陀螺经纬仪的教学系统的制作方法

本实用新型涉及教具领域，尤其是一种陀螺经纬仪的教学系统。

背景技术：

陀螺经纬仪是一种用于建立北向基准的设备，它是利用陀螺的特性，来达到寻北的目的。其定向原理是用吊丝悬吊且重心下移的陀螺灵敏部敏感地球自转角速度的水平分量，在重力作用下，产生一个向北进动的力矩，使陀螺灵敏部主轴(即H向量)围绕子午面往复摆动，通过光电传感器将陀螺灵敏部往复摆动的光信号，转换为电信号，传送给控制器。控制器通过解算，显示的角度为陀螺罗盘零位相对于真北方向的夹角。目前，国内从事陆用定向装备的研制生产的厂家虽然不少，但针对大学院校及相关行业，高精度悬丝结构陀螺定向装备的教学系统，在国内还很少涉及。

陀螺经纬仪的教学系统就是运用光、机、电、计算机等技术将陀螺经纬仪寻北的实现过程在电脑上实时呈现出来，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，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，得出陀螺经纬仪工作状态，包括陀螺摆动曲线显示、光栅/分化板显示、成果数据显示、视频显示，可在运行中进行视图的动态切换。

由于现有陀螺经纬仪的结构限制，在教学系统的寻北过程中数据采集质量和精度很难保证，因此教学演示过程很难实现，此外，教学内容涉及上架式陀螺经纬仪和下架式陀螺经纬仪两种结构形式不同类型的设备，而目前这两种设备为独立产品，因此需要同时购买两台设备，增加了经济成本、摆放空间以及连接组装的时间，给演示过程带来不便。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种能解决陀螺经纬仪教学系统寻北过程中数据的正常采集，保证数据质量和精度，并可以将上架式陀螺经纬仪和下架式陀螺经纬仪合二为一的陀螺经纬仪的教学系统。

本实用新型的目的是通过以下技术手段实现的：

一种陀螺经纬仪的教学系统，其特征在于：包括陀螺经纬仪、高清摄像头、直流稳压源、电脑、大屏幕电视以及控制器，控制器分别连接直流稳压电源、电脑以及陀螺经纬仪，陀螺经纬仪、高清摄像头以及大屏幕电视分别连接电脑。

而且，所述的电脑连接一个大屏幕电视或者通过分配器连接多个大屏幕电视。

而且，所述的陀螺经纬仪主要包括陀螺仪和经纬仪，该陀螺仪和经纬仪采用夹紧装置连接为一体化结构，所述的夹紧装置包括经纬仪夹紧组件、陀螺仪连接组件和圆杆，圆杆连接经纬仪夹紧组件和陀螺仪连接组件。

而且，所述的经纬仪夹紧组件包括夹板、水平限位板、侧限位板、带弹簧的限位螺钉和经纬仪锁紧螺钉，夹板的上端安装水平限位板，该水平限位板的上端制出用于安装经纬仪的安装槽，该安装槽的一个侧边为开口结构，该开口处设置一个侧限位板，该侧限位板通过带弹簧的限位螺钉和水平限位板连接；夹板的下端制出一个用于插装圆杆的圆孔，该圆孔的下端连通制出一个通槽，夹板的下端制出一个垂直于该通槽的安装孔，该安装孔内插装经纬仪锁紧螺钉；

陀螺仪连接组件包括外连接板、压紧片、外连接块和陀螺仪锁紧螺钉，外连接板固定在陀螺仪的上基座上，外连接板的上表面制出凹槽，外连接块的一端安装在该凹槽内且其上放置压紧片，该压紧片、外连接块以及外连接板通过中心锁紧螺钉固定；外连接块的另一端制出一个用于插装圆杆的插装孔，该插装孔为开口孔结构，其开口端垂直插装一个陀螺仪锁紧螺钉；

圆杆插装在经纬仪夹装组件的圆孔以及陀螺仪连接组件的插装孔内将经纬仪夹装组件和陀螺仪连接组件连接在一起。

而且，所述的陀螺经纬仪的陀螺敏感元件为两相永磁电机。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本教学系统运用光、机、电、计算机、控制等技术提取陀螺摆动的光信号并转换成电信号输出，将陀螺经纬仪的工作原理、寻北技术方案及操作等在电脑上实时显示，并可打印输出，达到教学目的。该系统还可用于野外教学试验，亦可实际测量操作。

2、本教学系统通过经纬仪夹紧装置的设计，可实现模拟上架式陀螺经纬仪的使用操作。在使用一套陀螺经纬仪设备的情况下，陀螺经纬仪教学系统，可以通过增加或拆除经纬仪夹紧装置，实现经纬仪上架或陀螺仪上架等不同连接结构形式设备目前使用的寻北过程、寻北原理和算法的实现，并通过图文演示。

3、本教学系统的经纬仪与陀螺仪连接为一体化结构，使用与贮存时不可拆卸。陀螺仪H轴方向与经纬仪零位之间有一固定夹角，这一固定夹角可通过标定得到。该结构设计，简化了架设陀螺经纬仪的准备工作和操作步骤，同时，也消除了安装经纬仪带来的连接误差。

4、本教学系统中的陀螺经纬仪选用具有国际先进水平的两相永磁电机作为陀螺敏感元件。陀螺电机是陀螺经纬仪的心脏，是最为重要的惯性敏感元件。只有陀螺马达转子以稳定的角速率高速旋转，才能获得稳定的角动量，陀螺仪才能有它明显的运动特性，并保证测量精度。由此可见，陀螺电机转子机构确定后，转动惯量为不变值，要使角动量保持稳定，必须使陀螺自转角度率保持稳定。即陀螺电机转速稳定性，是陀螺经纬仪能否稳定工作的重要指标。为了解决陀螺点击稳定性问题，设计了陀螺电机启动和制动电路完成对陀螺电机的控制。

5、本实用新型填补了国内陀螺经纬仪教学工作中的空白，可完成陀螺经纬仪虚拟环境中的教学使用，使学员快速掌握陀螺经纬仪惯性寻北原理、使用方法等。此外，本实用新型完成了经纬仪夹紧装置的设计，在使用一套陀螺经纬仪设备的情况下，实现了经纬仪上架或陀螺仪上架的寻北算法的操作。

附图说明

图1是本实用新型的系统图；

图2是图1的方框原理图；

图3是经纬仪夹紧组件及圆杆的示意图；

图4是陀螺仪连接组件及圆杆的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本实用新型的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种陀螺经纬仪的教学系统，包括陀螺经纬仪1、高清摄像头2、直流稳压源3、电脑4、大屏幕电视6以及控制器7，控制器分别连接直流稳压电源(或电池组)、电脑以及陀螺经纬仪，陀螺经纬仪、高清摄像头以及大屏幕电视分别连接电脑。电脑连接一个大屏幕电视或者通过分配器5连接多个大屏幕电视。

陀螺经纬仪选用具有国际先进水平的两相永磁电机作为陀螺敏感元件。陀螺经纬仪主要包括陀螺仪和经纬仪，经纬仪可以是经纬仪，也可以是全站仪。陀螺仪和经纬仪采用夹紧装置连接为一体化结构，所述的夹紧装置包括经纬仪夹紧组件、陀螺仪连接组件和圆杆，圆杆连接经纬仪夹紧组件和陀螺仪连接组件。其具体结构如下：

经纬仪夹紧组件包括夹板14、水平限位板10、侧限位板9、带弹簧的限位螺钉8和经纬仪锁紧螺钉12，夹板的上端通过螺钉11安装水平限位板，该水平限位板的上端制出用于安装经纬仪的安装槽，该安装槽的一个侧边为开口结构，该开口处设置一个侧限位板，该侧限位板通过带弹簧的限位螺钉和水平限位板连接；夹板的下端制出一个用于插装圆杆的圆孔，该圆孔的下端连通制出一个通槽，夹板的下端制出一个垂直于该通槽的安装孔，该安装孔内插装经纬仪锁紧螺钉。

陀螺仪连接组件包括外连接板20、压紧片19、外连接块18和陀螺仪锁紧螺钉17，外连接板通过固定螺钉15固定在陀螺仪的上基座上，外连接板的上表面制出凹槽，外连接块的一端安装在该凹槽内且其上放置压紧片，该压紧片、外连接块以及外连接板通过中心锁紧螺钉16固定；外连接块的另一端制出一个用于插装圆杆的插装孔，该插装孔为开口孔结构，其开口端垂直插装一个陀螺仪锁紧螺钉。

圆杆13插装在经纬仪夹装组件的圆孔以及陀螺仪连接组件的插装孔内，按照装配关系，利用圆杆即可将经纬仪夹装组件和陀螺仪连接组件组装在一起，形成上下两部分。

本实用新型的工作原理为：

按附图1连接好设备，按使用要求操作教学用陀螺经纬仪，下放陀螺灵敏部，使陀螺自由摆动，通过光电传感器将陀螺灵敏部往复摆动的光信号，转换为电信号，光敏器件敏感陀螺摆动状态，由光电传感器控制板处理得到光信号脉冲，经转换处理后，将反映陀螺摆动状态的角度数实时显示。通过独特的光电传感器的光路设计，可采集到陀螺灵敏部的摆动状态，实现了摆式陀螺在教学状态下的实时显示。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、结果显示、视频显示，在运行中可进行视图的动态切换。

教学内容涉及上架式陀螺经纬仪和下架式陀螺经纬仪两种结构形式不同类型的设备，包括陀螺经纬仪基本结构组成、原理、参数设置、自摆和寻北算法、操作过程的回放、参数标定、成果浏览等。设备增加了一套经纬仪专用夹具，将夹具安装在陀螺仪上，可模拟上架式陀螺经纬仪的基本操作，完成单台设备进行两种不同类型设备寻北功能的教学操作。

上述专用夹具的安装方法为：用螺钉将外连接板紧固在陀螺仪的上基座上，与设备固定，为不可拆卸件。需要使用夹紧装置时，首先将陀螺仪连接组件中的外连接块插入外连接板的凹槽中，拧紧中心锁紧螺钉，将其固定于陀螺仪上；拧松陀螺仪锁紧螺钉，将圆杆插入后拧紧陀螺仪锁紧螺钉，使之固定。将经纬仪夹紧组件按图示装入圆杆后，根据经纬仪高度调整经纬仪夹紧组件在圆杆上的位置，拧紧经纬仪锁紧螺钉，将该组件固定于圆杆上，再拧紧带弹簧的限位螺钉夹紧经纬仪。该结构可快速完成经纬仪与陀螺仪的固定，使经纬仪照准部与陀螺仪相对位置固定。

本实用新型的操作演示过程为：

如附图1所示，陀螺全站仪按操作要求架设好，连接电缆，调平后，启动教学系统软件，根据软件系统不同模块要求，通过操作陀螺全站仪，来完成人机互动，达到教学演示效果。

系统进入教学系统单元，主界面为引导界面，基本实现的功能均在此页面显示。除介绍产品的基本结构组成、原理外，其它操作均要求首先进行参数设置。进入【结构组成、原理】界面，可以选择产品结构、组成、技术参数、原理、基本操作和维修等部分进行浏览；在相关参数设置后进入【自摆零位】或【寻北测量】界面，显示界面包括菜单栏和五个显示区域，菜单栏中包括粗寻北、精寻北、视频、录屏和帮助等选项。五个显示区按上二下三分布，上面左面的是坐标曲线视窗，右面是分划板视窗，下面左面是成果数据视窗，中间是操作提示视窗，右面是视频视窗；根据选择不同的算法，通过光电传感器采集陀螺摆动数据，形成摆动曲线反映在坐标曲线视窗内；分划板视窗以指针的方式显示陀螺摆动；在成果数据视窗内采集到的陀螺摆动数据实时显示出来；操作提示视窗内给使用者适当的操作提示信息、显示算法公式等；视频视窗通过高清摄像头将测手陀螺仪阻尼限幅、下放及锁紧陀螺的操作过程实时显示出来。此部分是教学部分的重点，对于陀螺摆动过程中，光电传感器信号采集、转换和数据的传输，能否实时的反映在坐标曲线视窗都是很关键的。进入【参数标定】界面，可完成设备使用中所需参数的标定学习，包括标定方法和提示内容，便于掌握设备检定过程。进入【回放】界面，将教学过程中已保存的测量数据可进行回放，重复已完成的教学操作内容。进入【成果浏览】界面，将演示过程中采集的数据、成果及操作人、操作时间以文本格式进行输出。整个测量过程，电脑上显示内容均在两个大屏幕电视上显示，便于学生观看学习。

陀螺经纬仪动态寻北方式下，光电传感器数据的采集和光、电信号的转换方法：通过设计光电传感器的控制板将采集到的陀螺摆动光信号转换为电信号，并对外输出予以实现。