一种半实物全站仪教学系统

1.本发明涉及一种半实物全站仪教学系统，属于测量虚拟仿真教学领域。


背景技术：

2.全站仪作为实现工程测量的主要仪器，在多种领域的测量工作中有着不可替代的作用。现今各大高校相关专业均开设有全站仪教学课程，为了达到实践教学的目的，可以让学生通过实际操作仪器区学习全站仪的操作流程及全站仪不同功能应用，但受制于教学场地的限制，大部分测量实践课的实习场地都选在学生所在校园内，而工程形式多样，分布广泛，无法前往真实工地展开实测，不利于学生将所学知识应用在实际工程测量中。
3.为此，现有技术又提出构建一种全站仪仿真装置，以实现多场景的全站仪模拟教学，例如在授权公告号cn206339231u名为“一种测绘仪器仿真模型装置”的专利中，该装置包括全站仪仿真模型装置、手机安装装置、操作面板仿真装置、传感器信号采集装置和服务器；其中，全站仪仿真模型装置包括全站仪仿真模型和角度传感器，全站仪仿真模型是全站仪外观及机械功能的仿真结构，能够实现旋转、按动功能；传感器信号采集装置与全站仪模型装置的数据接口连接，收集角度传感器采集的角度变化量以及操作面板仿真装置中键盘霍尔按键的变化量，并将变化量传输到服务器，实现测量仪器虚拟仿真实训操作软件中虚拟仪器各仿真零部件的动作响应，同时程序后台对操作信号进行视角转换和测量数据处理，并把虚拟全站仪的目镜的视角场景数据传输到全站仪仿真模型中的手机屏幕。该专利虽然提供了一种用于全站仪的模拟教学的全站仪仿真装置，但是并没有给出进行全站仪教学系统仿真的具体手段，且无从知道如何进行全站仪教学的仿真。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种半实物全站仪教学系统，用于实现真实的全站仪模拟教学过程。
5.本发明提供了一种半实物全站仪教学系统，包括全站仪机体，机体上设置有目镜筒，以及安装在目镜筒观测口处的目镜调焦旋钮、物镜调焦旋钮，其特征在于，该系统还包括安装在全站仪机体上焦距调节模块、视景显示模块、屏幕仿真模块和pc训练终端；
6.其中，所述焦距调节模块包括旋钮转动量检测模块，用于检测目镜调焦旋钮、物镜调焦旋钮的旋钮转动量；所述旋钮转动量检测模块与pc训练终端相连，向pc训练终端传输检测到的旋钮转动量数据；
7.所述视景显示模块包括精瞄视景模块和粗瞄视景模块；所述精瞄视景模块包括设置在目镜筒后侧的空间内的精瞄视景屏幕，且该空间与目镜筒观测口连通；所述pc训练终端根据检测到的目镜调焦旋钮的转动量，调节精瞄视景屏幕中十字丝的清晰度，根据检测到的物镜调焦旋钮的转动量，调节精瞄视景屏幕中图像的清晰度，以模拟全站仪的精瞄过程；
8.所述粗瞄视景模块包括旋转设置在全站仪提把上的粗瞄视景屏幕，pc训练终端根
据全站仪主体旋转角度，控制粗瞄视景屏幕中显示场景适应性变化，以模拟全站仪的粗瞄过程；
9.所述屏幕仿真模块包括全站仪仿真屏幕，用于输入目标信息和显示全站仪测量信息，以模拟全站仪的屏幕操作。
10.本发明提供的一种半实物全站仪教学系统，在现有的全站仪机体上，将目镜筒中的光学器件替换成视景屏幕，通过视景屏幕模拟测量目标；由pc训练终端通过旋钮转动量检测模块检测的旋钮转动量大小控制视景屏幕的清晰度，实现全站仪粗瞄和精瞄的教学；同时通过屏幕仿真模块模拟全站仪屏幕操作和显示功能，实现对全站仪屏幕信息显示和操作的教学操控。该系统可以实现在室内操作，不受外界环境限制，实现教学资源与虚拟现实场景的有机融合，通过模拟教学方式提高学生对全站仪操作的熟练度，也可仿真多个典型场景，根据训练科目的需求，实现针对性教学。
11.进一步地，为了实现测角、测距的模拟教学，所述pc训练终端中建立有已知坐标的三维场景，基于设置的精瞄目标坐标与全站仪在三维场景中的位置，反算出全站仪所在位置处目标点之间的夹角、全站仪到目标点的距离，并将反算出来的角度、距离发送至全站仪仿真屏幕上，以模拟全站仪的测角、测距过程。
12.进一步地，为了在不额外增加硬件设备的基础上，精确获取测量过程中水平角、竖值角及电子气泡信息，所述pc训练终端还与全站仪机体的232接口相连，以获取测量过程中的全站仪机体的水平角、竖直角及电子气泡信息。
13.进一步地，为了准确检测旋钮的转动角度，所述旋钮转动量检测模块包括第一电位器和第二电位器，第一电位器和第二电位器分别通过对应的齿轮结构连接到目镜调焦旋钮和物镜调焦旋钮上，将采集到的代表目镜调焦旋钮转动角度和代表物镜调焦旋钮转动角度的电信号发送至pc训练终端。
14.进一步地，为了使精瞄视景屏幕上的画面更贴合实际全站仪观察到的画面，所述目镜筒具有锥形的内孔，目镜筒的内孔中安装有用于放大精瞄视景屏幕上显示画面的透镜。
15.进一步地，为了实现全站仪对中教学，该系统还包括用于安装在全站仪底部圆盘轴心处的激光发射器，用于实现全站仪的激光对中。
16.进一步地，为了实现盘左、盘右的模拟教学，所述粗瞄视景屏幕装有陀螺仪，用于识别全站仪的盘左、盘右操作。
17.进一步地，为了实现不同场景切换，在pc训练终端中输入全站仪在虚拟场景中的定位数据，由pc训练终端控制粗瞄视景屏幕、精瞄视景屏幕切换至对应场景中。
18.进一步地，为实现电信号的检测与传输，所述电信号通过第一模拟量采集板和第二模拟量采集板进行采集，所述第一模拟量采集板连接有第一蓝牙模块，所述第二模拟量采集板连接有第二蓝牙模块，第一模拟量采集板和第二模拟量采集板分别将采集到的代表目镜调焦旋钮转动角度和代表物镜调焦旋钮转动角度的电信号，传递给对应的第一蓝牙模块和第二蓝牙模块，再经第一蓝牙模块和第二蓝牙模块传输给pc训练终端。
附图说明
19.图1是半实物全站仪教学系统的组成结构图；
20.图2(a)是全站仪结构图；
21.图2(b)是半实物全站仪正面结构图；
22.图2(c)是半实物全站仪侧面结构图；
23.图3(a)是精瞄视景盒外部结构图；
24.图3(b)是精瞄视景盒内部结构图；
25.图4(a)是精瞄视景屏幕安装内部结构图；
26.图4(b)是精瞄视景屏幕安装外部结构图；
27.图5(a)是粗瞄视景屏幕的正面安装结构图；
28.图5(b)是粗瞄视景屏幕的背面安装结构图；
29.图6是全站仪仿真屏幕的安装结构图；
30.图7是全站仪激光对中结构图；
31.图8是半实物全站仪软件系统；
32.图2-图6标记说明：1-全站仪机体、2-全站仪的同轴望远镜及激光测距模块、3-精瞄视景模块、4-粗瞄视景屏幕、5-全站仪仿真屏幕、6-粗瞄视景屏旋转轴、7-全站仪仿真屏幕旋转轴、8测钉、9-激光发射器、301-物镜调焦旋钮、302-目镜调焦旋钮、303-精瞄视景开关、3041-精瞄视景盒的充电接口、3042-电量显示灯，305-精瞄视景屏幕、306-侧滑盖、307-精瞄视景屏幕外置按键、308-视景手机充电接口、309-滑槽、310-磁吸锁、311-第一模拟量采集板、312-第一蓝牙模块、313-第一锂电池、314-电位器、315-菲涅尔透镜、316-空心传动轴、317-锥形筒、318-第二电位器、319-第二锂电池、320-第二蓝牙模块、321-第二模拟量采集板、401-横向手机支架、402-卡爪、403-手拧螺栓、4011-粗调支架、4012-微调旋钮、501-竖向手机支架、502-手拧旋钮、503-钣金支架、504-手拧螺栓。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
34.本发明提出一种半实物全站仪教学系统，如图1所示，该教学系统是在现有全站仪的基础上改造的，现有全站仪结构如图2(a)所示，本发明拆除了现有全站仪上的同轴望远镜及激光测距模块2，增加了焦距调节模块、视景显示模块、屏幕仿真模块、pc训练终端，达到虚拟视景显示以及在虚拟场景下的粗瞄、精瞄、信息输入、数据采集等多种功能，更真实地模拟工程测量外业过程。
35.本发明半实物全站仪的具体结构如下所述：
36.如图2(b)所示，粗瞄视景模块包括旋转设置在全站仪顶部提把上的粗瞄视景屏幕4，具体的结构如图5(a)和图5(b)所示，通过安装在提把上的第一支架，第一支架包括用于固定在提手上的第一固定部402以及用于夹持粗瞄视景屏的第一夹持部401，第一夹持部401通过轴线沿左右方向延伸的铰接轴与第一固定部402铰接相连，以使第一夹持部可相对于第一固定部进行180
°
旋转。在安装时，旋转支架上的粗调旋钮4011打开支架，将粗瞄视景屏幕放入，先旋转粗调支架4011，大致拧紧支架后，可以再旋转微调旋钮4012进行微调；粗瞄视景屏幕安装完成后，拧掉卡爪402上的手拧螺栓403，将卡爪402卡在全站仪顶部的提把上，然后拧紧手拧螺栓403，使其固定在提把上。
37.如图4(a)和4(b)所示，精瞄视景屏幕305安置在装有目镜筒壳体的侧滑盖306内
部，后盖沿滑槽309上下方向滑动，后盖与壳体之间设置有用于在后盖合上之后对后盖进行吸附的磁吸结构310。同时侧滑盖306上安装有视景手机的外置按键307、视景手机的充电接口308。侧滑盖306与模块主体通过滑槽309安装，当需要操作视景手机305时，向上推动，侧滑盖306会沿着滑槽309向上运动，从而露出视景手机305的触摸屏，方便学生的操作。向下推动时，侧滑盖306上的磁吸锁310遇到模块主体上的磁吸锁310，二者吸合，从而使侧滑盖306固定在模块主体上，成为一个整体。
38.如图3(b)所示，焦距调节模块包括旋钮转动量检测模块，旋钮转动量检测模块包括第一电位器314和第二电位器318，第一电位器314与目镜筒之间通过第一齿轮传动结构传动配合，第二电位器与目镜筒之间通过第二齿轮传动结构传动配合。第一齿轮传动结构包括止转安装在目镜筒外部的第一输入齿轮以及止转安装在第一转轴外部的第一输出齿轮，第一输入齿轮和第一输出齿轮啮合；第二齿轮传动结构包括止转安装在传动筒外部的第二输入齿轮以及止转安装在第二转轴外部的第二输出齿轮，第二输入齿轮和第二输出齿轮啮合；第一输入齿轮位于第二输入齿轮的后侧。此外，还安装有第一模拟量采集板311，第一模拟量采集板311还连接有第一蓝牙模块312，第一模拟量采集板311和第一蓝牙模块312均由第一锂电池313供电，还安装有第二模拟量采集板321，第二模拟量采集板311还连接有第二蓝牙模块320，第二模拟量采集板321和第二蓝牙模块320均由第二锂电池319供电，第一模拟量采集板311将采集到的目镜旋钮转动量通过第一蓝牙模块312发送给pc训练终端；第二模拟量采集板321将采集到的物镜旋钮转动量通过第二蓝牙模块320发送给pc训练终端。pc训练终端根据检测到的目镜调焦旋钮的转动量，调节精瞄视景屏幕中十字丝的清晰度，根据检测到的物镜调焦旋钮的转动量，调节精瞄视景屏幕中图像的清晰度，以模拟全站仪的精瞄过程。
39.如图2(b)和图3(b)所示，视景显示模块包括旋转设置在全站仪顶部提把上的粗瞄视景屏幕4、安装在目镜筒后侧的空间内的精瞄视景屏幕305，且该空间与目镜筒观测口连通。在原有的全站仪中，同轴望远镜筒的上、下表面均装有一个黑色的正三角，为了使工作人员在测量过程中通过黑色的正三角找到目标的粗略方向，实现粗略瞄准；本发明采用安装在全站仪提把上的粗瞄视景屏幕4，实现全站仪旋转过程中，粗瞄视景屏幕4上图像的变换，使目标出现在粗瞄视景屏幕4上，找到目标的粗略方向，模拟实际测量操作过程中目标粗瞄过程。在实际测量过程中，人眼通过目镜观测口可以看到远处目标区域，找到目标位置进行测量；本发明采用安装在目镜观测口后方空间内的精瞄视景屏幕305，该屏幕可显示不同测量场景，模拟实际测量环境，达到在不同测量环境下的测量教学，也可针对不同训练科目进行场景切换，能更好地实现工程测量教学训练。同时，目镜筒具有锥形的内孔，目镜筒的内孔中安装有用于放大精瞄视景屏幕上显示画面的透镜315，以使精瞄视景屏幕4上的画面更贴合实际全站仪观察到的画面。为模拟实际全站仪测量中的盘左、盘右操作，本发明中的粗瞄视景屏幕安装有陀螺仪，如图2(c)所示，当粗瞄视景屏4绕着轴6作180
°
旋转时，保证设备在盘左盘右操作时都可以使用。
40.在本实施例中，如图3(a)和图3(b)所示，当人手操作目镜调焦旋钮时，通过一系列齿轮传动，将目镜调焦旋钮旋转运动传递至电位器314，由模拟量采集板311将采集代表目镜调焦旋钮302旋转角度的电信号传递给rs485转蓝牙模块312再经蓝牙信号传输给pc训练终端，pc训练终端根据已设置好的电信号对应的旋转角度，即电信号对应的清晰度调节量，
通过wifi信号发送指令给视景手机305，调节精瞄视景屏幕4上十字丝的清晰度，以模拟实际测量中十字丝调节过程。当人手操作物镜调焦旋钮301时，通过一系列齿轮传动，将物镜调焦旋钮301旋转运动传递至电位器，由模拟量采集板311将采集代表旋转角度的电信号传递给rs485转蓝牙模块312，再经蓝牙信号传输给pc训练终端，pc训练终端根据已设置好的电信号对应的旋转角度，即电信号对应的清晰度调节量，通过wifi信号发送指令给视景手机305，调节精瞄视景屏幕4上图像的清晰度，以模拟实际测量中对测量目标物焦距的调节过程。模拟量采集板311和rs485转蓝牙模块312，都由锂电池313供电。在整个中轴线上，如图3中的虚线处所示，机械传动轴316和锥形筒317均采用空心设计，使人的视线可以穿过目镜调焦旋钮302中心的小孔，没有任何阻碍的观看精瞄视景屏幕305上的视景。同时，为了消除该锥形视野内的反光等不良影响，空心传动轴316和锥形筒317内表面做磨砂黑色表面处理。以此，人眼通过目镜调焦旋钮302中心的小孔、空心传动轴316和锥形筒317看到的精瞄视景屏幕4的画面即可限制在以轴线为中心的圆形区域内，但是由于结构尺寸的限制，此时的视场角还是小于全站仪原机看到的望远镜内的视场角，为了进一步优化视景模拟的效果，在空心传动轴316和锥形筒317中间增加一块菲涅尔透镜，该透镜表面有许多同心圆凹槽，既能像普通透镜一样放大图像，又能保证放大后的图像各处亮度保持一致。
41.屏幕仿真模块为安装在全站仪屏幕上方的全站仪仿真屏幕5，用于输入目标信息和显示全站仪测量信息，以模拟全站仪的屏幕操作和功能。在全站仪实际测量过程中，通过全站仪屏幕可以设置不同测量模式(角度测量模式、距离测量模式、坐标测量模式)，可以显示竖盘读数、水平度盘读数、坐标、斜距、棱镜和全站仪高差、盘左、盘右等信息，还可以输入棱镜改正值、大气改正值、站点信息、棱镜高、仪器高、内存管理(数据文件编辑、传输、查询)等参数。屏幕仿真模块为安装在全站仪屏幕上方的全站仪仿真屏幕5，在原全站仪屏幕外部安装第二支架，第二支架包括与原全站仪屏幕外部框架固定连接的第一固定部和夹持校准仿真屏的第二夹持部。
42.本发明采用全站仪仿真屏幕5，用来进行简单的参数设置、测量模式设置，显示基本的角度信息，距离信息、坐标信息。在本实施例中，如图6所示，在安装仿真屏幕即手机时，沿着图6中箭头所示方向向下拉开手机支架501，将手机放入，手机即可由支架内的弹簧固定锁紧。手机安装完成后，拧松钣金支架503上的手拧螺栓504，将钣金支架503卡在全站仪两侧的校准屏幕框架上，然后拧紧手拧螺栓504，使其牢牢固定在原有的屏幕框架上。如图2(c)所示，校准仿真屏5可以绕着轴7作旋转运动，当需要操作原机的屏幕时，只需将校准仿真屏5向上翻转，即可观看原机的屏幕并操作旁边的按键。旋转手拧旋钮502，可以调节轴7的旋转阻尼，通过调节阻尼，可以使支架克服手机重力，停留在任意角度。
43.以测两点之间的水平角为例，在虚拟场景中架设全站仪，并对中整平，输入控制点坐标，在全站仪仿真屏幕上选择角度测量模式，根据全站仪位置，先盘左通过粗瞄过程和精瞄过程瞄准第一个目标点，将水平度盘设置为0
°
，向右旋转度盘通过粗瞄过程和精瞄过程瞄准第二个目标点，此时记录水平度盘上显示的水平角读数；再将全站仪设置为盘右操作，通过粗瞄过程和精瞄过程瞄准第二个目标点，记录此时水平度盘上显示的水平角读数，向左旋转度盘通过粗瞄过程和精瞄过程瞄准第一个目标点，记录此时水平度盘上显示的水平角读数，完成两点之间一测回的水平角测量。在此过程中，全站仪仿真屏幕上显示的水平角读数，均是通过pc训练终端根据已知坐标反算出角度信息再发送给全站仪仿真屏幕。
44.pc训练终端包括建立好的已知坐标三维场景，即参照实地场景模拟出的虚拟场景，还包括通讯模块。基于精瞄目标坐标与全站仪在三维场景中的位置，反算出全站仪所在位置处目标点之间的夹角、全站仪到目标点的距离，并将反算出来的角度、距离通过通讯模块发送至全站仪仿真屏幕上，以模拟全站仪的测角、测距过程。在本实施例中，通讯模块包括蓝牙接收装置、232接口数据接收装置、无线数据发射装置。蓝牙接收装置用来接收焦距调节模块发送的焦距调节信息；232接口数据接收装置用来接收全站仪获取的水平角、竖直角、双轴补偿信息，因全站仪的主体基本没有改变，仍然能将原机的水平角，垂直角，电子气泡等信息，通过原机的232接口传输给pc训练终端，pc训练终端依据这些信息，发送指令相应指令给视景手机；无线数据发射装置用来向视景显示模块传输视景位置信息。
45.该系统还包括软件系统，如图8所示，该软件系统由场景定位分系统、安卓端视景显示分系统和全站仪屏幕仿真分系统组成。其中，场景定位分系统由场景漫游模块、背包模块、定位数据发送模块组成，该分系统在pc训练终端中进行部署；在虚拟场景中，使用人员可通过该系统在不同虚拟场景中漫游，选择测量点、规划测量路线等操作。并能够从虚拟背包中拿取全站仪、测钉、三脚架等测量物品进行放置。通过场景定位架设全站仪位置，点击对应按钮将定位数据发送至视景显示模块中，而后操作半实物全站仪进行测量，虚拟场景中的全站仪将1:1还原对半实物全站仪操作内容，并对操作内容记录。由于实际测量过程中需要进行搬站测量，本发明通过移动虚拟场景中的虚拟全站仪，在pc训练终端中进行场景切换，模拟实际中的全站仪搬站过程。安卓端视景显示分系统由角度接收模块、定位数据接收模块、视景校准展示模块组成，该分系统在安卓平板(或手机)进行部署；在虚拟场景中架设全站仪后，点击对应按钮将定位数据发送至安卓视景显示分系统。后通过操作半实物全站仪，将当前半实物全站仪角度发送至安卓端视景显示分系统，通过视景校准展示模块对角度及定位数据处理后，展示当前视景显示三维场景内容。全站仪仿真屏幕分系统由补偿值接收模块、测量角度数据接收模块、仿真屏幕模块组成，该分系统在仿真屏幕设备中部署；能够仿真完成全站仪校准、测距、测角等操作，通过接收半实物全站仪发送x轴、y轴补偿值及角度数据，展示当前仪器对应读数信息。
46.该系统还包括安装在全站仪底部的圆盘轴心处的激光发射器9，如图7所示，该激光发射器9用于在全站仪对中整平时，观测激光发射器9打在地面上的红点，使红点与地面事先设置好的测钉8的十字中心重合。激光发射器9自带电源和开关，通过螺纹安装在全站仪底部。
47.通过上述半实物全站仪教学系统，可以实现在室内全站仪测量教学，不受环境影响，也不需要学生之间协同操作；通过设置的虚拟场景模拟不同测量工况，实现全方位教学，提高学习效率，优化时间碎片利用率。