CN110660307B - 一种实体三维数字沙盘驱动装置及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实体三维数字沙盘驱动装置，包括m*n个长方体立柱组成的阵列以及用于驱动各个长方体立柱升降运动的驱动机构；长方体立柱的底部安装有丝杠，通过丝杠转动驱动长方体立柱升降，丝杠的底端带有接口；驱动机构包括机械手臂、设置在机械手臂上的电机、以及安装在电机输出轴上的能够与丝杠底端接口对接的接头；通过机械手臂带动电机和接头调整位置，以使电机上的接头能够插入或者脱离指定长方体立柱的丝杠底端的接口，并在电机的转动驱动下控制相应的长方体立柱进行升降；每一个长方体立柱都能够根据要求在驱动机构的作用下上升或者下降一定的高度，使长方体立柱阵列拼接成一定区域的地形样貌，达到了显示的效果。
Description
技术领域
本发明属于沙盘装置技术领域，具体涉及一种实体三维数字沙盘驱动装置及其控制系统。
背景技术
随着社会经济水平的发展，人们对于视觉感官的要求越来越高，如何以更直观、更生动的方式展现图像，已成为当下的重要的研究课题。目前国内外中，对于地理信息显示这一方面，通常的显示手段仅是将图像、影视等作品通过显示器屏幕、投影仪投影等呈现出来，观众只能在屏幕或者电视机中观看到图像。
这种平面展示方式天然存在着不足：
1.与三维立体信息相比，平面信息。
2.缺乏直观、形象的视觉感受，无法凸显地形或者图像的直观立体感。
3.平面信息无法做到全方位、多角度地描述地形或者图像的三维特性，不能详细地展示图像特征。
相比而言，沙盘具有立体感强、形象直观、制作简便、经济实用等特点。目前，实物沙盘已经广泛应用于军事、教学、旅游、房地产等许多领域。在沙盘的分类中，既有军事中用的军事沙盘，也有模拟地形的地形沙盘，并且在建筑楼房中也有建筑沙盘。另外，在结合了现代化，多媒体技术以后，有了更直观形象的现代化沙盘，我们称之为电子沙盘。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实体三维数字沙盘驱动装置及其控制系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种实体三维数字沙盘驱动装置，包括m*n个长方体立柱组成的阵列以及用于驱动各个长方体立柱升降运动的驱动机构；
所述长方体立柱的底部安装有丝杠，通过丝杠转动驱动长方体立柱升降，丝杠的底端带有接口；
所述驱动机构包括机械手臂、设置在机械手臂上的电机、以及安装在电机输出轴上的能够与丝杠底端接口对接的接头；通过机械手臂带动电机和接头调整位置，以使电机上的接头能够插入或者脱离指定长方体立柱的丝杠底端的接口，并在电机的转动驱动下控制相应的长方体立柱进行升降；
每一个长方体立柱都能够根据要求在驱动机构的作用下上升或者下降一定的高度，使长方体立柱阵列拼接成一定区域的地形样貌，达到了显示的效果。
在上述技术方案中，所述机械手臂至少为三自由度机械手臂，能够在X、Y、Z三个方向上运动，机械手臂通过在X和Y方向上运动来调节电机在长方体立柱阵列底面的水平面位置，通过在Z方向上运动来调节电机在竖直方向位置，以使电机上的接头能够插入或者脱离丝杠底端的接口；当接头准确与接口对接后，电机启动，控制相应的长方体立柱进行升降。
在上述技术方案中，长方体立柱分为上下两部分，上面部分带LED称为灯柱，灯柱是可拆卸的安装在长方体立柱的下面部分上的，这样易于更换维护。
一种用于上述实体三维数字沙盘驱动装置的控制系统，该控制系统包括上位机(PC)、主控制器和行程开关；
主控制器选用双串口单片机STC12C60S2，单片机STC12C60S2的串口1，用于上位机和单片机之间传输信息；单片机STC12C60S2的串口2和机械手臂连接，M1、M2、M3、ENABLE连接电机；工作原理是上位机通过串口1发送命令，经过单片机解析后，再通过串口2发送给机械手臂，控制机械手臂移动定位到指定的长方体立柱下，然后使电机转动丝杠，使长方体立柱上升到相应的高度。
在每个长方体立柱垂直向下的方向上设置了一个行程开关，行程开关被触发后信号首先经过CD4069UBC芯片，其作用是将输入芯片的电平进行反转输出，高电平变低电平，低电平变高电平；输出信号进入74LS74芯片的CLR端；当时钟输入端出现上升沿信号即外部行程开关触发后，数据输出端输出低电平，然后连接HD74Hc21双路4输入与门芯片，其含有两路4输入与门，每路包括4个输入引脚和一个输出引脚，输入端初始化时为高电平，当任意一个输入端为低电平时则输出端有高电平变低电平，输出连接单片机STC12C60S2的NETP3.4产生中断，再由单片机STC12C60S2通过NETP0.3引脚置位芯片74LS74的PR端为低电平进行复位，触发处中断后单片机STC12C60S2读取移位寄存器芯片SN74HC165n的值。
本发明的优点和有益效果为：
本发明结合嵌入式系统的思想，通过控制数字沙盘模块，显示想要的地形或图像。相比平面显示，三维显示可以多角度、全方位的展示想要的地理信息，充分体现区位特点。其次，三维数字沙盘充分发挥了实体沙盘形象直观的特点，使其展示的内容更加直观生动。
三维数字沙盘模型所具有的3D特性能够更形象、更逼真、更直观的展示地理环境的形状、高度、相对落差等特点。故，沙盘的三维特性在地形和图像展示方面具有独特的优势。当发生重大灾情时，三维数字沙盘能够以实物模型的方式呈现路况、山体特点，为灾情的救援工作提供有效的帮助；同时，三维数字沙盘能够根据三维坐标，展现平原、高地、行军路线等实物模型，为国家的国防军事作出贡献；其次，在城市建设方面，三维数字沙盘能够直观的展示城市的街道、居民区、中心商业街等，为城市的规划与建设提供极大帮助；在旅游景点展示与安全方面，三维数字沙盘能够很好的展示出景区的全貌，让游客直观的感受到景区的整体的同时也意识到危险地带，既避免了古人“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的无可奈何，也提高了游客的安全意识。
附图说明
附图1为实体三维数字沙盘驱动装置的结构示意图。
附图2为实体三维数字沙盘驱动装置中的单根长方体立柱的结构示意图。
附图3为实体三维数字沙盘驱动装置的控制系统的结构示意图。
附图4为主控制器电路图。
附图5为行程开关触发电路图。
附图6为行程开关保护模块电路图。
附图7为主控制器运行流程图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
参见附图1-2，一种实体三维数字沙盘驱动装置，包括m*n个长方体立柱1组成的阵列以及用于驱动各个长方体立柱1升降运动的驱动机构2。
每一个长方体立柱1都可以根据要求上升或者下降一定的高度，这样根据要求所上升到一定高度的长方体立柱阵列就可以拼接成一定区域的地形样貌，达到了显示的效果。
所述长方体立柱1的底部安装有丝杠3，通过丝杠转动驱动长方体立柱升降，即，长方体立柱的底部具有内螺纹通道，该内螺纹通道中配合安装有丝杠，丝杠转动时通过螺纹驱动长方体立柱升降(需要说明的是：由于各个长方体立柱之间是紧密接触排布的，所以丝杠转动时长方体立柱自身不会发生转动，只能做升降运动)；每个丝杠的底端均带接口4。
所述驱动机构2包括机械手臂2-1、设置在机械手臂上的电机2-2、以及安装在电机输出轴上的能够与丝杠底端接口对接的接头2-3。所述机械手臂至少为三自由度机械手臂，能够在X、Y、Z三个方向上运动，机械手臂通过在X和Y方向上运动来调节电机在长方体立柱阵列底面的水平面位置，通过在Z方向上运动来调节电机在竖直方向位置，以使电机上的接头能够插入或者脱离丝杠底端的接口；当接头准确与接口对接后，电机启动，控制相应的长方体立柱进行升降。
进一步的说，长方体立柱1分为上下两部分，上面部分带LED称为灯柱，灯柱是可拆卸的安装在长方体立柱1的下面部分上的，这样易于更换维护。
实施例二
在实施例一的基础上，参见附图3-6，本实施例提供一种用于上述实体三维数字沙盘驱动装置的控制系统，该控制系统包括上位机(PC)、主控制器和行程开关电路模块。
主控制器选用相对廉价的双串口单片机STC12C60S2，如图4所示，其NETP3.4脚与行程开关连接，用于接收行程开关的中断信号；单片机STC12C60S2的串口1，用于上位机和单片机之间传输信息；单片机STC12C60S2的串口2(RxD2和TxD2)和机械手臂连接，M1、M2、M3、ENABLE连接电机；工作原理是上位机通过串口1发送命令，经过单片机解析后，再通过串口2发送给机械手臂，控制机械手臂移动定位到指定的长方体立柱下，然后使电机转动丝杠，使长方体立柱上升到相应的高度。
在每个长方体立柱垂直向下的方向上设置了一个行程开关的触点，行程开关不仅仅是起到保护作用，在长方体立柱的校正高度的过程也需要用到。附图5-6是行程开关的电路图(触发行程开关时候output输出低电平)，行程开关保护模块：行程开关被触发后信号首先经过CD4069UBC芯片，其作用是将输入芯片的电平进行反转输出，高电平变低电平，低电平变高电平；输出信号进入74LS74芯片的CLR端；74LS74为双D触发器芯片，每个触发器有数据输入(D)，置位输入(PR)，复位输入(CLR)，时钟输入(CLK)和数据输出(Q)；PR初始化时为高电平，复位引脚CLR与5V连接为高电平，时钟输入端CLK连接反相器，数据输入端(D)连接地纸低电平，当时钟输入端出现上升沿信号即外部行程开关触发后，数据输出端输出低电平，然后连接HD74Hc21双路4输入与门芯片，其含有两路4输入与门，每路包括4个输入引脚和一个输出引脚，输入端初始化时为高电平，当任意一个输入端为低电平时则输出端有高电平变低电平，输出连接单片机STC12C60S2的NETP3.4产生中断。再由单片机STC12C60S2通过NETP0.3引脚置位芯片74LS74的PR端为低电平进行复位。触发处中断后单片机STC12C60S2读取移位寄存器芯片SN74HC165n的值。(SH/LD置低电平，此时并行数据加载，加载完成后SH/LD置高电平，之后在时钟脉冲信号CLK的控制下，数据通过QH口串行输出。)
在附图6中的SN74HC615n作用是为了记录行程开关的状态，图5和图6只展示整个三位沙盘中的一部分电路图，随着三维沙盘中长方体立柱的扩展，只需按照图5和图6的电路图进行扩展即可。步进电机选用的是42步进电机，步进电机驱动器使用的是力川公司生产的MC542EDC20型号，该型号为大功率、高细分，两相混合式步进电机驱动芯片，多种细分可选。
实施例三
在实施例二的基础上，本实施例提供一种用于上述实体三维数字沙盘驱动装置的软件控制方法：
首先，构建机械手臂合理的移动路线；其次对于步进电机转动过程中，由于出错而产生的中断进行判断并标记；再次，根据出错标记信息，设计合理的恢复策略，对出错的部分进行修正或重新加载操作；最后，针对每次移动可能带出现的误差，设计全体长方体恢复初始化，增强标准模块的健壮性和稳定性，附图7所示中央控制器主控单元的软件运行流程图，主要内容如下：
1、移动方式制定：移动方式中，一方面，机械手臂控制长方体立柱的移动顺序，呈“S”形移动，此移动方式有利于节省机械手臂的移动距离，使其快速的移动长方体立柱；另一方面，对于长方体立柱在垂直方向的移动，本发明设计了两套移动机制：
已知需要移动的目标高度和长方体立柱的当前高度，则采用基于目标高度与当前高度比较的移动方式。若目标高度(m)高于当前长方体立柱高度(n)，则只需将该柱向上移动相对高度(m-n)即可；反之，则需将该柱下拉(n-m)即可；
已知长方体立柱需要移动的目标高度，而不知当前高度，则采用置顶下拉方式移动：先将长方体立柱顶至上顶点，然后下拉相对高度差即可。
2、行程保护策略：为提高行程的稳定性，本发明针对行程溢出情况，设计了一套相应的判断策略，具体描述如下：
当主控制器检测到机械模型长方体立柱位于垂直方向的底端行程开关被触发，而引发单片机外部中断，表明机械装置出现了非常正常的移动，立即停止步进电机转动，转而执行恢复初始化程序。
3、行程出错修正及恢复策略：该过程位于单片机主函数中，机械装置每进行一次移动，都有可能出现细微的误差，因为设置了行程修正程序策略，具体内容如下：
长方体立柱在垂直方向上的移动靠的是内置的丝杠转动带动长方体立柱移动，因此每一次移动都会产生微小的误差；主程序设置每经过10次大循环就执行一次长方体立柱全体恢复初始化。
4、考虑到实际环境中的突发性断电情况，如果遇到突然断电的情况，所有长方体立柱恢复到初始状态，然后从第一根长方体立柱开始移动。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种实体三维数字沙盘驱动装置，其特征在于：包括m*n个长方体立柱组成的阵列以及用于驱动各个长方体立柱升降运动的驱动机构；
所述长方体立柱的底部安装有丝杠，通过丝杠转动驱动长方体立柱升降，丝杠的底端带有接口；
所述驱动机构包括机械手臂、设置在机械手臂上的电机、以及安装在电机输出轴上的能够与丝杠底端接口对接的接头；通过机械手臂带动电机和接头调整位置，以使电机上的接头能够插入或者脱离指定长方体立柱的丝杠底端的接口，并在电机的转动驱动下控制相应的长方体立柱进行升降；
每一个长方体立柱都能够根据要求在驱动机构的作用下上升或者下降一定的高度，使长方体立柱阵列拼接成一定区域的地形样貌，达到了显示的效果；
所述机械手臂至少为三自由度机械手臂，能够在X、Y、Z三个方向上运动，机械手臂通过在X和Y方向上运动来调节电机在长方体立柱阵列底面的水平面位置，通过在Z方向上运动来调节电机在竖直方向位置，以使电机上的接头能够插入或者脱离丝杠底端的接口；当接头准确与接口对接后，电机启动，控制相应的长方体立柱进行升降。
2.根据权利要求1所述的实体三维数字沙盘驱动装置，其特征在于：长方体立柱分为上下两部分，上面部分带LED称为灯柱，灯柱是可拆卸的安装在长方体立柱的下面部分上的。
3.一种用于权利要求1所述的实体三维数字沙盘驱动装置的控制系统，该控制系统包括上位机、主控制器和行程开关；
主控制器选用双串口单片机STC12C60S2，单片机STC12C60S2的串口1，用于上位机和单片机之间传输信息；单片机STC12C60S2的串口2和机械手臂连接，单片机STC12C60S2引脚P2.7/A15连接电机M1端，单片机STC12C60S2引脚P2.6/A14连接电机M2端，单片机STC12C60S2引脚P2.5/A13连接电机M3端，单片机STC12C60S2引脚P2.4/A12连接电机ENABLE端；工作原理是上位机通过串口1发送命令，经过单片机解析后，再通过串口2发送给机械手臂，控制机械手臂移动定位到指定的长方体立柱下，然后使电机转动丝杠，使长方体立柱上升到相应的高度；
在每个长方体立柱垂直向下的方向上设置了一个行程开关，行程开关被触发后信号首先经过CD4069UBC芯片，其作用是将输入芯片的电平进行反转输出，高电平变低电平，低电平变高电平；输出信号进入74LS74芯片的CLR1端和CLR2端；当时钟输入端出现上升沿信号即外部行程开关触发后，数据输出端输出低电平，然后连接HD74Hc21双路4输入与门芯片，其含有两路4输入与门，每路包括4个输入引脚和一个输出引脚，输入端初始化时为高电平，当任意一个输入端为低电平时则输出端有高电平变低电平，输出连接单片机STC12C60S2的NETP3.4产生中断，再由单片机STC12C60S2通过NETP0.3引脚置位芯片74LS74的PR1端和PR2端为低电平进行复位，触发处中断后单片机STC12C60S2读取移位寄存器芯片SN74HC165n的值。
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Effective date of registration: 20221129 Address after: Room 202, 2/F, Building 9, Building 32, Polar Plaza, Binhai New Area Pilot Free Trade Zone (Central Business District), 300000 Tianjin (Junren Commercial Secretary (Tianjin) Co., Ltd. Trusteeship No. JR2020-562) Patentee after: Tianjin Zhijing Technology Co.,Ltd. Address before: 300461 room 214, building 3, No. 48, Jialingjiang Road, Lingang Economic Zone, Binhai New Area, Tianjin Patentee before: TJU BINHAI INDUSTRIAL RESEARCH INSTITUTE CO.,LTD. |
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Effective date of registration: 20240402 Address after: 300000 second and third floors of building 3, No. 2 Hongsheng Road, Huaming high tech Industrial Zone, Dongli District, Tianjin Patentee after: Tianjin hongjulong Rail Transit Equipment Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 202, 2/F, Building 9, Building 32, Polar Plaza, Binhai New Area Pilot Free Trade Zone (Central Business District), 300000 Tianjin (Junren Commercial Secretary (Tianjin) Co., Ltd. Trusteeship No. JR2020-562) Patentee before: Tianjin Zhijing Technology Co.,Ltd. Country or region before: China |