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陀螺定向实验教学系统的研发与运用

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摘要:为了优化传统陀螺定向实验教学模式,研发了陀螺定向实验教学系统。该文首先介绍了陀螺定向原理和陀螺全站仪的基本组成,然后阐述了陀螺定向实验教学系统原理、组成和功能等,并给出了陀螺寻北测量模块的核心算法,最后分析了实验教学系统在课程实验教学环节的应用,主要可完成陀螺全站仪室内教学、观摩及演示。利用其直观简明的界面可以让学生对陀螺全站仪的原理和寻北方法有更加深刻的认识,提高了定向实验教学质量和水平。

关键词:陀螺定向;陀螺全站仪;实验教学系统;寻北测量

中国矿业大学测绘学科具有鲜明的矿业特色,矿山测量是本学科的重要专业方向之一[1-3]。我们在陀螺定向理论和实验的研究方面具有优良传统[4],曾研制了第一台国产定向陀螺仪样机,曾与徐州光学仪器总厂合作研制出了当时国际同类仪器测量精度水平的JT15型陀螺全站仪。多年来,陀螺全站仪定向实验教学作为矿山测量中不可或缺的环节未能得到高度重视。主要受多方面因素制约:如陀螺全站仪属大型仪器设备,配置数量有限;仪器本身及电池配件等使用寿命有限,使用损耗大,成本高;仪器操作讲解不直观,难直观理解;学生操作仪器机会有限,熟悉程度不高。如何将陀螺全站仪的操作更直观的传授给学生,让学生在课程实验阶段更好的操作和使用这类重要仪器设备,保证其理论学习与实验操作的有机结合,一直是实验教学环节的主要难点。现在我们与中国船舶重工集团公司第707研究所通力合作,完成了GTTM型陀螺全站仪实验教学系统的研发,使得陀螺仪定向实验教学水平得到了较大的改进和提升,取得良好的教学效果。

1GTTM型陀螺全站仪

1.1陀螺定向原理

陀螺泛指绕定点或绕自身轴高速旋转的任意刚体。将陀螺的转子轴支承在轴承上,使其相对于基座具有转动自由度,这种装置就称为陀螺仪。陀螺仪基本上是一个匀质的转子,其质量大部分集中在轮的边缘,它能围绕其质量对称轴高速旋转。陀螺仪具有稳定指向性和进动性这两个重要的特性[4]。摆式陀螺仪围绕地轴(真北)的往复摆动,摆动中心就是真北方向。陀螺全站仪就是通过特殊的光学系统,来观测和测量陀螺摆动的位置,来测定真北方向。它可为矿山井下每个水平进行定向,可控制导线测量中方向误差的积累,可为矿山巷道贯通指明方向[4]。

1.2陀螺全站仪组成

中国船舶重工集团公司第707研究所研制的GTTM型陀螺全站仪是由陀螺仪和全站仪通过机械连接组成的一种精密定向设备,充分融合了两者的高精度定向和测角特质,在没有大地测量点的无依托情况下,确定目标相对于北向的精确方位角。具有体积小、速度快、精度高,预定向方法先进,操作简单快捷等诸多特点。

2陀螺全站仪实验教学系统

根据测绘学科对陀螺全站仪寻北原理和操作的教学需求,我校和中船重工707所合作开发了基于GTTM型陀螺全站仪的陀螺定向实验教学系统。该系统覆盖了煤炭工业出版社《陀螺经纬仪基本原理、结构与定向》一书中提及的陀螺仪定向的全部功能和算法[6],可完成陀螺全站仪室内教学、观摩及演示,利用其直观简明的界面可以让学生对陀螺全站仪的原理和寻北方法有更加具体、直观的认识。

2.1系统组成

陀螺全站仪实验教学系统是运用光、机、电、计算机等技术将陀螺全站仪寻北的实现过程在显示屏上实时呈现出来。通过提取陀螺摆动的光信号,光电信号整形电路将通过陀螺电缆采集的光电信号转换成数字信号[7],对光电传感器数据进行采集、滤波后,对应于不同的要求分为自摆数据采集、精寻北数据采集、粗寻北数据采集。转换后,得出陀螺仪工作状态,包括曲线显示、光栅分化板显示、视频显示等。系统由GTTM型陀螺全站仪、计算机软件控制系统和大屏显示系统三部分组成(如图2所示)。陀螺全站仪完成实体操作并向计算机发送陀螺摆动的原始数据信息;计算机软件控制系统实时采集陀螺仪原始摆动信息,显示真实摆动曲线,显示其仪器操作、数据采集、数据处理全过程;大屏显示系统基于大屏幕电视与陀螺全站仪控制器以及高清摄像头输入输出匹配,显示整个定向实验真实过程。

2.2软件开发

实验教学系统软件是整个系统核心,它是在Win7操作系统平台上基于VisualStudio2010开发,使用VC语言编写。

2.2.1功能模块软件由主程序和若干个子程序组成,采用模块化的设计方式,模块程序的输入、输出量进行统一的管理,完成独立的功能,降低模块间的耦合度,便于程序进行修改和测试,提高程序的可靠性、可移植性和可维护性。软件接收来自陀螺仪的陀螺摆信息,经不同的寻北算法分析处理,控制全站仪显示当前寻北值,显示教学信息,完成教学功能。

2.2.2核心算法寻北测量模块是教学系统的核心模块,以选项卡式多文档界面类型创建应用程序,文档之间通过磁盘文件方式进行数据传递。软件实现了目前已知的多种寻北算法[8-12],可以更全面、真实的完成陀螺全站仪的寻北解算过程。精寻北算法流程如下图4、5所示。

3实验教学系统应用

GTTM型陀螺全站仪实验教学系统已经成功的应用于陀螺定向实验教学环节,直观高效的教学模式成为矿山测量课程实践环节的必要补充,满足了陀螺定向实验观摩、实验模拟和实践操作等不同需求。实验教学系统可以实现定向实验观摩,教师讲解陀螺定向原理和方法时更加直观,仪器操作过程实时展示,陀螺寻北的方法以曲线、图表形式大屏输出,便于学生学习掌握。教学系统能够进行陀螺定向模拟实验,实验课时一个班的学生可以在计算机同步模拟操作,完成整个定向实验内容和流程。教学系统操作简易,经过简单讲解,学生能较快的独立完成实验操作,得到合格的测量成果。实验教学系统有效的解决了陀螺定向实验教学的短板。主要应用效果体现在以下几个方面:(1)投入仪器量减少,仪器运转机时缩减陀螺全站仪属于高精密贵重仪器设备,在经费少、使用率相对不高的客观情况下,无法像常规测量仪器一样大批量配备。实验室陀螺全站仪库存数量不足五台,平时不能满足一个班学生同时实验需求,学生实际操作机会相对较少。实验教学系统只需配置一台陀螺全站仪,实验老师操作全程录像,并在大屏幕显示器同步显示。学生熟悉完整个操作过程后,可在计算机中通过定向软件进行模拟实验。陀螺全站仪投入量减少,运转机时也有所降低,有效的延长了陀螺仪使用周期,不需要像以往那样考虑到陀螺电机使用寿命限制而尽可能少的让学生参与实际操作。(2)操作过程可视化,寻北方法数字化通常,测量实验课都是由实验指导老师操作仪器,二三十个学生围着听讲解,学生多数只听个半懂不懂,操作时就容易不得要领。这种实验教学模式不直观,工作量大,指导效果不高,教学质量无法得到保障。利用实验教学系统,所有学生能够通过图6右下方视窗清晰观察到老师具体操作细节,掌握操作要领。陀螺全站仪寻北定向时,寻北原理、陀螺摆动曲线、逆转点采集数据等都数字化实时显示,整个过程一目了然,方便学习观摩。(3)数据采集便捷,定向算法多样以前,陀螺定向实验主要仪器是国产JT15型光学陀螺经纬仪,基本寻北方法是跟踪逆转点法,观测者需要时刻跟踪陀螺摆动在摆幅视窗中的位置,并根据经验判定并记录逆转点位置。定向方法单一,观测难度大,学生实验时很难熟练掌握技巧,获取合格的测量成果。实验教学系统仅仅需要观测者适时控制好陀螺仪的托起与下放过程,采集陀螺摆动中必要数据完全自动化,使得操作过程明显简化。此外,教学系统涵盖了陀螺定向寻北所有算法,有舒拉平均值法、跟踪逆转点法、托马斯平均值法、中天法和积分法等。学生可以基于各种算法进行同一方向定向测量,获取多种测量成果,方便比较各种方法利弊,对陀螺定向原理和方法有更透彻的理解和掌握。

4结束语

《矿山测量学》是我校测绘专业核心课程,陀螺定向实验是其不可或缺的实验教学内容,相比于常规测量实验教学,陀螺定向实验从形式到内容上都有了较大改进,实现了节约、模拟、可视的陀螺定向实验新模式。实验课不受仪器数量制约能顺利正常开展,一个班的学生可以同时进行实验,实验指导实验过程可视,操作方法简单易学,多种算法充实了定向实验内容。实验教学系统是矿山测量实验教学环节的有效补充,系统基本功能齐备,还有很大创新空间。以后可考虑引入全自动陀螺全站仪,并同步升级教学系统软件程序,在仪器架设完毕后通过软件控制自动化实现数据采集及成果输出全过程。考虑到去煤矿区实验实习成本高、费时费工,如何依托校内已有平台建立更综合的模拟实训实验场地是今后一段时间内要重点拓展的方向。

参考文献

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[2]蔡先娈,邸庆生,马昌忠.矿山测量模拟实习场地建设实践[J].实验科学与技术,2013,11(3):119-121.

[3]杨敏,汪云甲,余接情,等.矿山测量虚拟仿真实验教学中心建设的创新与探索[J].矿山测量,2016,44(4):98-102.

[4]张国良,朱家钰,顾和和.矿山测量学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[5]许江宁,卞鸿巍,刘强,等.陀螺原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2009.

[6]煤炭科学院唐山分院陀螺经纬仪组.陀螺经纬仪基本原理、结构与定向[M].煤炭工业出版社,1982.

[7]董桂梅,赵东升,林玉池,等.陀螺经纬仪全自动化关键技术的研究[J].传感器与微系统,2010,29(3):29-31.

[8]张金梅,林玉池,董桂梅,等.陀螺经纬仪快速寻北的算法研究[J].电子测量技术,2008,31(7):40-43.

[9]谭立龙,陈志翔,仲启媛,等.陀螺寻北仪阻尼步进限幅法[J].测控技术,2016,35(8):13-15.

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[11]田育民,刘思伟,白云超.摆式陀螺经纬仪粗寻北的新方法[J].中国惯性技术学报,2009,17(4):441-443.

[12]周召发,常振军,张志利.摆式陀螺寻北仪快速寻北的时差逆转点法[J].探测与控制学报,2012,34(4):64-66.

作者:仇春平;马昌忠;邸庆生单位:中国矿业大学

陀螺定向实验教学系统的研发与运用责任编辑:张雨    阅读:人次