基于Flash的陀螺经纬仪逆转点定向教学模拟平台实现

陈国良，顾和和，汪云甲，陈小伟，张书毕

(中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116)

CHEN Guoliang，GU Hehe，WANG Yunjia，CHEN Xiaowei，ZHANG Shubi

基于Flash的陀螺经纬仪逆转点定向教学模拟平台实现

陈国良，顾和和，汪云甲，陈小伟，张书毕

(中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116)

Simulation Platform Implementation for Gyrotheodolite Reversal Points Surveying Based on Flash Software

CHEN Guoliang，GU Hehe，WANG Yunjia，CHEN Xiaowei，ZHANG Shubi

摘要：矿山测量陀螺经纬仪定向实验教学时由于仪器昂贵和极易损坏，不利于在实际的教学中大范围推广使用。针对以上弊端，本文应用 Flash脚本编译环境，开发了交互功能灵活、符合测绘专业大学生认识学习规律的陀螺经纬仪逆转点定向模拟系统，为初学者提供了很好的实验平台。

引文格式： 陈国良，顾和和，汪云甲，等. 基于Flash的陀螺经纬仪逆转点定向教学模拟平台实现[J].测绘通报，2015(9)：128-130.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0298

关键词：Flash；陀螺经纬仪；逆转点定向

中图分类号：G64

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)09-0128-03

收稿日期：2014-02-17

基金项目：国家自然科学基金(41371423)；教育部-欧特克公司产学合作专业综合改革项目(测绘工程)；江苏省高等教育教学改革研究项目(2013JSJG272)

作者简介：陈国良(1977—)，男，博士，副教授，主要从事数字测绘、室内外无缝定位方面的教学和科研工作。E-mail:chglcumt@163.com

一、 引言

陀螺经纬仪是将陀螺特性与地球自转有机结合并安装在经纬仪上，实现测定真北方向，它不受时间和环境的限制，同时观测方法简单、效率高、精度高，克服了传统几何定向法需占用井筒，造成停产、耗费大量人力物力和时间的弊端，目前被广泛应用于国内各大矿山。然而，陀螺经纬仪由于造价非常高且极易损坏，生命周期短，往往令矿山企业特别是高校大学生无法高效应用。由于受经费的制约，各高校测绘实验室陀螺经纬仪的拥有量约5台左右，而测绘专业年均学生人数约60人，这就导致学生实际操作陀螺经纬仪仪器的时间得不到保障，难以满足陀螺经纬仪定向实验课的需求，实验实习效果不理想。

Flash作为当今因特网上最流行的动画作品制作工具，具有交互性、动画性等优点，形式多样，可以将影像、音乐、视频与声效等多媒体融合在一起，矢量图形使得地图画面质量高，不会随着缩放而改变清晰度，通过其ActionScript脚本和内置组件还可以非常方便地实现用户与动画的交互[1]。因此，利用Flash技术来模拟陀螺经纬仪逆转点定向是完全可行的。

二、逆转点法精密定向的原理[2-3]

1) 严格整置经纬仪，架上陀螺仪，以一个测回测定待定或已知测线的方向值，然后将仪器大致对正北方。

2) 锁紧摆动系统，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，进行粗略定向。制动陀螺并托起锁紧，将望远镜视准轴转到近似北方位置，固定照准部。把水平微动螺旋调整到行程范围的中间位置。

3) 打开陀螺照明，下放陀螺灵敏部，进行测前悬待零位观测，同时用秒表记录自摆周期T3。零位观测完毕，托起并锁紧灵敏部。

4) 启动陀螺马达，达到额定转速后，缓慢地下放灵敏部到半脱离位置，稍停数秒钟，再全部下放。如果光标像移动过快，再使用半脱离阻尼限幅，使摆幅在1°~ 3°范围为宜。用水平微动螺旋微动照准部，让光标像与分划板零刻划线随时重合，即跟踪。

5) 测后零位观测，方法同测前零位观测。

6) 以一测回测定待定或已知测线的方向值，取测前测后两测回的平均值作为测线方向值，如图1所示。

图1　JT-15型陀螺经纬仪的反射光学系统结构图

三、Flash模拟逆转点精密定向方法

Flash中采用了矢量作图技术，各元素均为矢量，因此只用少量的数据就可以描述一个复杂的对象，从而大大减少动画文件的大小。Flash动画的最大优点是具有交互性，用户可以通过使用键盘、鼠标等工具，对图像各个部分元件协同操作。

1. 测前零位

对测前零位的模拟只需控制摆线在陀螺视窗中运动(如图2所示)，摆线在窗口中摆动应满足由a—c速度渐快，而由c—b速度渐慢，在c点速度达到最大。对于摆线的移动可在Flash中先为摆线设置运动引导层，定制摆线移动的轨迹，在不同的时间轴为摆线添加关键帧。由于在关键帧上改变摆线位置的同时需要为关键帧添加运动渐变，因此，在插入关键帧的过程中时间轴间隔应是不同的，如在图2所示的a—c区间中，时间轴的间隔应越来越小，这样可以实现摆线速度的逐渐增大，模拟陀螺经纬仪测前零位摆线的实际运动现象。Flash中实现测前零位效果如图3所示。

图2　摆线设计

图3　Flash测前零位观测窗口

2. 逆转点读数

逆转点读数是用水平微动螺旋微调照准部，让光标像与分划板零刻度线重合。在用Flash模拟逆转点读数的过程中，需要响应计算机键盘事件，用键盘的左右键分别来模拟调节水平微动螺旋的左右旋转。在响应键盘事件的同时，陀螺仪视窗与经纬仪读数窗口都应随着水平微动螺旋的旋转而变化。为了使模拟更具真实性，在Flash中加入陀螺仪图片，并在微动螺旋上绘制手形，当左右键盘按下时，图中的手形可根据按键的不同向左或向右旋转，使模拟效果更加逼真，如图4所示。

图4　Flash模拟逆转点定向

3. 测后零位

测后零位同测前零位，如图5所示。

图5　测后零位观测

四、关键技术

在使用Flash模拟精密定向过程中，为了使模拟能最大限度与实际情况一致，需要解决以下几个方面的问题。

1. 陀螺摆线的设计

摆线在模拟过程中作为单独一个元件来设计，在摆线的摆动过程中，如果跟踪不及时就可能导致摆线在陀螺视窗中丢失。为了模拟陀螺视窗摆线摆动过程，可以在Flash ActionScript脚本中判断摆线实例的位置与陀螺视窗实例的位置关系，当摆线位置超出陀螺仪视窗的位置则应使摆线隐藏，当摆线重新进入陀螺仪窗口时再使摆线重新显示。同时为了跟踪更加及时，可以在摆线到达摆幅最高点运动停止时给出提示，这样可以方便学员使用。具体实现方法是在Flash中设置一个动态文本框，为文本框设置变量，根据摆线的位置文本框显示不同的内容，这样可以使跟踪更加人性化，使教学更有效果(如图3和图5中的数字文本框)。实现代码如下：

onClipEvent(enterFrame){

if(this._x<=_parent.window._x-125 || this._x>=_parent.window._x+125){

this._visible=false;

_parent.waring="注意：丢失对摆线的跟踪！！"

}

if(this._x>_parent.window._x-125 && this._x<_parent.window._x+125){

this._visible=true;

_parent.waring=""

}

}

其中，this._x为摆线的位置；_parent.window._x为陀螺仪视窗的中心位置。

2. 键盘事件

在实现响应键盘事件时，应当为陀螺视窗、经纬仪读数窗同时添加响应键盘的事件，使得按下计算机键盘后陀螺窗口的零刻度线跟踪摆线，同时经纬仪的读数也随之不断改变。此处的难点在于如何确定陀螺仪窗口与经纬仪读数窗刻度的移动，使其与实际情况符合，这需要在制作过程中不断地进行模拟试验，确定较好的移动步长。实现代码如下：

onClipEvent(enterFrame){

if(this._x>=290.1)

{

step=0;

sleep++;

_parent.direction="摆线转向，请向左跟踪";

if((sleep %50)-47>1)

{

step=-0.1;

sleep=0;

}

}

if(this._x<=180.5){

step=0;

sleep++;

_parent.direction="摆线转向，请向右跟踪";

if((sleep %50)-47>1)

{

step=0.1;

sleep=0;

}

this._x=this._x+step;

}

}

3. 读数精度

经纬仪是比较精密的仪器，其读数精度要求到秒级，因此在Flash模拟定向过程中精度是一个很大的问题，在陀螺经纬仪逆转点定向Flash模拟实现过程中误差主要来自以下几个方面。

(1) 经纬仪刻度误差

经纬仪的刻度是十分精密的，Flash制作经纬仪刻度时一定要保证相邻刻度之间是等距的，从而保证模拟定向的精度。

(2) 分化板误差

对于Flash制作经纬仪的分化板来说，它直接影响读数的精度，因此在制作过程中应保持分化刻度的准确性，保证分化的均匀性，才能提高读数精度。

(3) 摆线跟踪时产生的误差

由于在Flash模拟过程中摆线移动的实际单位距离小于一个像素，导致在计算机屏幕上显示的位置不一定是摆线的真实位置，从而给跟踪带来误差。

五、结束语

随着我国测绘行业的快速发展，陀螺经纬仪的使用越来越广泛,如何使初学者快速且熟练地掌握陀螺经纬仪的定向方法越来越受到高校的重视。基于Flash的陀螺经纬仪定向模拟平台不仅使学生通过计算机就可以模拟操作陀螺经纬仪定向，而且解决了昂贵设备损坏与学生操作锻炼的矛盾及昂贵仪器设备实习使用与损坏的难题。实践表明该试验平台大幅提高了陀螺经纬仪定向试验开出率和学生操作水平。

参考文献：

[1]刘欢. Flash ActionScript 3.0全站互动设计[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2]张国良，顾和和.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[3]万朋.下架式陀螺经纬仪逆转点观测方法探讨[J].测绘通报，2006(9)：31-33.