市场需求的不断扩大，GIS用户 对于手持型双频双星GIS产品的了解越来越深入，GIS 行业项目对高精度的手持GIS产品的需求量成逐年上 升的态势，国土执法、电力线路普查、市政管线、海 洋监测、路灯管理等项目，都在大量的使用手持型高 精度GIS设备。本文阐述了 GIS数据采集器结合MEMS 传感器、激光测距后的优势，主要包括GIS采集器、 MEMS传感器、激光测距、障碍环境测量、弱信号区 域测量、高效作业等功能。
关键词：GIS电子罗盘G-sensor激光测距高精 度北斗
中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号: 1007-9416 (2015) 04-0095-02
在实际作业中，GIS采集器必须能够接近被测点 才能测量，这就大大限制了作业的范围和增加了作业 难度，如墙角、有摘挡的树下、高处。激光测距的精 度目前200米范围误差能够控制在l-2mm,并且激光 测距已经广泛在各行业中普及应用，但是激光测距只 是测量出距离，没有坐标和方向的属性。所以，我们 还需要在GIS采集器中，获取到方向、倾斜角度等属 性参数，参与到最终坐标计算，这就需要用到电子罗 盘＞ G-sensor传感器。下文对各项技术和应用做介绍：
1常规高精度GIS采集功能
手机上一般采用低精度GPS定位和A-GPS定位, 误差在几米到几十米。GIS高精度采集器类似RTK接 收机，使用三星单频进口 GPSOEM板卡，如Trimble 的BD910板卡。精度参数如表1所示：
水平精度在SBAS下，能够达到0.5米。测量软件 具有图层管理器、查看星空图、CORS登陆、实时信息 显示、任务管理、地图编辑、数据采集（采点、采线、 采面）、地图量测、地图导航、采集设置、轨迹设置、 GPS设置、地图窗口设置、坐标系统设置、单位设置、 点校正计算等功能。
衡量高精度GIS采集器主要指标是板卡的性能， 然而这部分众多厂家都是使用的相同的技术和模块， 所以最终的衡量标准主要体现在整机EMC和平台稳 定性这两部分。EMC的好坏，直接影响到板卡的搜星 速度和是否能够快速固定，目前业内的统一堆叠模型 都是将板卡和天线整合在一起，放置在整机的顶部， 远离其他电路；硬件平台使用采用Tl CORTEX A8工业 级处理器，主频1GHz,该平台集成以下功能：
（1）内置500万摄像头，支持自动调焦；（2）采 用最新的Windows Embedded Handheld操作系统
（WM6.5 升级版）；（3 ）4.3 寸 WVGA 显示屏，800*480, 阳光下清晰可读；（4）内置3.5G通讯，蓝牙、WIFI 无线技术；（5）采用快速插拔式电池，可智能充电。
2 MEMS传感器
为了获得GIS手持采集终端的方向和倾斜两个属 性，我们需要在整机的头部，放置两个传感器，分别 是电子罗盘和加速度计.考虑到实时性和数据运算量, 我们选用STM32来采集两个传感器的数据，计算完将 最终数据发送给应用处理器。电子罗盘，选用霍尼韦 尔公司的HMC5983芯片，在三轴上都能够采集到磁场 的分量。理论在水平情况下，精度能够达到1-2°。实 际应用中，取决于校准、倾角补偿、算法的好坏。硬 件上，HMC5983芯片可以通过IIC或者SPI连接到 STM32o主要寄存器如表2所示：
初始化函数中需要对0x00、0x01、0x02寄存器进 行配置，配置内容有数据输出频率、传感器测量范围、 操作模式。参考配置参数如下：
Hmc5983_Write（Open205RJ2Cx, ADDR_24LC02, CONFIG_A_REG, 0x14）；
Hmc5983_Write（Open205RJ2Cx, ADDR_24LC02,CONFIG_B_REG, 0x20)；
Hmc5983_Write(Open205RJ2Cx, ADDR_24LC02, MODE_REG, 0x00 )；
读取寄存器0x03到0x08,需要注意正负值得转 换，并最终结果减去上次校准的中心偏差值。程序实 现如下：
x= ((int) ReadBuffer[3]0x7fff) x-=0xffff；
if (y>0x7fff) y-=0xffff；
if (z>0x7fff) z-=0xffff；
x -= M a g_U se rCa l_Off set_X ；
y -= Mag_UserCal_Offset_Y；
z -= Mag_UserCal_Offset_Z；
加速度计，选用ADI公司的ADIS16209芯片，倾 斜精度能够达到0.1° ,在两轴上，能够输出加速度分 量，并且此芯片可直接输出倾斜的角度，在编程上方 便了开发。软件上直接读取XINCLJDUT、YINCL_OUT 两个寄存器，并做相应变换。具体可参考如下代码：
ADIS16209_Read (XINCLJDUT, &temp[0])； ADIS16209_Read (YINCL_OUT, &temp[l])； temp[0]=temp[0]&0x3FFF；if (temp[0]>0xl000) (
temp[0]=temp [0]-0x4000 ；
}
xlncl=temp[O] *0.025；
temp[l]=temp[l]&0x3FFF；
if (temp[l]>0xl000){te m p [ 1 ]=te m p [ 1 ] -0x4000 ；
}
ylncl=temp[l] *0.025；
罗盘的数据，需要通过倾斜的角度去补偿，具体 方法如下：
Xh=X*cos (pitch) +Y*sin (roll) *sin (pitch) -Z*cos (roll) *sin (pitch)；
Yh=Y*cos (roll) +Z*sin (roll)；
angle= (atan2 ((double) Yh, (double) Xh)) * (180/3.14159265) + 180；
3激光测距模块
激光测距模块重量轻、体积小、操作简单速度快 而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数 百分之一，因而被广泛用于地形测量。激光测距模块， 在硬件和软件设计上都比较简便。硬件上提供串口和 处理器相连，供电3.3V,固定波特率。通过处理器给 模块发送开始测量的命令，模块返回测量结果，处理 器串口获取到数据。
激光测距模块的参数如下：
光源：可见红光635nm
工作电压：
检测距离：0.5-200M
测量精度：± 1.5mm
分辨率：1mm
功耗：300mW
信号接口：电源正、电源负、RX、TX
最后，我们采集了机器所在点的GPS位置坐标、 距离、补偿后的方向角度、倾斜的角度，可以通过公 式计算出被测点的位置坐标。在应用软件设计中，可 以设置两种模式，常规的测试模式，仪器所在点就是 被测点；远程的测距模式,将仪器对准需要测量的点， 可以通过计算得到测量点坐标。此应用，可大大提高 作业人员的采集速度，并能够采集到以前无法测量的 位置坐标。
参考文献
[1] 刘大杰.全球定位系统（GPS）的原理与数据处 理.同济大学出版社，2009.
[2] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理（第二版）. 武汉大学出版社，2010.
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⑷刘国光.基于方波的相位式激光系统的研究[D]. 浙江大学，2004.
[5]齐炜胤，尤政，张高飞，孙剑，张弛.激光测距 技术在空间的应用[J].中国航天，2008 (5)・