CN1105447A - 具有光电测时信号转换装置的陀螺经纬仪自动定向*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺定向技术领域，该***以对称测 时法原理为基础，将普通型陀螺经纬仪加装能自动提 取测时信号的光电测时信号转换装置，并与袖珍计算 机连接，构成自动寻北定向***，实现陀螺定向的穿 过点自动测时与快速寻北定位，其中袖珍计算机根据 测时信号由对称测时法解算出陀螺北方向值及测线 的方位角。本发明具有自动化程度高、定向时间短、 精度高、轻便、成本低等优点，可广泛应用于地下建筑 工程、军事工程等进行精确定向。

Description

本发明涉及陀螺定向技术领域，具体是一种具有光电测时信号转换装置的陀螺经纬仪自动定向***。

自七十年代以来，随着惯性测量仪器在军事与工程上的应用及电子计算机的迅速推广，发达国家开始致力于高精度自动陀螺定向仪器的研究。德国波鸿斯特伐伦矿山研究院（WBK）所属矿山测量研究所（IFM）历经35年的开发和研究，设计出Gyronat自动陀螺指北***，其定向精度为3角秒，时间为5～7分钟。此外，美国、匈牙利、瑞士、英国和前苏联等国也推出了各自的自动陀螺经纬仪。我国亦于87年研制出光电积分自动陀螺经纬仪。纵观各种类型的自动陀螺经纬仪，可分为自动跟踪型、光电积分型、力矩器补偿型及穿过点光电记时等，均属下挂式陀螺仪，一般都结构复杂，体积大而笨重，主机重量为16～50公斤不等，而且造价十分昂贵，可达数十万美元一台。故其推广使用受到较大限制。九十年代后，随着陀螺定向理论的深入研究，以及袖珍计算机和光电子技术的飞速发展，研制一种轻便实用的工程型上架式自动陀螺经纬仪，实现普通工程型陀螺经纬仪向自动定向功能的发展，减轻测量人员的劳动强度，满足日益增加的各种地下建设工程的需要，已是势在必行。

本发明的目的在于提供一种轻便实用、造价低并具有自动寻北及全套操作自动化的智能型陀螺经纬仪自动定向***，该***不仅具有人工测点半自动定向方式，而且还能与全站仪等设备相连接，以进一步拓展其功能。

本发明的技术方案如下：本发明是由一个能完成陀螺光标线运动轨迹的多点取样与时间测定的光电测时信号转换装置、陀螺经纬仪、电源和计算机等部分构成，光电测时信号转换装置包括光敏读数装置和光电信号处理器，其中光敏读数装置由光源、透镜、光标板、分划板以及光电转换器件构成并沿光路依序排列，光标板的上半部是透明的，其中部有一条不透明的光标线X₁，下半部是不透明的，在该不透明部分的对称性的中部有一条透明的光标线X，X的线宽范围为0.15～0.3毫米，视灯泡亮度而定;分划板的上半部是透明的，下半部是不透明的，在该不透明部分的对称性的中部有一条透明的分划线Y₂，在分划线Y₂的两侧对称地还布有两条透明的分划线Y₁和Y₃，并分别对应分划板上的刻度（+K，O，-K），Y₂与Y₁或Y₃的间距范围为0.3～0.7毫米;光源可直接采用灯泡，并与一个可变电阻R_L相串联，以便调节灯泡亮度;光电转换器件可采用光电管、光电池、光敏电阻等，当光标线X与分划线Y₁、Y₂或Y₃重合，光电转换器件上则有光照射并产生电信号;光敏读数装置与陀螺经纬仪通过光路相连接，构成对陀螺光标信号的光敏检测，当陀螺光标线穿过时，由光标板和分划板提取反映陀螺位置的光信号，再由光电转换器件接收该光信号并转换成电信号，将该电信号送至光电信号处理器进行放大处理，光电信号处理器分别与光敏读数装置和计算机相连接，它将光敏读数装置传输的微弱电信号放大后直接送入计算机处理，由计算机利用对称测时法按多点测得的信号计算出陀螺的北方向值。由于光敏读数装置中设置了具有一半透明部分的光标板和分划板，通过其透明部分也可传输反映陀螺位置的光信号，因此可通过人工目测该光信号，当光标线X₁与分划板上的（+K，0-K）刻度重合时，相应地在计算机上手动按键定点，半自动地完成陀螺光标线运动轨迹的多点取样与时间测定，由计算机进行逻辑性处理与计时，最终计算出陀螺的北方向和测线的方位角。

计算机配置了利用所测定的反映陀螺位置的光电测时信号进行计算、处理、分析以最终获得陀螺的北方向值和测线方位角的软件。在整个过程中，计算机先对光电测时信号转换装置或人工目测所检测到的时间信号进行周期差检验，合格后再按陀螺定向的对称测时法的数学模型进行陀螺北方向值的解算与数据处理，自动显示陀螺北方向值及其测定精度，实现自动寻北。

陀螺定向的时间观测方法有中天法、时差法等，但对称测时方法具有速度快、精度高等优点。其中对称测时法是通过选择陀螺仪分划板上以零刻划为对称轴的三条分划线（+K，O，-K）进行测时，亦即分划线Y₁、Y₂和Y₃，其计算公式为：

a×t_O= arctg[ (sin(a×t1) - 2×sin(a×ta) + sin(a×t3）)/(cos(a×t1) - 2×cos(a×ta) + cos(a×t3)) ］

A＝-K/[sin（a×t₀-a×t₂）+sin（a×t₃-a×t₀）]

令：G＝sin（a×t₀-a×t₂）+sin（a×t₃-a×t₀）

则 A＝-K/G

B＝K×[1+（1/G）×sin（a×t₁-a×t₀）]

其中：a＝2×π/T

B是陀螺轴摆动平衡位置的分划板读数，K是选定的对称分划线读数，t₀是陀螺轴通过摆动平衡位置的时间，A是陀螺摆幅，T是陀螺自摆周期，t₁、t₂、t₃分别为陀螺轴光标线在分划板上的分划线（+K，O，-K）上的穿过时间。

将测到的时间点，由计算机软件利用上述计算公式求出B值，即可利用B值和其它参量由已知的、标准的计算公式求出陀螺北方向值，计算式如下：

N＝N′+△N

△N＝B×S×（1+C）-S×C×δ

其中，N’为经纬仪照准部固定在近似北的度盘读数，S为陀螺分划板格值，δ为悬挂带零位，T₁为跟踪时的陀螺摆动周期，T₂为不跟踪时的陀螺摆动周期，C为扭矩比例常数，

C＝（T₁/T₂）²-1

将B值代人上述的计算式即可求得陀螺北方向值N，然后再由6点快测法模式或9点精测法模式，求出6组或16组陀螺北方向值，以及陀螺北方向平均值。

设陀螺光标线自左逆点向右逆点运动时为正半周，反之为负半周。6点快测法模式是指陀螺光标线在第一个正半周的（+K，O，-K）三条格线与第一个负半周的（+K，O，-K）三条格线位置时进行测时，即在一个周期内观测六个时间点，通过特定组合可以得出6组时间参数，从而求得6个陀螺北方向值。

9点精测法模式是指光标线在第一个正半周的（+K，O，-K）三条格线与第一个负半周的（+K，O，-K）三条格线以及第二个正半周（+K，O，-K）三条格线位置时进行测时，即在一个半周期内观测9个时间点，通过特定组合可以得出16组时间参数，从而求出16个陀螺北方向值。

将本发明装置通过其中陀螺经纬仪中的陀螺仪，与具有电子测角、光电测距等多功能的全站仪连接，并通过相应的连接器固定，即构成具有电子测角、光电测距、自动测定测点的真北方位及自动定向等多功能的全能经纬仪。本发明的这种应用方式是为了提高***的整体综合性能，使之兼具有全站仪的功能，使其功能得以拓展并提高自动化程度。这种全能经纬仪可迅速完成测点的方位、距离与角度的测量和计算，并提供三维空间坐标。

光电测时信号转换装置中的光电信号处理器，具有电信号放大功能，它可由放大器、触发器、和继电器构成，由光敏读数装置中的光电转换器件将电信号传输至放大器中，使微弱信号被放大，再通过触发器使继电器吸合或断开，继电器的两个接点可直接与计算机内部电路相连接。一般来说，继电器的接点与计算机键盘的按键电路相连较好，当光标板的运动使光标线与分划板上的某一分划线重合时，光电转换器件上有光照射并产生电流，该电流经放大器放大后使继电器吸合，即接通计算机按键电路，相当于按下一次键。这就等于完全取代了人眼观察到光标线与分划线重合时进行手动按键记时的过程。而测量的精确度和自动化程度都得以大大的提高。

本发明中的陀螺经纬仪可采用普通上架式陀螺经纬仪，例如JT15型、GAK1型等，光敏读数装置可安装在陀螺仪内部，光电信号处理器安装在陀螺仪电源内部，这样整个***不仅成本低、体积小，又达到了将这些非自动陀螺仪改造成自动陀螺仪、从而大大降低观测时的劳动强度并提高测量精度和速度的目的。计算机可采用配以陀螺自动计时软件及对称测时法软件的袖珍计算机，以利用其功能全、携带方便、体积小、操作简便、性能价格比高等特点，并使整个装置更适合于工程应用。

利用计算机还可实现本发明的全套操作的自动化和智能化，可以对计算机所得出的陀螺北方向值利用数据处理手段进行自动检核，并自动显示定向成果及定向精度;本发明的***在外业一测回定向观测结束后，可将定向成果与全部参数记录迅速存入计算机内存数据库中，然后进行下一测回的定向。全部外业工作结束以后，将袖珍计算机主机接上打印机，可迅速完成陀螺常数边与定向边的成果计算与打印，并具有自动检核超差报警、子午线收敛角自动查表、外业成果查询显示、数据清单查询显示、方位成果自动检人、汉字菜单功能选择、汉字注释人机对话、汉字表格成果打印输出等全套内业自动化等特点，因而是一种智能型的自动定向***。

大量的实验表明，本发明的***的定向精度和速度都比较高。采用6点快测法模式进行定向时，有6个陀螺北方向值成果，陀北方位的内符精度为2角秒，一次自动寻北的时间为4分钟;采用9点精测法模式进行定向时，有16个陀螺北方向值成果，陀北方位的内符精度为1角秒，一次自动寻北的时间约7分钟。这两种自动定向模式可供用户选择，观测速度及精度皆达到工程应用的要求。本***还具有自动、半自动及手动操作方式，因而有一机多用的特点。另一方面，由于采用本***进行定向的陀螺自动寻北方向值成果具有较高的内符精度，因而具有进一步提高实际定向精度的潜力。实际上，只要陀螺仪本身的性能越稳定，测时精度就越高，对于性能较好的陀螺仪，本发明的***可实现内符精度小于1角秒。就同一台陀螺仪而言，本***的自动寻北精度比半自动陀螺仪寻北精度高出约三倍。

综上所述，本发明利用光敏检测技术与计算机软件技术替代半自动***中目测定点、手动按键计时的人工过程，实现了陀螺经纬仪自动寻北，并具有自动记录与检核、全数字化显示与汉字提示以及一整套内业（包括计算与打印）自动化功能，自动化程度高，操作简便灵活，轻便实用，结构简单，成本低，可靠性好，并由于采用特有的陀螺定向的对称测时法，可获得较高的测量精度，定向时间短，定向成果可靠;既可用常规方法定向，也可作半自动或全自动定向，还有6点快测法和9点精测法两种定向模式可供选择。另外，利用普通陀螺仪，只需花费少量资金即可将其改造成本发明的***，实现陀螺定向的自动化。因此本发明具有较高的应用推广价值。本发明可极大地提高定向工作效率并减轻测量人员的劳动强度。

以下结合附图进一步描述本发明

图1是本发明的***的原理结构图;

图2是本发明的***的实施例结构图;

图3a是光敏读数装置的原理结构图;

图3b是光标板的主视图;

图3c是分划板的主视图;

图4是光电信号处理器的原理结构图;

图5是本发明的陀螺定向的对称测时法中测时选点示意图;

图6是计算机内配置的对于光电测时信号进行分析、计算和处理以实现陀螺定向的软件框图;

图7是本发明的***与全站仪相联构成全能经纬仪的示意图。

由图1可见本发明的***的原理结构。本发明的设计思想是要将普通型陀螺经纬仪改装成自动陀螺仪，即通过增设光敏读数装置、光电信号处理器并与计算机联接以实现陀螺自动定向，整个***是以半自动定向***为基础，设法将原来由人眼观察光标线与分划线重合的信号改由光电测时信号转换装置自动取出来，再以取出的信号去控制计算机的测时，并由计算机通过专用软件对该测时信号进行处理，从而实现定向记录、实时数据采集与数据处理一体化和自动化。本发明是作为下挂式积分法陀螺定向以外的一种实现自动陀螺定向的新***和方法。

图2所示是本发明的实施例。其中陀螺经纬仪采用国产的JT15型。光敏读数装置中的分划板是固定在陀螺仪的轴上，整个光敏读数装置安装在陀螺仪内部，从外观上看与普通陀螺经纬仪没有区别。电压、光强控制电路用于控制电压及光源的光强度。计算机可采用PC1500型或PCE500型袖珍计算机，定向专用软件调入其内存。定向外业需携带加有光敏读数装置的陀螺经纬仪，另加一个外接的、安装在陀螺仪电源内部的光电信号处理器与一台袖珍计算机，通过插线相连接即可组成本***。光电信号处理器由陀螺仪电源供电，其外形尺寸小，重量仅200克左右，袖珍计算机可放在工具袋内。整个***的主机，包括陀螺经纬仪、袖珍计算机，重量仅为6.8公斤。整个***装箱后从外观上看仍为原陀螺经纬仪的四大件，即陀螺仪、经纬仪、电源与脚架，因而是一种轻便的自动陀螺定向***，其体积和重量在国内外同类产品中是最小的。本发明除了自动定向功能外，还可作为半自动与普通型使用，有一机三用的特点。外业定向一测回结束后，可将成果调入袖珍计算机内存中的数据库，内业整理时可将袖珍计算机与打印机连接，可迅速完成所有成果计算与打印工作，其中包括陀螺常数边与定向边的计算、自动检核超差报警、子午线收敛角自动查表、陀螺方位角成果自动查询和检人、表格打印等。

本发明应用在工程实测定向时，与几何定向、逆转点法等定向方法所获结果均很接近，符合工程定向的精度要求。

本发明如果以国产JT-15型陀螺经纬仪为基础，将其改造成自动陀螺仪，成本为五万元/台，价格仅为国外自动陀螺经纬仪的10%，为进口普通陀螺经纬仪的三分之一且性能更优，与当今国内外市场同类仪器比较，具有明显的性能价格比优势。

图3a、图3b、图3c反映了光敏读数装置的原理结构，其中的光标板（1）是固定在陀螺仪的轴上，陀螺在高速旋转时，其方向渐趋稳定，光标板（1）上的光标线X在北方向附近摆动，下放陀螺后一般应将其摆幅限制在6～12格范围内，当光标线X与分划线Y₁、Y₂或Y₃重合时，在这一瞬间有光通过透明的分划线，直达光电转换器件（3）。三条分划线是以Y₂为中心对称，光电转换器件（3）紧贴在分划板（2）之后的下半部。光源（6）可与一个可变电阻R_L串联，以便于调节其亮度;在光源（6）与光标板（1）之间、光标板（1）与分划板（2）之间分别设有透镜（5）和（4）。从附图可以看出，光敏读数装置能用以取代现有陀螺经纬仪半自动定向***中“目测定点”、“按键计时”的人工过程，提高测量精度和速度。

在图4中，光电信号处理器由放大器、触发器和继电器组成，并分别与光电转换器件（3）和计算机相联。光电转换器件（3）的引线，经导线插接到放大器，将微弱信号放大，例如放大到3.5V以上，使继电器能进行吸合动作，继电器的两个接点经导线插头与计算机内部电路相连，在实际实施时，是与计算机键盘电路中的“+”键的两电极相连。这样，当光标线与分划线重合时，则继电器吸合导通，在计算机上相当于人工按下“+”键，从而将测时信号输入计算机，计算机通过自动测时程序以及对称测时法定向软件，按多点（6点或9点）测得的结果，计算出陀螺北方向值和测线的方位角。

当进行半自动定向时，则通过目测定点，当光标线X₁达到相应的（+K，O，-K）刻度即可直接由人工按下“+”键进行测时，并由计算机进行分析和处理。

通过图5可对对称测时法做进一步说明。在图5中，K为分划板读数，可为1～6分划的任一分划号，图中座标横轴代表光标线X的位置座标，座标+K，O，-K分别对应了分划线Y₁、Y₂、Y₃的位置，座标纵轴代表时间。当本发明的***采用6点快测法定向模式时，所测的6个时间点是T₁～T₆，有6个陀螺北方向值成果;当采用9点精测法定向模式时，所测的9个时间点是T₁～T₉，有16个陀螺北方向值成果。

对称测时法只需在陀螺分划板的三条对称分划线（+K，O，-K）上测取陀螺光标线的穿过时间，采用新的计算公式与对称测时取点使数学模型大为简化，并采用特定的数据组合，以较短的观测时间，获得大量的多余观测值成果。它是一种快速、高精度并适于陀螺经纬仪自动定向的方法，在观测分划个数、测时点数、多余观测成果数及平均值内符精度等诸多方面满足了自动陀螺定向的要求，并在多种方法检核、多余观测成果数与平均值内符精度上有了新的突破。对称测时法的数学模型简单、精确，陀螺北方向成果直接由所测得的时间t解算得出，且与起始时间及时间的相位变化无关。

图6示出了计算机软件进行信号提取、分析、计算和处理的流程框图。利用计算机可扩展整个***的数据分析、成果统计及数据整理功能。

在图6中，测前记录程序包括输入测前记录数据，如开始时间、测站、观测者、记录者、仪器型号、测线名称、测线方向值测前零位等，主程序起算数据包括陀螺分划板格值S、指定测时分划K、跟踪周期TA、近似陀螺北方向值No，自动测时程序按对称测时法测取如图5中的T₁～T₆或T₁～T₉等时间参量，对称测时法数据处理又包括6点快测法和9点精测法两种定向模式，可供选择，利用计算公式可求出6组或16组北方向值

i，北方向平均值NA及内符精度M。中天法、时差法为现有技术，中天法检核图5中的T₂、T5和T₃点，时差法检核图5中的T₁、T₃、T₄、T₆、T₇和T₉点，按中天时间计算中天法成果NZ，按对称时间计算时差法成果NS。北方向成果检验的条件可设为：

M＜20S

｜NA-NZ｜＜30S

｜NA-NS｜＜30S

若符合上述条件，则所得出的平均北方向值NA合格。

测后记录程序包括输入测后记录数据，如测线方向值、测后零位、零位改正数计算及陀螺方位角计算。

图7反映了本发明的***与全站仪连接构成全能经纬仪的情况。

本发明可广泛应用于地下建筑工程如矿山、隧道及地铁等进行精确定向，尤其适合大型地下贯通工程的定向测量，也可用于隐蔽地区的测图定向、军事工程定向及工程放样检核等，具有广泛的社会效益和可观的经济效益。

Claims (6)

1、一种具有光电测时信号转换装置的陀螺经纬仪自动定向***，本发明的特征在于它是由一个能完成陀螺光标线运动轨迹的多点取样与时间测定的光电测时信号转换装置、陀螺经纬仪、电源和计算机等部分构成，光电测时信号转换装置包括光敏读数装置和光电信号处理器，其中光敏读数装置由光源、透镜、光标板、分划板以及光电转换器件构成并沿光路依序排列，光标板的上半部是透明的，其中部有一条不透明的光标线K1，下半部是不透明的，在该不透明部分的对称性的中部有一条透明的光标线X；分划板的上半部是透明的，下半部是不透明的，在该不透明部分的对称性的中部有一条透明的分划线Y₂，在分划线Y₂的两侧对称地还布有两条透明的分划线Y₁和Y₃；光电转换器件可采用光电管、光电池、光敏电阻等；当光标线X与分划线Y₁、Y₂或Y₃重合时，光电转换器件上则有光照射并产生电信号；光敏读数装置与陀螺经纬仪通过光路相连接，构成对陀螺光标信号的光敏检测，当陀螺光标线穿过时，由光标板和分划板提取反映陀螺位置的光信号，再由光电转换器件接收该光信号并转换成电信号，将该电信号送至光电信号处理器进行放大处理，光电信号处理器分别与光敏读数装置和计算机相连接，它将光敏读数装置传输的微弱电信号放大后直接送入计算机处理，由计算机利用对称测时法按多点测得的信号计算出陀螺的北方向值和测线方位角。

2、根据权利要求1所述的陀螺经纬仪自动定向***，其特征在于利用光敏读数装置中分别具有一半透明部分的光标板和分划板所传输的、反映陀螺位置的光信号，通过人工的目测光标线X₁与分划板上的（+K，0，-K）三个刻度重合时进行定点和手动按键，半自动地完成陀螺光标线运动轨迹的多点取样与时间测定，由计算机进行逻辑性处理与计时，最终计算出陀螺的北方向和测线的方位角。

3、根据权利要求1或2所述的陀螺经纬仪自动定向***，其特征在于计算机先对光电测时信号转换装置或人工目测所检测到的时间信号进行周期差检验，合格后再按陀螺定向的对称测时法的数学模型进行陀螺北方向值的解算与数据处理，自动显示陀螺北方向值及其测量定向精度，实现自动寻北，其中对称测时法是通过选择陀螺仪分划板上以零刻划为对称轴的三条分划线（+K，0，-K）进行测时，其计算公式为：

a×t_O= arctg[ (sin(a×t1) - 2×sin(a×ta) + sin(a×t3）)/(cos(a×t1) - 2×cos(a×ta) + cos(a×t3)) ］

A＝-K/[sin（a×t₀-a×t₂）+sin（a×t₃-a×t₀）]

令：G＝sin（a×t₀-a×t₂）+sin（a×t₃-a×t₀）

则 A＝-K/G

B＝K×[1+（1/G）×sin（a×t₁-a×t₀）]

其中：a＝2×π/T

B是陀螺轴摆动平衡位置的分划板读数，K是选定的对称分划线读数，t₀是陀螺轴通过摆动平衡位置的时间，A是陀螺摆幅，T是陀螺自摆周期，t₁、t₂、t₃分别为陀螺轴光标线在分划板上的分划线（+K，O，-K）上的穿过时间。

将测到的时间点，由计算机软件利用上述计算公式求出B值，即可利用B值和其它参量由标准的计算公式求出陀螺北方向值，再由6点快测法模式或9点精测法模式，求出6组或16组陀螺北方向值。

4、根据权利要求1或2所述的陀螺经纬仪自动定向***，其特征在于其中陀螺经纬仪中的陀螺仪，可与具有电子测角、光电测距等功能的全站仪连接，通过相应的连接器固定，即构成具有电子测角、光电测距、自动测定测点的真北方位及自动定向等多功能的全能经纬仪。

5、根据权利要求1所述的陀螺经纬仪自动定向***，其特征在于具有电信号放大功能的光电信号处理器，是由放大器、触发器和继电器构成，由光敏读数装置中的光电转换器件将电信号传输至放大器中，将微弱信号放大，并通过触发器使继电器吸合或断开，继电器的两个接点可直接与计算机内部电路相连。

6、根据权利要求1或5所述的陀螺经纬仪自动定向***，其特征在于陀螺经纬仪可采用普通上架式陀螺经纬仪，光敏读数装置安装在陀螺仪内部，光电信号处理器安装在陀螺仪电源内部，计算机可采用配以陀螺自动计时软件及对称测时法软件的袖珍计算机。

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