一種基于靜態(tài)力矩模式陀螺全站儀的雙位置回轉(zhuǎn)尋北測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于靜態(tài)力矩模式陀螺全站儀的雙位置回轉(zhuǎn)尋北測(cè)量方法。該方 法可廣泛應(yīng)用于靜態(tài)模式下的各類陀螺全站儀構(gòu)建及隧道、巷道、引水隧洞等工程的貫通 測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 陀螺全站儀是一種可以獨(dú)立、精確確定地球上任意點(diǎn)真北方向的定向儀器，其測(cè) 量原理為通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)陀螺敏感地球自轉(zhuǎn)角動(dòng)量?？蓱?yīng)用于貫通導(dǎo)線測(cè)量誤差積累改正、 初始方位標(biāo)校等，主要應(yīng)用于公路鐵路隧道、煤礦巷道、引水隧洞的貫通測(cè)量，導(dǎo)航設(shè)備標(biāo) 校，火箭、導(dǎo)彈等武器發(fā)射系統(tǒng)定向。
[0003] 目前，廣泛應(yīng)用在工程的陀螺全站儀為懸掛式陀螺儀，采用懸掛帶對(duì)陀螺靈敏部 進(jìn)行支承。懸掛式陀螺儀尋北方法多采用人工或者電子設(shè)備觀測(cè)陀螺旋轉(zhuǎn)軸自由擺動(dòng)曲 線，以此來(lái)確定陀螺的動(dòng)平衡位置，都要等待陀螺的動(dòng)平衡位置相對(duì)穩(wěn)定后，才能進(jìn)行觀 測(cè)、數(shù)據(jù)采集，即在陀螺馬達(dá)轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)后，在此單一平衡位置 下通過(guò)中天法、逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法、積分法等進(jìn)行觀測(cè)。該單一平衡位置下的尋北雖然能夠相對(duì)準(zhǔn)確 地測(cè)定真北方位，但由于部分系統(tǒng)性誤差的影響，例如陀螺水平測(cè)角系統(tǒng)的偏心誤差，系統(tǒng) 的常數(shù)漂移誤差等等，會(huì)對(duì)陀螺定向成果產(chǎn)生影響，降低其測(cè)量精度。這些系統(tǒng)誤差在短期 時(shí)間或單次測(cè)量中表現(xiàn)出系統(tǒng)性，而在長(zhǎng)期使用或多次測(cè)量間則表現(xiàn)出偶然性。而傳統(tǒng)懸 掛式陀螺全站儀由于陀螺的動(dòng)平衡位置穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，如果進(jìn)行兩個(gè)位置的數(shù)據(jù)采集比較 消耗時(shí)間。
[0004] 綜上，造成了傳統(tǒng)的陀螺尋北方法尋北時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、效率低等問(wèn)題，在 存在外界干擾情況下，定向效果更差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種基于靜態(tài)力矩模式陀螺全站儀的雙位置回轉(zhuǎn)尋北測(cè)量方法，該 方法解決了傳統(tǒng)的陀螺尋北方法尋北時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、系統(tǒng)性誤差難以剔除的技術(shù) 問(wèn)題。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：
[0007] 一種基于靜態(tài)模式陀螺全站儀的雙位置回轉(zhuǎn)尋北測(cè)量方法，具體包括如下步驟：
[0008] -、安置儀器：在測(cè)站點(diǎn)安置儀器，使北向標(biāo)識(shí)位于真北方向（-10°，+10° )區(qū)間 內(nèi)，調(diào)整并對(duì)中；
[0009] 二、陀螺定向測(cè)量：
[0010] a.啟動(dòng)馬達(dá)啟動(dòng)加速模塊、盤(pán)位轉(zhuǎn)換模塊，使陀螺馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸方向?qū)?zhǔn)陀螺儀測(cè) 角裝置17中的電子度盤(pán)零刻度線方向；
[0011] b.第一位置尋北測(cè)量：依次啟動(dòng)支承解鎖模塊、電流及光電信號(hào)采集模塊，得到 多組電流數(shù)據(jù)以及光電信號(hào)數(shù)據(jù)；根據(jù)電流數(shù)據(jù)計(jì)算得到陀螺靈敏部力矩值，并根據(jù)光電 信號(hào)數(shù)據(jù)以及反射光線與入射光線的位置，計(jì)算陀螺靈敏部的角度位移量；啟動(dòng)穩(wěn)定檢測(cè) 模塊，如果陀螺靈敏部處于非穩(wěn)定狀態(tài)，則啟動(dòng)力矩反饋控制模塊使得陀螺靈敏部穩(wěn)定，然 后啟動(dòng)支承鎖定t吳塊；
[0012] c.根據(jù)陀螺靈敏部力矩值，計(jì)算得到在第一位置上陀螺儀測(cè)角裝置的電子度盤(pán)零 刻度線方向偏離真北方向夾角Z NOR1;
[0013] d.第二位置尋北測(cè)量：?jiǎn)?dòng)盤(pán)位轉(zhuǎn)換模塊，使陀螺馬達(dá)旋轉(zhuǎn)180度到達(dá)第二位置； 重復(fù)執(zhí)行步驟b、c，獲得在第二位置上陀螺儀測(cè)角裝置的電子度盤(pán)零刻度線方向偏離真北 方向夾角ZNOR 2;
[0014] 三、照準(zhǔn)系統(tǒng)方向觀測(cè)：
[0015] a.使望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)目標(biāo)，記錄此時(shí)照準(zhǔn)測(cè)線方向與其內(nèi)部電子度盤(pán)0位方向之間的 夾角記為zmoca;
[0016] b.再將望遠(yuǎn)鏡在豎直方向與水平方向分別旋轉(zhuǎn)180度，再次使望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)測(cè)線方 向，記錄此時(shí)照準(zhǔn)測(cè)線方向與其內(nèi)部電子度盤(pán)0位之間的夾角記為ZMOC B，完成一次目標(biāo)照 準(zhǔn)；
[0017] c.再次將望遠(yuǎn)鏡在豎直方向與水平方向分別旋轉(zhuǎn)180度，重復(fù)步驟a、b分別獲得 照準(zhǔn)測(cè)線方向與其內(nèi)部電子度盤(pán)0位方向之間的夾角記為21?(^、21?)〇 )，至此照準(zhǔn)系統(tǒng)完 成第二次目標(biāo)照準(zhǔn)，計(jì)算兩次目標(biāo)照準(zhǔn)的平均值Z MOC :
[0018] 四、尋北成果計(jì)算：
[0019] 計(jì)算測(cè)線的真北方位角A :
[0021] 其中，Z RiOM、^ R2OM為第一位置和第二位置時(shí)陀螺尋北方向與電子度盤(pán)的零刻 度線的夾角。
[0022] 進(jìn)一步的，所述馬達(dá)啟動(dòng)加速模塊、盤(pán)位轉(zhuǎn)換模塊、電流及光電信號(hào)采集模塊、支 承鎖定模塊、支承解鎖模塊、穩(wěn)定檢測(cè)模塊和力矩反饋控制模塊分別用于實(shí)現(xiàn)如下功能：
[0023] 馬達(dá)啟動(dòng)加速模塊：控制陀螺馬達(dá)的啟動(dòng)及加速；
[0024] 盤(pán)位轉(zhuǎn)換模塊：控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)陀螺儀測(cè)角裝置發(fā)送的輪盤(pán)的 轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0025] 電流及光電信號(hào)采集模塊：按設(shè)定采集次數(shù)采集第一力矩器轉(zhuǎn)子、第一力矩器定 子、第二力矩器轉(zhuǎn)子和第二力矩器定子內(nèi)部電流數(shù)據(jù)；第二微型計(jì)算機(jī)按設(shè)定采集次數(shù)采 集支承穩(wěn)定檢測(cè)裝置、水平力矩穩(wěn)定檢測(cè)裝置、豎直力矩穩(wěn)定檢測(cè)裝置的光電傳感器的光 電信號(hào)數(shù)據(jù)；
[0026] 支承鎖定模塊：控制電感線圈斷電，磁性消失，壓縮狀態(tài)的彈簧通過(guò)壓片向上頂住 下部連接盤(pán)，下部連接盤(pán)上的觸頭與上部連接盤(pán)接觸；并向上拉動(dòng)連接部、第一力矩器轉(zhuǎn) 子、陀螺靈敏部和第二力矩器轉(zhuǎn)子的整體，使得懸掛帶不受力松弛；
[0027] 支承解鎖模塊：控制電感線圈通電，壓片收到磁力向下進(jìn)一步壓縮彈簧，壓片與下 部連接盤(pán)脫離連接；由于下部連接盤(pán)、連接部、第一力矩器轉(zhuǎn)子、陀螺靈敏部和第二力矩器 轉(zhuǎn)子整體的重力作用，使懸掛帶受力拉緊；
[0028] 穩(wěn)定檢測(cè)模塊：將力矩角度位移數(shù)據(jù)采集模塊得到的角度位移量與設(shè)定閾值相比 較，如果不超過(guò)設(shè)定閾值，則陀螺靈敏部處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則不穩(wěn)定；
[0029] 力矩反饋控制模塊：根據(jù)電流及光電信號(hào)采集模塊得到的力矩值控制第一力矩器 轉(zhuǎn)子、第一力矩器定子、第二力矩器轉(zhuǎn)子和第二力矩器定子的內(nèi)部電流，使得力矩器定子和 其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子間形成與陀螺靈敏部擺動(dòng)力矩大小相等、方向相反的合力矩，直至陀螺靈敏部 穩(wěn)定。
[0030] 進(jìn)一步的，所述安置儀器步驟中的所述調(diào)整并對(duì)中是指啟動(dòng)激光發(fā)射模塊，移動(dòng) 儀器直至激光發(fā)射模塊的激光束射向測(cè)站點(diǎn)標(biāo)識(shí)；反復(fù)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺旋，直至上對(duì)中標(biāo)識(shí)對(duì) 準(zhǔn)懸掛在測(cè)站點(diǎn)上的對(duì)中垂球尖部。
[0031] 進(jìn)一步的，所述陀螺定向測(cè)量中的步驟b中，根據(jù)采集的多組電流數(shù)據(jù)計(jì)算陀螺 靈敏部力矩值的公式如下：
[0033] 其中，M表示陀螺靈敏部力矩值；i表示采集的數(shù)據(jù)的序號(hào)；IKA為第一力矩器轉(zhuǎn)子 電流值；I KB為第二力矩器轉(zhuǎn)子電流值；ISA為第一力矩器定子電流值；ISB為第二力矩器定子 電流值；k為力矩器系數(shù)；n為采集的電流數(shù)據(jù)的組數(shù)。
[0034] 進(jìn)一步的，所述陀螺定向測(cè)量中的步驟c中，所述Z勵(lì)&通過(guò)公式（2)計(jì)算：
[0036] 其中，M表示陀螺靈敏部力矩值；陀螺的角動(dòng)量H ;地球的自轉(zhuǎn)角速度測(cè)站點(diǎn) 的地理煒度妒。
[0037] 進(jìn)一步的，所述照準(zhǔn)系統(tǒng)方向觀測(cè)過(guò)程中，所述步驟c中計(jì)算兩次目標(biāo)照準(zhǔn)的平 均值Z MOC的公式如下：
[0039] 相對(duì)于現(xiàn)有的單位置尋北方法，本發(fā)明的方法有效解決了尋北方法尋北時(shí)間長(zhǎng)、 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、系統(tǒng)性誤差難以剔除等技術(shù)問(wèn)題，能夠有效消除或減弱部分儀器及觀測(cè)系 統(tǒng)誤差，改善定向精度。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1為本發(fā)明的基于靜態(tài)模式的陀螺全站儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ] 圖2為本發(fā)明俯視圖。
[0042] 圖中各標(biāo)號(hào)含義：1、上對(duì)中標(biāo)識(shí)；3、固定螺釘；4、照準(zhǔn)部測(cè)角裝置；5、望遠(yuǎn)鏡；6、 豎直制動(dòng)微動(dòng)螺旋；8、照準(zhǔn)系統(tǒng)顯示屏；9、鍵盤(pán)；10、水平制動(dòng)微動(dòng)螺旋；13、通訊接口；14、 陀螺儀水準(zhǔn)管；15、陀螺儀顯示屏；16、操作按鈕組；17、陀螺儀測(cè)角裝置；18、驅(qū)動(dòng)電機(jī)；19、 輪盤(pán)；20、滾珠盤(pán)；21、支承穩(wěn)定檢測(cè)裝置；22、上部連接盤(pán)；23、下部連接盤(pán)；25、彈簧；27、 電感線圈；28、壓片；29、懸掛帶；30、第一力矩器定子；31、第一力矩器轉(zhuǎn)子；32、連接部； 34、水平力矩穩(wěn)定檢測(cè)裝置；35、陀螺馬達(dá)；39、第二力矩器定子；40、第二力矩器轉(zhuǎn)子；42 豎直力矩穩(wěn)定檢測(cè)裝置；45、調(diào)節(jié)螺旋；46、基座；47、第二微型計(jì)算機(jī)；48、接口組；49、通 光孔；50、激光發(fā)射模塊；51、外殼；53、扶手；54、上對(duì)中支架；55、照準(zhǔn)部支架；56、旋轉(zhuǎn)軸； 57、照準(zhǔn)部水準(zhǔn)管；58、第一微型計(jì)算機(jī)；59、水平