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摘要：為了優化傳統陀螺定向實驗教學模式，研發了陀螺定向實驗教學系統。該文首先介紹了陀螺定向原理和陀螺全站儀的基本組成，然后闡述了陀螺定向實驗教學系統原理、組成和功能等，并給出了陀螺尋北測量模塊的核心算法，最后分析了實驗教學系統在課程實驗教學環節的應用，主要可完成陀螺全站儀室內教學、觀摩及演示。利用其直觀簡明的界面可以讓學生對陀螺全站儀的原理和尋北方法有更加深刻的認識，提高了定向實驗教學質量和水平。

關鍵詞：陀螺定向；陀螺全站儀；實驗教學系統；尋北測量

中國礦業大學測繪學科具有鮮明的礦業特色，礦山測量是本學科的重要專業方向之一[1-3]。我們在陀螺定向理論和實驗的研究方面具有優良傳統[4]，曾研制了第一臺國產定向陀螺儀樣機，曾與徐州光學儀器總廠合作研制出了當時國際同類儀器測量精度水平的JT15型陀螺全站儀。多年來，陀螺全站儀定向實驗教學作為礦山測量中不可或缺的環節未能得到高度重視。主要受多方面因素制約：如陀螺全站儀屬大型儀器設備，配置數量有限；儀器本身及電池配件等使用壽命有限，使用損耗大，成本高；儀器操作講解不直觀，難直觀理解；學生操作儀器機會有限，熟悉程度不高。如何將陀螺全站儀的操作更直觀的傳授給學生，讓學生在課程實驗階段更好的操作和使用這類重要儀器設備，保證其理論學習與實驗操作的有機結合，一直是實驗教學環節的主要難點。現在我們與中國船舶重工集團公司第707研究所通力合作，完成了GTTM型陀螺全站儀實驗教學系統的研發，使得陀螺儀定向實驗教學水平得到了較大的改進和提升，取得良好的教學效果。

1GTTM型陀螺全站儀

1.1陀螺定向原理

陀螺泛指繞定點或繞自身軸高速旋轉的任意剛體。將陀螺的轉子軸支承在軸承上,使其相對于基座具有轉動自由度,這種裝置就稱為陀螺儀。陀螺儀基本上是一個勻質的轉子,其質量大部分集中在輪的邊緣,它能圍繞其質量對稱軸高速旋轉。陀螺儀具有穩定指向性和進動性這兩個重要的特性[4]。擺式陀螺儀圍繞地軸（真北）的往復擺動，擺動中心就是真北方向。陀螺全站儀就是通過特殊的光學系統，來觀測和測量陀螺擺動的位置，來測定真北方向。它可為礦山井下每個水平進行定向，可控制導線測量中方向誤差的積累，可為礦山巷道貫通指明方向[4]。

1.2陀螺全站儀組成

中國船舶重工集團公司第707研究所研制的GTTM型陀螺全站儀是由陀螺儀和全站儀通過機械連接組成的一種精密定向設備，充分融合了兩者的高精度定向和測角特質，在沒有大地測量點的無依托情況下，確定目標相對于北向的精確方位角。具有體積小、速度快、精度高，預定向方法先進，操作簡單快捷等諸多特點。

2陀螺全站儀實驗教學系統

根據測繪學科對陀螺全站儀尋北原理和操作的教學需求，我校和中船重工707所合作開發了基于GTTM型陀螺全站儀的陀螺定向實驗教學系統。該系統覆蓋了煤炭工業出版社《陀螺經緯儀基本原理、結構與定向》一書中提及的陀螺儀定向的全部功能和算法[6]，可完成陀螺全站儀室內教學、觀摩及演示，利用其直觀簡明的界面可以讓學生對陀螺全站儀的原理和尋北方法有更加具體、直觀的認識。

2.1系統組成

陀螺全站儀實驗教學系統是運用光、機、電、計算機等技術將陀螺全站儀尋北的實現過程在顯示屏上實時呈現出來。通過提取陀螺擺動的光信號，光電信號整形電路將通過陀螺電纜采集的光電信號轉換成數字信號[7]，對光電傳感器數據進行采集、濾波后，對應于不同的要求分為自擺數據采集、精尋北數據采集、粗尋北數據采集。轉換后，得出陀螺儀工作狀態，包括曲線顯示、光柵分化板顯示、視頻顯示等。系統由GTTM型陀螺全站儀、計算機軟件控制系統和大屏顯示系統三部分組成（如圖2所示）。陀螺全站儀完成實體操作并向計算機發送陀螺擺動的原始數據信息；計算機軟件控制系統實時采集陀螺儀原始擺動信息，顯示真實擺動曲線，顯示其儀器操作、數據采集、數據處理全過程；大屏顯示系統基于大屏幕電視與陀螺全站儀控制器以及高清攝像頭輸入輸出匹配，顯示整個定向實驗真實過程。

2.2軟件開發

實驗教學系統軟件是整個系統核心，它是在Win7操作系統平臺上基于VisualStudio2010開發，使用VC語言編寫。

2.2.1功能模塊軟件由主程序和若干個子程序組成，采用模塊化的設計方式，模塊程序的輸入、輸出量進行統一的管理，完成獨立的功能，降低模塊間的耦合度，便于程序進行修改和測試，提高程序的可靠性、可移植性和可維護性。軟件接收來自陀螺儀的陀螺擺信息，經不同的尋北算法分析處理，控制全站儀顯示當前尋北值，顯示教學信息，完成教學功能。

2.2.2核心算法尋北測量模塊是教學系統的核心模塊，以選項卡式多文檔界面類型創建應用程序，文檔之間通過磁盤文件方式進行數據傳遞。軟件實現了目前已知的多種尋北算法[8-12]，可以更全面、真實的完成陀螺全站儀的尋北解算過程。精尋北算法流程如下圖4、5所示。

3實驗教學系統應用

GTTM型陀螺全站儀實驗教學系統已經成功的應用于陀螺定向實驗教學環節，直觀高效的教學模式成為礦山測量課程實踐環節的必要補充，滿足了陀螺定向實驗觀摩、實驗模擬和實踐操作等不同需求。實驗教學系統可以實現定向實驗觀摩，教師講解陀螺定向原理和方法時更加直觀，儀器操作過程實時展示，陀螺尋北的方法以曲線、圖表形式大屏輸出，便于學生學習掌握。教學系統能夠進行陀螺定向模擬實驗，實驗課時一個班的學生可以在計算機同步模擬操作，完成整個定向實驗內容和流程。教學系統操作簡易，經過簡單講解，學生能較快的獨立完成實驗操作，得到合格的測量成果。實驗教學系統有效的解決了陀螺定向實驗教學的短板。主要應用效果體現在以下幾個方面：（1）投入儀器量減少，儀器運轉機時縮減陀螺全站儀屬于高精密貴重儀器設備，在經費少、使用率相對不高的客觀情況下，無法像常規測量儀器一樣大批量配備。實驗室陀螺全站儀庫存數量不足五臺，平時不能滿足一個班學生同時實驗需求，學生實際操作機會相對較少。實驗教學系統只需配置一臺陀螺全站儀，實驗老師操作全程錄像，并在大屏幕顯示器同步顯示。學生熟悉完整個操作過程后，可在計算機中通過定向軟件進行模擬實驗。陀螺全站儀投入量減少，運轉機時也有所降低，有效的延長了陀螺儀使用周期，不需要像以往那樣考慮到陀螺電機使用壽命限制而盡可能少的讓學生參與實際操作。（2）操作過程可視化，尋北方法數字化通常，測量實驗課都是由實驗指導老師操作儀器，二三十個學生圍著聽講解，學生多數只聽個半懂不懂，操作時就容易不得要領。這種實驗教學模式不直觀，工作量大，指導效果不高，教學質量無法得到保障。利用實驗教學系統，所有學生能夠通過圖6右下方視窗清晰觀察到老師具體操作細節，掌握操作要領。陀螺全站儀尋北定向時，尋北原理、陀螺擺動曲線、逆轉點采集數據等都數字化實時顯示，整個過程一目了然，方便學習觀摩。（3）數據采集便捷，定向算法多樣以前，陀螺定向實驗主要儀器是國產JT15型光學陀螺經緯儀，基本尋北方法是跟蹤逆轉點法，觀測者需要時刻跟蹤陀螺擺動在擺幅視窗中的位置，并根據經驗判定并記錄逆轉點位置。定向方法單一，觀測難度大，學生實驗時很難熟練掌握技巧，獲取合格的測量成果。實驗教學系統僅僅需要觀測者適時控制好陀螺儀的托起與下放過程，采集陀螺擺動中必要數據完全自動化，使得操作過程明顯簡化。此外，教學系統涵蓋了陀螺定向尋北所有算法，有舒拉平均值法、跟蹤逆轉點法、托馬斯平均值法、中天法和積分法等。學生可以基于各種算法進行同一方向定向測量，獲取多種測量成果，方便比較各種方法利弊，對陀螺定向原理和方法有更透徹的理解和掌握。

4結束語

《礦山測量學》是我校測繪專業核心課程，陀螺定向實驗是其不可或缺的實驗教學內容，相比于常規測量實驗教學，陀螺定向實驗從形式到內容上都有了較大改進，實現了節約、模擬、可視的陀螺定向實驗新模式。實驗課不受儀器數量制約能順利正常開展，一個班的學生可以同時進行實驗，實驗指導實驗過程可視，操作方法簡單易學，多種算法充實了定向實驗內容。實驗教學系統是礦山測量實驗教學環節的有效補充，系統基本功能齊備，還有很大創新空間。以后可考慮引入全自動陀螺全站儀，并同步升級教學系統軟件程序，在儀器架設完畢后通過軟件控制自動化實現數據采集及成果輸出全過程。考慮到去煤礦區實驗實習成本高、費時費工，如何依托校內已有平臺建立更綜合的模擬實訓實驗場地是今后一段時間內要重點拓展的方向。

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作者：仇春平；馬昌忠；邸慶生單位：中國礦業大學