本實(shí)用新型涉及教具領(lǐng)域，尤其是一種陀螺經(jīng)緯儀的教學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

陀螺經(jīng)緯儀是一種用于建立北向基準(zhǔn)的設(shè)備，它是利用陀螺的特性，來達(dá)到尋北的目的。其定向原理是用吊絲懸吊且重心下移的陀螺靈敏部敏感地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量，在重力作用下，產(chǎn)生一個(gè)向北進(jìn)動(dòng)的力矩，使陀螺靈敏部主軸(即H向量)圍繞子午面往復(fù)擺動(dòng)，通過光電傳感器將陀螺靈敏部往復(fù)擺動(dòng)的光信號，轉(zhuǎn)換為電信號，傳送給控制器?？刂破魍ㄟ^解算，顯示的角度為陀螺羅盤零位相對于真北方向的夾角。目前，國內(nèi)從事陸用定向裝備的研制生產(chǎn)的廠家雖然不少，但針對大學(xué)院校及相關(guān)行業(yè)，高精度懸絲結(jié)構(gòu)陀螺定向裝備的教學(xué)系統(tǒng)，在國內(nèi)還很少涉及。

陀螺經(jīng)緯儀的教學(xué)系統(tǒng)就是運(yùn)用光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)等技術(shù)將陀螺經(jīng)緯儀尋北的實(shí)現(xiàn)過程在電腦上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來，通過提取陀螺擺動(dòng)的光信號，光電信號整形電路將通過陀螺電纜采集的光電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，對光電傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、濾波后，對應(yīng)于不同的要求分為自擺數(shù)據(jù)采集、精尋北數(shù)據(jù)采集、粗尋北數(shù)據(jù)采集。轉(zhuǎn)換后，得出陀螺經(jīng)緯儀工作狀態(tài)，包括陀螺擺動(dòng)曲線顯示、光柵/分化板顯示、成果數(shù)據(jù)顯示、視頻顯示，可在運(yùn)行中進(jìn)行視圖的動(dòng)態(tài)切換。

由于現(xiàn)有陀螺經(jīng)緯儀的結(jié)構(gòu)限制，在教學(xué)系統(tǒng)的尋北過程中數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和精度很難保證，因此教學(xué)演示過程很難實(shí)現(xiàn)，此外，教學(xué)內(nèi)容涉及上架式陀螺經(jīng)緯儀和下架式陀螺經(jīng)緯儀兩種結(jié)構(gòu)形式不同類型的設(shè)備，而目前這兩種設(shè)備為獨(dú)立產(chǎn)品，因此需要同時(shí)購買兩臺(tái)設(shè)備，增加了經(jīng)濟(jì)成本、擺放空間以及連接組裝的時(shí)間，給演示過程帶來不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種能解決陀螺經(jīng)緯儀教學(xué)系統(tǒng)尋北過程中數(shù)據(jù)的正常采集，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度，并可以將上架式陀螺經(jīng)緯儀和下架式陀螺經(jīng)緯儀合二為一的陀螺經(jīng)緯儀的教學(xué)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

一種陀螺經(jīng)緯儀的教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括陀螺經(jīng)緯儀、高清攝像頭、直流穩(wěn)壓源、電腦、大屏幕電視以及控制器，控制器分別連接直流穩(wěn)壓電源、電腦以及陀螺經(jīng)緯儀，陀螺經(jīng)緯儀、高清攝像頭以及大屏幕電視分別連接電腦。

而且，所述的電腦連接一個(gè)大屏幕電視或者通過分配器連接多個(gè)大屏幕電視。

而且，所述的陀螺經(jīng)緯儀主要包括陀螺儀和經(jīng)緯儀，該陀螺儀和經(jīng)緯儀采用夾緊裝置連接為一體化結(jié)構(gòu)，所述的夾緊裝置包括經(jīng)緯儀夾緊組件、陀螺儀連接組件和圓桿，圓桿連接經(jīng)緯儀夾緊組件和陀螺儀連接組件。

而且，所述的經(jīng)緯儀夾緊組件包括夾板、水平限位板、側(cè)限位板、帶彈簧的限位螺釘和經(jīng)緯儀鎖緊螺釘，夾板的上端安裝水平限位板，該水平限位板的上端制出用于安裝經(jīng)緯儀的安裝槽，該安裝槽的一個(gè)側(cè)邊為開口結(jié)構(gòu)，該開口處設(shè)置一個(gè)側(cè)限位板，該側(cè)限位板通過帶彈簧的限位螺釘和水平限位板連接；夾板的下端制出一個(gè)用于插裝圓桿的圓孔，該圓孔的下端連通制出一個(gè)通槽，夾板的下端制出一個(gè)垂直于該通槽的安裝孔，該安裝孔內(nèi)插裝經(jīng)緯儀鎖緊螺釘；

陀螺儀連接組件包括外連接板、壓緊片、外連接塊和陀螺儀鎖緊螺釘，外連接板固定在陀螺儀的上基座上，外連接板的上表面制出凹槽，外連接塊的一端安裝在該凹槽內(nèi)且其上放置壓緊片，該壓緊片、外連接塊以及外連接板通過中心鎖緊螺釘固定；外連接塊的另一端制出一個(gè)用于插裝圓桿的插裝孔，該插裝孔為開口孔結(jié)構(gòu)，其開口端垂直插裝一個(gè)陀螺儀鎖緊螺釘；

圓桿插裝在經(jīng)緯儀夾裝組件的圓孔以及陀螺儀連接組件的插裝孔內(nèi)將經(jīng)緯儀夾裝組件和陀螺儀連接組件連接在一起。

而且，所述的陀螺經(jīng)緯儀的陀螺敏感元件為兩相永磁電機(jī)。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1、本教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)用光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、控制等技術(shù)提取陀螺擺動(dòng)的光信號并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，將陀螺經(jīng)緯儀的工作原理、尋北技術(shù)方案及操作等在電腦上實(shí)時(shí)顯示，并可打印輸出，達(dá)到教學(xué)目的。該系統(tǒng)還可用于野外教學(xué)試驗(yàn)，亦可實(shí)際測量操作。

2、本教學(xué)系統(tǒng)通過經(jīng)緯儀夾緊裝置的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)模擬上架式陀螺經(jīng)緯儀的使用操作。在使用一套陀螺經(jīng)緯儀設(shè)備的情況下，陀螺經(jīng)緯儀教學(xué)系統(tǒng)，可以通過增加或拆除經(jīng)緯儀夾緊裝置，實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀上架或陀螺儀上架等不同連接結(jié)構(gòu)形式設(shè)備目前使用的尋北過程、尋北原理和算法的實(shí)現(xiàn)，并通過圖文演示。

3、本教學(xué)系統(tǒng)的經(jīng)緯儀與陀螺儀連接為一體化結(jié)構(gòu)，使用與貯存時(shí)不可拆卸。陀螺儀H軸方向與經(jīng)緯儀零位之間有一固定夾角，這一固定夾角可通過標(biāo)定得到。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡化了架設(shè)陀螺經(jīng)緯儀的準(zhǔn)備工作和操作步驟，同時(shí)，也消除了安裝經(jīng)緯儀帶來的連接誤差。

4、本教學(xué)系統(tǒng)中的陀螺經(jīng)緯儀選用具有國際先進(jìn)水平的兩相永磁電機(jī)作為陀螺敏感元件。陀螺電機(jī)是陀螺經(jīng)緯儀的心臟，是最為重要的慣性敏感元件。只有陀螺馬達(dá)轉(zhuǎn)子以穩(wěn)定的角速率高速旋轉(zhuǎn)，才能獲得穩(wěn)定的角動(dòng)量，陀螺儀才能有它明顯的運(yùn)動(dòng)特性，并保證測量精度。由此可見，陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)確定后，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為不變值，要使角動(dòng)量保持穩(wěn)定，必須使陀螺自轉(zhuǎn)角度率保持穩(wěn)定。即陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，是陀螺經(jīng)緯儀能否穩(wěn)定工作的重要指標(biāo)。為了解決陀螺點(diǎn)擊穩(wěn)定性問題，設(shè)計(jì)了陀螺電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)電路完成對陀螺電機(jī)的控制。

5、本實(shí)用新型填補(bǔ)了國內(nèi)陀螺經(jīng)緯儀教學(xué)工作中的空白，可完成陀螺經(jīng)緯儀虛擬環(huán)境中的教學(xué)使用，使學(xué)員快速掌握陀螺經(jīng)緯儀慣性尋北原理、使用方法等。此外，本實(shí)用新型完成了經(jīng)緯儀夾緊裝置的設(shè)計(jì)，在使用一套陀螺經(jīng)緯儀設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)緯儀上架或陀螺儀上架的尋北算法的操作。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)圖；

圖2是圖1的方框原理圖；

圖3是經(jīng)緯儀夾緊組件及圓桿的示意圖；

圖4是陀螺儀連接組件及圓桿的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本實(shí)用新型的實(shí)施例；需要說明的是，本實(shí)施例是敘述性的，不是限定性的，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

一種陀螺經(jīng)緯儀的教學(xué)系統(tǒng)，包括陀螺經(jīng)緯儀1、高清攝像頭2、直流穩(wěn)壓源3、電腦4、大屏幕電視6以及控制器7，控制器分別連接直流穩(wěn)壓電源(或電池組)、電腦以及陀螺經(jīng)緯儀，陀螺經(jīng)緯儀、高清攝像頭以及大屏幕電視分別連接電腦。電腦連接一個(gè)大屏幕電視或者通過分配器5連接多個(gè)大屏幕電視。

陀螺經(jīng)緯儀選用具有國際先進(jìn)水平的兩相永磁電機(jī)作為陀螺敏感元件。陀螺經(jīng)緯儀主要包括陀螺儀和經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀可以是經(jīng)緯儀，也可以是全站儀。陀螺儀和經(jīng)緯儀采用夾緊裝置連接為一體化結(jié)構(gòu)，所述的夾緊裝置包括經(jīng)緯儀夾緊組件、陀螺儀連接組件和圓桿，圓桿連接經(jīng)緯儀夾緊組件和陀螺儀連接組件。其具體結(jié)構(gòu)如下：

經(jīng)緯儀夾緊組件包括夾板14、水平限位板10、側(cè)限位板9、帶彈簧的限位螺釘8和經(jīng)緯儀鎖緊螺釘12，夾板的上端通過螺釘11安裝水平限位板，該水平限位板的上端制出用于安裝經(jīng)緯儀的安裝槽，該安裝槽的一個(gè)側(cè)邊為開口結(jié)構(gòu)，該開口處設(shè)置一個(gè)側(cè)限位板，該側(cè)限位板通過帶彈簧的限位螺釘和水平限位板連接；夾板的下端制出一個(gè)用于插裝圓桿的圓孔，該圓孔的下端連通制出一個(gè)通槽，夾板的下端制出一個(gè)垂直于該通槽的安裝孔，該安裝孔內(nèi)插裝經(jīng)緯儀鎖緊螺釘。

陀螺儀連接組件包括外連接板20、壓緊片19、外連接塊18和陀螺儀鎖緊螺釘17，外連接板通過固定螺釘15固定在陀螺儀的上基座上，外連接板的上表面制出凹槽，外連接塊的一端安裝在該凹槽內(nèi)且其上放置壓緊片，該壓緊片、外連接塊以及外連接板通過中心鎖緊螺釘16固定；外連接塊的另一端制出一個(gè)用于插裝圓桿的插裝孔，該插裝孔為開口孔結(jié)構(gòu)，其開口端垂直插裝一個(gè)陀螺儀鎖緊螺釘。

圓桿13插裝在經(jīng)緯儀夾裝組件的圓孔以及陀螺儀連接組件的插裝孔內(nèi)，按照裝配關(guān)系，利用圓桿即可將經(jīng)緯儀夾裝組件和陀螺儀連接組件組裝在一起，形成上下兩部分。

本實(shí)用新型的工作原理為：

按附圖1連接好設(shè)備，按使用要求操作教學(xué)用陀螺經(jīng)緯儀，下放陀螺靈敏部，使陀螺自由擺動(dòng)，通過光電傳感器將陀螺靈敏部往復(fù)擺動(dòng)的光信號，轉(zhuǎn)換為電信號，光敏器件敏感陀螺擺動(dòng)狀態(tài)，由光電傳感器控制板處理得到光信號脈沖，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后，將反映陀螺擺動(dòng)狀態(tài)的角度數(shù)實(shí)時(shí)顯示。通過獨(dú)特的光電傳感器的光路設(shè)計(jì)，可采集到陀螺靈敏部的擺動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了擺式陀螺在教學(xué)狀態(tài)下的實(shí)時(shí)顯示。對光電傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、濾波后，對應(yīng)于不同的要求分為自擺數(shù)據(jù)采集、精尋北數(shù)據(jù)采集、粗尋北數(shù)據(jù)采集。轉(zhuǎn)換后，得出陀螺儀工作狀態(tài)，包括曲線顯示、光柵/分化板顯示、結(jié)果顯示、視頻顯示，在運(yùn)行中可進(jìn)行視圖的動(dòng)態(tài)切換。

教學(xué)內(nèi)容涉及上架式陀螺經(jīng)緯儀和下架式陀螺經(jīng)緯儀兩種結(jié)構(gòu)形式不同類型的設(shè)備，包括陀螺經(jīng)緯儀基本結(jié)構(gòu)組成、原理、參數(shù)設(shè)置、自擺和尋北算法、操作過程的回放、參數(shù)標(biāo)定、成果瀏覽等。設(shè)備增加了一套經(jīng)緯儀專用夾具，將夾具安裝在陀螺儀上，可模擬上架式陀螺經(jīng)緯儀的基本操作，完成單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行兩種不同類型設(shè)備尋北功能的教學(xué)操作。

上述專用夾具的安裝方法為：用螺釘將外連接板緊固在陀螺儀的上基座上，與設(shè)備固定，為不可拆卸件。需要使用夾緊裝置時(shí)，首先將陀螺儀連接組件中的外連接塊插入外連接板的凹槽中，擰緊中心鎖緊螺釘，將其固定于陀螺儀上；擰松陀螺儀鎖緊螺釘，將圓桿插入后擰緊陀螺儀鎖緊螺釘，使之固定。將經(jīng)緯儀夾緊組件按圖示裝入圓桿后，根據(jù)經(jīng)緯儀高度調(diào)整經(jīng)緯儀夾緊組件在圓桿上的位置，擰緊經(jīng)緯儀鎖緊螺釘，將該組件固定于圓桿上，再擰緊帶彈簧的限位螺釘夾緊經(jīng)緯儀。該結(jié)構(gòu)可快速完成經(jīng)緯儀與陀螺儀的固定，使經(jīng)緯儀照準(zhǔn)部與陀螺儀相對位置固定。

本實(shí)用新型的操作演示過程為：

如附圖1所示，陀螺全站儀按操作要求架設(shè)好，連接電纜，調(diào)平后，啟動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)軟件，根據(jù)軟件系統(tǒng)不同模塊要求，通過操作陀螺全站儀，來完成人機(jī)互動(dòng)，達(dá)到教學(xué)演示效果。

系統(tǒng)進(jìn)入教學(xué)系統(tǒng)單元，主界面為引導(dǎo)界面，基本實(shí)現(xiàn)的功能均在此頁面顯示。除介紹產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)組成、原理外，其它操作均要求首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。進(jìn)入【結(jié)構(gòu)組成、原理】界面，可以選擇產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、組成、技術(shù)參數(shù)、原理、基本操作和維修等部分進(jìn)行瀏覽；在相關(guān)參數(shù)設(shè)置后進(jìn)入【自擺零位】或【尋北測量】界面，顯示界面包括菜單欄和五個(gè)顯示區(qū)域，菜單欄中包括粗尋北、精尋北、視頻、錄屏和幫助等選項(xiàng)。五個(gè)顯示區(qū)按上二下三分布，上面左面的是坐標(biāo)曲線視窗，右面是分劃板視窗，下面左面是成果數(shù)據(jù)視窗，中間是操作提示視窗，右面是視頻視窗；根據(jù)選擇不同的算法，通過光電傳感器采集陀螺擺動(dòng)數(shù)據(jù)，形成擺動(dòng)曲線反映在坐標(biāo)曲線視窗內(nèi)；分劃板視窗以指針的方式顯示陀螺擺動(dòng)；在成果數(shù)據(jù)視窗內(nèi)采集到的陀螺擺動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來；操作提示視窗內(nèi)給使用者適當(dāng)?shù)牟僮魈崾拘畔?、顯示算法公式等；視頻視窗通過高清攝像頭將測手陀螺儀阻尼限幅、下放及鎖緊陀螺的操作過程實(shí)時(shí)顯示出來。此部分是教學(xué)部分的重點(diǎn)，對于陀螺擺動(dòng)過程中，光電傳感器信號采集、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的傳輸，能否實(shí)時(shí)的反映在坐標(biāo)曲線視窗都是很關(guān)鍵的。進(jìn)入【參數(shù)標(biāo)定】界面，可完成設(shè)備使用中所需參數(shù)的標(biāo)定學(xué)習(xí)，包括標(biāo)定方法和提示內(nèi)容，便于掌握設(shè)備檢定過程。進(jìn)入【回放】界面，將教學(xué)過程中已保存的測量數(shù)據(jù)可進(jìn)行回放，重復(fù)已完成的教學(xué)操作內(nèi)容。進(jìn)入【成果瀏覽】界面，將演示過程中采集的數(shù)據(jù)、成果及操作人、操作時(shí)間以文本格式進(jìn)行輸出。整個(gè)測量過程，電腦上顯示內(nèi)容均在兩個(gè)大屏幕電視上顯示，便于學(xué)生觀看學(xué)習(xí)。

陀螺經(jīng)緯儀動(dòng)態(tài)尋北方式下，光電傳感器數(shù)據(jù)的采集和光、電信號的轉(zhuǎn)換方法：通過設(shè)計(jì)光電傳感器的控制板將采集到的陀螺擺動(dòng)光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并對外輸出予以實(shí)現(xiàn)。