智能沙盤的控制系統設計與實現

東北大學通信與信息系統研究所 沙 毅 隋金坪 候淇濱 王志遠

圖2.1 智能沙盤控制系統總體設計

圖2.2 智能沙盤——沙盤平面結構效果圖

圖3.1 智能沙盤（樣機）控制方案圖

圖3.2 齒輪對齒與頂齒

1.引言

所謂沙盤，就是根據地形圖、航空照片或實地地形，按一定的比例關系，用泥沙、兵棋和其它材料堆制的模型。隨著電子地圖、地圖數據庫技術、地理信息技術的發展，地理信息的表達方式已經逐漸由二維擴展到三維。一種應用電子技術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，且其只能對一塊地形或一個建筑群進行模擬，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的智能沙盤，智能沙盤的原理是利用步進電機陣列的步進電機升降桿托起沙盤平面，通過控制步進電機升降桿的高低實現沙盤平面的地形起伏，以構成各種各樣的沙盤地形。通過嵌入式控制系統模塊可以實現一個智能沙盤的重復利用。通過曲面擬合算法、曲面分割采點等算法對目標地區相應地理三維數據、地理信息進行處理、整合，再結合嵌入式技術，控制步進電機從而模擬出目標地區地形地貌。并同時顯示3D技術呈現效果圖進行輔助。從制作工本上講，智能沙盤可以節約大量材料，從指揮操作上講，智能沙盤可使部隊在極短的時間內得到目標地區的地形地貌信息。

以下部分安排：第2部分研究智能沙盤的控制系統總體設計，第3部分研究控制系統各模塊的設計，第4部分對所提出的智能沙盤控制方案進行總結。

2.智能沙盤控制系統總體設計

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

下面對各個功能模塊進行說明：

（1）嵌入式控制系統：由電子觸摸屏、嵌入式ARM板、驅動電路、步進電機等器件組成；具體是，將Linux系統植入ARM開發板中，并配以電子顯示屏，電子顯示屏可完成人與控制系統的對話，ARM板采用Linux系統完成對步進電機的合理控制。該操作系統工作流程如下：ARM板通過接收上位機模塊的數據，轉化成相應脈沖信號，由信號分配、功率放大驅動步進電機旋轉，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，可以獨立PC機進行電機調試，實現對操作的監控功能。

（2）PC通信模塊：通信模塊主要完成于PC機與單片機之間的交互，根據上位機的控制命令對各路電機做出正確的控制，該模塊選用MAX232工作芯片，采用標準RS232電路即可實現。

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

（4）LCD顯示模塊：因為智能沙盤控制系統是兩套方案，一套是利用上位機通過發送控制命令對步進電機進行控制，另一套方案是利用手動按鍵配合LCD顯示對步進電機進行控制。所以，LCD模塊必不可少。本系統選用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控制顯示模塊。

（5）步進電機驅動模塊：步進電機是靠微控制器產生脈沖來控制轉矩的，但是微控制器本身驅動電流較小，驅動不了電機繞組，要用驅動電路產生較大電流，才能驅動電機正常運行工作，直接驅動會燒壞微控制器。

（6）沙盤平面模塊，由調型機械手、上升機構等組成。具體地，驅動電路控制電機來驅動導軌，調型機械手隨著導軌而逐一運動至每個上升機構，通過與上升機構中旋轉螺桿的齒輪相嚙合，進而調節螺桿的升降（見圖2.2）。

3.智能沙盤控制系統的實現

如圖3.1，我們用16點式智能沙盤樣機研究控制方案。A點為調型機械手的出發點。而B～E，G～J，O～L，T～Q為四組固定在指定位置的升降機構。機械手可以實現X和Y兩個方向的運動，機械手運動到相應位置，使其自帶小齒輪與升降機構上的大齒輪正確嚙合，從而帶動螺旋機構實現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現。升降桿沿Z方向運動。

下面研究調型機械手與升降機構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，我們設計了檢錯裝置(代碼見圖3.3)。

當發生非正常嚙合情況后，觸電開關會閉合，會向微控制器發出出錯脈沖，微控制器會做出如下調整：（1）步進電機立即停止前進，后退相應距離。（2）步進電機齒輪順時針旋轉相應角度。（3）步進電機前進，再次與升降桿齒輪進行嚙合。

部分代碼摘錄如圖3.3，具體算法設計如圖3.4。

4.結束語

隨著計算機技術的發展和人民生活水平的提高，智能沙盤將會用到更多領域，發揮更大的用途。今后的研究工作會繼續優化智能沙盤控制系統，通過構建真實的三維立體系統，用計算機實現對真實環境或者物體的仿真和模擬，并在系統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用前景將會越來越廣闊。

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