智能沙盤的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

東北大學(xué)通信與信息系統(tǒng)研究所 沙 毅 隋金坪 候淇濱 王志遠(yuǎn)

圖2.1 智能沙盤控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖2.2 智能沙盤——沙盤平面結(jié)構(gòu)效果圖

圖3.1 智能沙盤（樣機(jī)）控制方案圖

圖3.2 齒輪對齒與頂齒

1.引言

所謂沙盤，就是根據(jù)地形圖、航空照片或?qū)嵉氐匦?，按一定的比例關(guān)系，用泥沙、兵棋和其它材料堆制的模型。隨著電子地圖、地圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地理信息技術(shù)的發(fā)展，地理信息的表達(dá)方式已經(jīng)逐漸由二維擴(kuò)展到三維。一種應(yīng)用電子技術(shù)研制的智能沙盤已成可能。

目前，普通沙盤因其人工堆制而造成精度不高、制作周期長等缺點(diǎn)，且其只能對一塊地形或一個建筑群進(jìn)行模擬，要想再獲取其他地形地貌的信息，就必須另制沙盤。而電子沙盤因其立體感不強(qiáng)也沒有被廣泛接受。

圖3.3 使用外部中斷處理對齒情況代碼

圖3.4 控制算法具體框圖

基于以上原因，我們制作一個基于嵌入式操作系統(tǒng)的智能沙盤，智能沙盤的原理是利用步進(jìn)電機(jī)陣列的步進(jìn)電機(jī)升降桿托起沙盤平面，通過控制步進(jìn)電機(jī)升降桿的高低實(shí)現(xiàn)沙盤平面的地形起伏，以構(gòu)成各種各樣的沙盤地形。通過嵌入式控制系統(tǒng)模塊可以實(shí)現(xiàn)一個智能沙盤的重復(fù)利用。通過曲面擬合算法、曲面分割采點(diǎn)等算法對目標(biāo)地區(qū)相應(yīng)地理三維數(shù)據(jù)、地理信息進(jìn)行處理、整合，再結(jié)合嵌入式技術(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)從而模擬出目標(biāo)地區(qū)地形地貌。并同時顯示3D技術(shù)呈現(xiàn)效果圖進(jìn)行輔助。從制作工本上講，智能沙盤可以節(jié)約大量材料，從指揮操作上講，智能沙盤可使部隊(duì)在極短的時間內(nèi)得到目標(biāo)地區(qū)的地形地貌信息。

以下部分安排：第2部分研究智能沙盤的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，第3部分研究控制系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)，第4部分對所提出的智能沙盤控制方案進(jìn)行總結(jié)。

2.智能沙盤控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能沙盤控制系統(tǒng)硬件采取模塊化設(shè)計(jì)，這種方案可以讓硬件的功能模塊制作和安裝時相對獨(dú)立，而作為控制系統(tǒng)整合起來比較容易（見圖2.1）。

下面對各個功能模塊進(jìn)行說明：

（1）嵌入式控制系統(tǒng)：由電子觸摸屏、嵌入式ARM板、驅(qū)動電路、步進(jìn)電機(jī)等器件組成；具體是，將Linux系統(tǒng)植入ARM開發(fā)板中，并配以電子顯示屏，電子顯示屏可完成人與控制系統(tǒng)的對話，ARM板采用Linux系統(tǒng)完成對步進(jìn)電機(jī)的合理控制。該操作系統(tǒng)工作流程如下：ARM板通過接收上位機(jī)模塊的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)脈沖信號，由信號分配、功率放大驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，完成對沙盤平面的管理.同時，因我們對ARM板植入了Linux以及配備電子顯示屏，可以獨(dú)立PC機(jī)進(jìn)行電機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對操作的監(jiān)控功能。

（2）PC通信模塊：通信模塊主要完成于PC機(jī)與單片機(jī)之間的交互，根據(jù)上位機(jī)的控制命令對各路電機(jī)做出正確的控制，該模塊選用MAX232工作芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)RS232電路即可實(shí)現(xiàn)。

（3）手動控制步進(jìn)電機(jī)模塊：該模塊功能與上位機(jī)控制系統(tǒng)功能相輔相成，可獨(dú)立的完成對步進(jìn)電機(jī)的控制，主要應(yīng)用在智能沙盤控制系統(tǒng)無PC或PC串口不工作的時候，可以通過按鍵控制配合LCD顯示對步進(jìn)電機(jī)的動作進(jìn)行精確的控制，該模塊主要由四個功能按鍵組成，其作用分別是功能設(shè)定、參數(shù)增加、參數(shù)減小、發(fā)送控制命令。通過對這四個功能按鍵進(jìn)行相應(yīng)的操作即可完成對步進(jìn)電機(jī)的控制功能。

（4）LCD顯示模塊：因?yàn)橹悄苌潮P控制系統(tǒng)是兩套方案，一套是利用上位機(jī)通過發(fā)送控制命令對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，另一套方案是利用手動按鍵配合LCD顯示對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。所以，LCD模塊必不可少。本系統(tǒng)選用LCD1602模塊，該液晶顯示器共兩行，每行顯示16個字符。第一行用來顯示日期，第二行用來配合按鍵作系統(tǒng)控制顯示模塊。

（5）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊：步進(jìn)電機(jī)是靠微控制器產(chǎn)生脈沖來控制轉(zhuǎn)矩的，但是微控制器本身驅(qū)動電流較小，驅(qū)動不了電機(jī)繞組，要用驅(qū)動電路產(chǎn)生較大電流，才能驅(qū)動電機(jī)正常運(yùn)行工作，直接驅(qū)動會燒壞微控制器。

（6）沙盤平面模塊，由調(diào)型機(jī)械手、上升機(jī)構(gòu)等組成。具體地，驅(qū)動電路控制電機(jī)來驅(qū)動導(dǎo)軌，調(diào)型機(jī)械手隨著導(dǎo)軌而逐一運(yùn)動至每個上升機(jī)構(gòu)，通過與上升機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)螺桿的齒輪相嚙合，進(jìn)而調(diào)節(jié)螺桿的升降（見圖2.2）。

3.智能沙盤控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

如圖3.1，我們用16點(diǎn)式智能沙盤樣機(jī)研究控制方案。A點(diǎn)為調(diào)型機(jī)械手的出發(fā)點(diǎn)。而B～E，G～J，O～L，T～Q為四組固定在指定位置的升降機(jī)構(gòu)。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)X和Y兩個方向的運(yùn)動，機(jī)械手運(yùn)動到相應(yīng)位置，使其自帶小齒輪與升降機(jī)構(gòu)上的大齒輪正確嚙合，從而帶動螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降桿的升降就行了升降是通過齒輪傳動以及螺旋傳動來實(shí)現(xiàn)。升降桿沿Z方向運(yùn)動。

下面研究調(diào)型機(jī)械手與升降機(jī)構(gòu)齒輪相嚙合情況可分為兩類：即正常嚙合(圖3.2(2))、非正常嚙合(圖3.2(1))。為此，我們設(shè)計(jì)了檢錯裝置(代碼見圖3.3)。

當(dāng)發(fā)生非正常嚙合情況后，觸電開關(guān)會閉合，會向微控制器發(fā)出出錯脈沖，微控制器會做出如下調(diào)整：（1）步進(jìn)電機(jī)立即停止前進(jìn)，后退相應(yīng)距離。（2）步進(jìn)電機(jī)齒輪順時針旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度。（3）步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)，再次與升降桿齒輪進(jìn)行嚙合。

部分代碼摘錄如圖3.3，具體算法設(shè)計(jì)如圖3.4。

4.結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，智能沙盤將會用到更多領(lǐng)域，發(fā)揮更大的用途。今后的研究工作會繼續(xù)優(yōu)化智能沙盤控制系統(tǒng)，通過構(gòu)建真實(shí)的三維立體系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對真實(shí)環(huán)境或者物體的仿真和模擬，并在系統(tǒng)中模擬和演練世界中事物變化的過程，為決策者提供更好的支持。可以智能電子沙盤的應(yīng)用前景將會越來越廣闊。

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