基于Flash的陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向教學(xué)模擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

陳國(guó)良，顧和和，汪云甲，陳小偉，張書畢

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

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

基于Flash的陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向教學(xué)模擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

陳國(guó)良，顧和和，汪云甲，陳小偉，張書畢

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 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：礦山測(cè)量陀螺經(jīng)緯儀定向?qū)嶒?yàn)教學(xué)時(shí)由于儀器昂貴和極易損壞，不利于在實(shí)際的教學(xué)中大范圍推廣使用。針對(duì)以上弊端，本文應(yīng)用 Flash腳本編譯環(huán)境，開發(fā)了交互功能靈活、符合測(cè)繪專業(yè)大學(xué)生認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)規(guī)律的陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向模擬系統(tǒng)，為初學(xué)者提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

引文格式： 陳國(guó)良，顧和和，汪云甲，等. 基于Flash的陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向教學(xué)模擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(9)：128-130.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0298

關(guān)鍵詞：Flash；陀螺經(jīng)緯儀；逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向

中圖分類號(hào)：G64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)09-0128-03

收稿日期：2014-02-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41371423)；教育部-歐特克公司產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項(xiàng)目(測(cè)繪工程)；江蘇省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2013JSJG272)

作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)良(1977—)，男，博士，副教授，主要從事數(shù)字測(cè)繪、室內(nèi)外無縫定位方面的教學(xué)和科研工作。E-mail:chglcumt@163.com

一、 引言

陀螺經(jīng)緯儀是將陀螺特性與地球自轉(zhuǎn)有機(jī)結(jié)合并安裝在經(jīng)緯儀上，實(shí)現(xiàn)測(cè)定真北方向，它不受時(shí)間和環(huán)境的限制，同時(shí)觀測(cè)方法簡(jiǎn)單、效率高、精度高，克服了傳統(tǒng)幾何定向法需占用井筒，造成停產(chǎn)、耗費(fèi)大量人力物力和時(shí)間的弊端，目前被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大礦山。然而，陀螺經(jīng)緯儀由于造價(jià)非常高且極易損壞，生命周期短，往往令礦山企業(yè)特別是高校大學(xué)生無法高效應(yīng)用。由于受經(jīng)費(fèi)的制約，各高校測(cè)繪實(shí)驗(yàn)室陀螺經(jīng)緯儀的擁有量約5臺(tái)左右，而測(cè)繪專業(yè)年均學(xué)生人數(shù)約60人，這就導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際操作陀螺經(jīng)緯儀儀器的時(shí)間得不到保障，難以滿足陀螺經(jīng)緯儀定向?qū)嶒?yàn)課的需求，實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)效果不理想。

Flash作為當(dāng)今因特網(wǎng)上最流行的動(dòng)畫作品制作工具，具有交互性、動(dòng)畫性等優(yōu)點(diǎn)，形式多樣，可以將影像、音樂、視頻與聲效等多媒體融合在一起，矢量圖形使得地圖畫面質(zhì)量高，不會(huì)隨著縮放而改變清晰度，通過其ActionScript腳本和內(nèi)置組件還可以非常方便地實(shí)現(xiàn)用戶與動(dòng)畫的交互[1]。因此，利用Flash技術(shù)來模擬陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向是完全可行的。

二、逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法精密定向的原理[2-3]

1) 嚴(yán)格整置經(jīng)緯儀，架上陀螺儀，以一個(gè)測(cè)回測(cè)定待定或已知測(cè)線的方向值，然后將儀器大致對(duì)正北方。

2) 鎖緊擺動(dòng)系統(tǒng)，啟動(dòng)陀螺馬達(dá)，待達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，下放陀螺靈敏部，進(jìn)行粗略定向。制動(dòng)陀螺并托起鎖緊，將望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸轉(zhuǎn)到近似北方位置，固定照準(zhǔn)部。把水平微動(dòng)螺旋調(diào)整到行程范圍的中間位置。

3) 打開陀螺照明，下放陀螺靈敏部，進(jìn)行測(cè)前懸待零位觀測(cè)，同時(shí)用秒表記錄自擺周期T3。零位觀測(cè)完畢，托起并鎖緊靈敏部。

4) 啟動(dòng)陀螺馬達(dá)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，緩慢地下放靈敏部到半脫離位置，稍停數(shù)秒鐘，再全部下放。如果光標(biāo)像移動(dòng)過快，再使用半脫離阻尼限幅，使擺幅在1°~ 3°范圍為宜。用水平微動(dòng)螺旋微動(dòng)照準(zhǔn)部，讓光標(biāo)像與分劃板零刻劃線隨時(shí)重合，即跟蹤。

5) 測(cè)后零位觀測(cè)，方法同測(cè)前零位觀測(cè)。

6) 以一測(cè)回測(cè)定待定或已知測(cè)線的方向值，取測(cè)前測(cè)后兩測(cè)回的平均值作為測(cè)線方向值，如圖1所示。

圖1　JT-15型陀螺經(jīng)緯儀的反射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、Flash模擬逆轉(zhuǎn)點(diǎn)精密定向方法

Flash中采用了矢量作圖技術(shù)，各元素均為矢量，因此只用少量的數(shù)據(jù)就可以描述一個(gè)復(fù)雜的對(duì)象，從而大大減少動(dòng)畫文件的大小。Flash動(dòng)畫的最大優(yōu)點(diǎn)是具有交互性，用戶可以通過使用鍵盤、鼠標(biāo)等工具，對(duì)圖像各個(gè)部分元件協(xié)同操作。

1. 測(cè)前零位

對(duì)測(cè)前零位的模擬只需控制擺線在陀螺視窗中運(yùn)動(dòng)(如圖2所示)，擺線在窗口中擺動(dòng)應(yīng)滿足由a—c速度漸快，而由c—b速度漸慢，在c點(diǎn)速度達(dá)到最大。對(duì)于擺線的移動(dòng)可在Flash中先為擺線設(shè)置運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)層，定制擺線移動(dòng)的軌跡，在不同的時(shí)間軸為擺線添加關(guān)鍵幀。由于在關(guān)鍵幀上改變擺線位置的同時(shí)需要為關(guān)鍵幀添加運(yùn)動(dòng)漸變，因此，在插入關(guān)鍵幀的過程中時(shí)間軸間隔應(yīng)是不同的，如在圖2所示的a—c區(qū)間中，時(shí)間軸的間隔應(yīng)越來越小，這樣可以實(shí)現(xiàn)擺線速度的逐漸增大，模擬陀螺經(jīng)緯儀測(cè)前零位擺線的實(shí)際運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。Flash中實(shí)現(xiàn)測(cè)前零位效果如圖3所示。

圖2　擺線設(shè)計(jì)

圖3　Flash測(cè)前零位觀測(cè)窗口

2. 逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)

逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)是用水平微動(dòng)螺旋微調(diào)照準(zhǔn)部，讓光標(biāo)像與分劃板零刻度線重合。在用Flash模擬逆轉(zhuǎn)點(diǎn)讀數(shù)的過程中，需要響應(yīng)計(jì)算機(jī)鍵盤事件，用鍵盤的左右鍵分別來模擬調(diào)節(jié)水平微動(dòng)螺旋的左右旋轉(zhuǎn)。在響應(yīng)鍵盤事件的同時(shí)，陀螺儀視窗與經(jīng)緯儀讀數(shù)窗口都應(yīng)隨著水平微動(dòng)螺旋的旋轉(zhuǎn)而變化。為了使模擬更具真實(shí)性，在Flash中加入陀螺儀圖片，并在微動(dòng)螺旋上繪制手形，當(dāng)左右鍵盤按下時(shí)，圖中的手形可根據(jù)按鍵的不同向左或向右旋轉(zhuǎn)，使模擬效果更加逼真，如圖4所示。

圖4　Flash模擬逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向

3. 測(cè)后零位

測(cè)后零位同測(cè)前零位，如圖5所示。

圖5　測(cè)后零位觀測(cè)

四、關(guān)鍵技術(shù)

在使用Flash模擬精密定向過程中，為了使模擬能最大限度與實(shí)際情況一致，需要解決以下幾個(gè)方面的問題。

1. 陀螺擺線的設(shè)計(jì)

擺線在模擬過程中作為單獨(dú)一個(gè)元件來設(shè)計(jì)，在擺線的擺動(dòng)過程中，如果跟蹤不及時(shí)就可能導(dǎo)致擺線在陀螺視窗中丟失。為了模擬陀螺視窗擺線擺動(dòng)過程，可以在Flash ActionScript腳本中判斷擺線實(shí)例的位置與陀螺視窗實(shí)例的位置關(guān)系，當(dāng)擺線位置超出陀螺儀視窗的位置則應(yīng)使擺線隱藏，當(dāng)擺線重新進(jìn)入陀螺儀窗口時(shí)再使擺線重新顯示。同時(shí)為了跟蹤更加及時(shí)，可以在擺線到達(dá)擺幅最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)給出提示，這樣可以方便學(xué)員使用。具體實(shí)現(xiàn)方法是在Flash中設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)文本框，為文本框設(shè)置變量，根據(jù)擺線的位置文本框顯示不同的內(nèi)容，這樣可以使跟蹤更加人性化，使教學(xué)更有效果(如圖3和圖5中的數(shù)字文本框)。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

onClipEvent(enterFrame){

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

this._visible=false;

_parent.waring="注意：丟失對(duì)擺線的跟蹤！！"

}

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

this._visible=true;

_parent.waring=""

}

}

其中，this._x為擺線的位置；_parent.window._x為陀螺儀視窗的中心位置。

2. 鍵盤事件

在實(shí)現(xiàn)響應(yīng)鍵盤事件時(shí)，應(yīng)當(dāng)為陀螺視窗、經(jīng)緯儀讀數(shù)窗同時(shí)添加響應(yīng)鍵盤的事件，使得按下計(jì)算機(jī)鍵盤后陀螺窗口的零刻度線跟蹤擺線，同時(shí)經(jīng)緯儀的讀數(shù)也隨之不斷改變。此處的難點(diǎn)在于如何確定陀螺儀窗口與經(jīng)緯儀讀數(shù)窗刻度的移動(dòng)，使其與實(shí)際情況符合，這需要在制作過程中不斷地進(jìn)行模擬試驗(yàn)，確定較好的移動(dòng)步長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

onClipEvent(enterFrame){

if(this._x>=290.1)

{

step=0;

sleep++;

_parent.direction="擺線轉(zhuǎn)向，請(qǐng)向左跟蹤";

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

{

step=-0.1;

sleep=0;

}

}

if(this._x<=180.5){

step=0;

sleep++;

_parent.direction="擺線轉(zhuǎn)向，請(qǐng)向右跟蹤";

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

{

step=0.1;

sleep=0;

}

this._x=this._x+step;

}

}

3. 讀數(shù)精度

經(jīng)緯儀是比較精密的儀器，其讀數(shù)精度要求到秒級(jí)，因此在Flash模擬定向過程中精度是一個(gè)很大的問題，在陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)定向Flash模擬實(shí)現(xiàn)過程中誤差主要來自以下幾個(gè)方面。

(1) 經(jīng)緯儀刻度誤差

經(jīng)緯儀的刻度是十分精密的，F(xiàn)lash制作經(jīng)緯儀刻度時(shí)一定要保證相鄰刻度之間是等距的，從而保證模擬定向的精度。

(2) 分化板誤差

對(duì)于Flash制作經(jīng)緯儀的分化板來說，它直接影響讀數(shù)的精度，因此在制作過程中應(yīng)保持分化刻度的準(zhǔn)確性，保證分化的均勻性，才能提高讀數(shù)精度。

(3) 擺線跟蹤時(shí)產(chǎn)生的誤差

由于在Flash模擬過程中擺線移動(dòng)的實(shí)際單位距離小于一個(gè)像素，導(dǎo)致在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的位置不一定是擺線的真實(shí)位置，從而給跟蹤帶來誤差。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)測(cè)繪行業(yè)的快速發(fā)展，陀螺經(jīng)緯儀的使用越來越廣泛,如何使初學(xué)者快速且熟練地掌握陀螺經(jīng)緯儀的定向方法越來越受到高校的重視。基于Flash的陀螺經(jīng)緯儀定向模擬平臺(tái)不僅使學(xué)生通過計(jì)算機(jī)就可以模擬操作陀螺經(jīng)緯儀定向，而且解決了昂貴設(shè)備損壞與學(xué)生操作鍛煉的矛盾及昂貴儀器設(shè)備實(shí)習(xí)使用與損壞的難題。實(shí)踐表明該試驗(yàn)平臺(tái)大幅提高了陀螺經(jīng)緯儀定向試驗(yàn)開出率和學(xué)生操作水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉歡. Flash ActionScript 3.0全站互動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2]張國(guó)良，顧和和.礦山測(cè)量學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]萬(wàn)朋.下架式陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點(diǎn)觀測(cè)方法探討[J].測(cè)繪通報(bào)，2006(9)：31-33.