智能沙盘的控制系统设计与实现

东北大学通信与信息系统研究所 沙 毅 隋金坪 候淇滨 王志远

图2.1 智能沙盘控制系统总体设计

图2.2 智能沙盘——沙盘平面结构效果图

图3.1 智能沙盘（样机）控制方案图

图3.2 齿轮对齿与顶齿

1.引言

所谓沙盘，就是根据地形图、航空照片或实地地形，按一定的比例关系，用泥沙、兵棋和其它材料堆制的模型。随着电子地图、地图数据库技术、地理信息技术的发展，地理信息的表达方式已经逐渐由二维扩展到三维。一种应用电子技术研制的智能沙盘已成可能。

目前，普通沙盘因其人工堆制而造成精度不高、制作周期长等缺点，且其只能对一块地形或一个建筑群进行模拟，要想再获取其他地形地貌的信息，就必须另制沙盘。而电子沙盘因其立体感不强也没有被广泛接受。

图3.3 使用外部中断处理对齿情况代码

图3.4 控制算法具体框图

基于以上原因，我们制作一个基于嵌入式操作系统的智能沙盘，智能沙盘的原理是利用步进电机阵列的步进电机升降杆托起沙盘平面，通过控制步进电机升降杆的高低实现沙盘平面的地形起伏，以构成各种各样的沙盘地形。通过嵌入式控制系统模块可以实现一个智能沙盘的重复利用。通过曲面拟合算法、曲面分割采点等算法对目标地区相应地理三维数据、地理信息进行处理、整合，再结合嵌入式技术，控制步进电机从而模拟出目标地区地形地貌。并同时显示3D技术呈现效果图进行辅助。从制作工本上讲，智能沙盘可以节约大量材料，从指挥操作上讲，智能沙盘可使部队在极短的时间内得到目标地区的地形地貌信息。

以下部分安排：第2部分研究智能沙盘的控制系统总体设计，第3部分研究控制系统各模块的设计，第4部分对所提出的智能沙盘控制方案进行总结。

2.智能沙盘控制系统总体设计

智能沙盘控制系统硬件采取模块化设计，这种方案可以让硬件的功能模块制作和安装时相对独立，而作为控制系统整合起来比较容易（见图2.1）。

下面对各个功能模块进行说明：

（1）嵌入式控制系统：由电子触摸屏、嵌入式ARM板、驱动电路、步进电机等器件组成；具体是，将Linux系统植入ARM开发板中，并配以电子显示屏，电子显示屏可完成人与控制系统的对话，ARM板采用Linux系统完成对步进电机的合理控制。该操作系统工作流程如下：ARM板通过接收上位机模块的数据，转化成相应脉冲信号，由信号分配、功率放大驱动步进电机旋转，完成对沙盘平面的管理.同时，因我们对ARM板植入了Linux以及配备电子显示屏，可以独立PC机进行电机调试，实现对操作的监控功能。

（2）PC通信模块：通信模块主要完成于PC机与单片机之间的交互，根据上位机的控制命令对各路电机做出正确的控制，该模块选用MAX232工作芯片，采用标准RS232电路即可实现。

（3）手动控制步进电机模块：该模块功能与上位机控制系统功能相辅相成，可独立的完成对步进电机的控制，主要应用在智能沙盘控制系统无PC或PC串口不工作的时候，可以通过按键控制配合LCD显示对步进电机的动作进行精确的控制，该模块主要由四个功能按键组成，其作用分别是功能设定、参数增加、参数减小、发送控制命令。通过对这四个功能按键进行相应的操作即可完成对步进电机的控制功能。

（4）LCD显示模块：因为智能沙盘控制系统是两套方案，一套是利用上位机通过发送控制命令对步进电机进行控制，另一套方案是利用手动按键配合LCD显示对步进电机进行控制。所以，LCD模块必不可少。本系统选用LCD1602模块，该液晶显示器共两行，每行显示16个字符。第一行用来显示日期，第二行用来配合按键作系统控制显示模块。

（5）步进电机驱动模块：步进电机是靠微控制器产生脉冲来控制转矩的，但是微控制器本身驱动电流较小，驱动不了电机绕组，要用驱动电路产生较大电流，才能驱动电机正常运行工作，直接驱动会烧坏微控制器。

（6）沙盘平面模块，由调型机械手、上升机构等组成。具体地，驱动电路控制电机来驱动导轨，调型机械手随着导轨而逐一运动至每个上升机构，通过与上升机构中旋转螺杆的齿轮相啮合，进而调节螺杆的升降（见图2.2）。

3.智能沙盘控制系统的实现

如图3.1，我们用16点式智能沙盘样机研究控制方案。A点为调型机械手的出发点。而B～E，G～J，O～L，T～Q为四组固定在指定位置的升降机构。机械手可以实现X和Y两个方向的运动，机械手运动到相应位置，使其自带小齿轮与升降机构上的大齿轮正确啮合，从而带动螺旋机构实现升降杆的升降就行了升降是通过齿轮传动以及螺旋传动来实现。升降杆沿Z方向运动。

下面研究调型机械手与升降机构齿轮相啮合情况可分为两类：即正常啮合(图3.2(2))、非正常啮合(图3.2(1))。为此，我们设计了检错装置(代码见图3.3)。

当发生非正常啮合情况后，触电开关会闭合，会向微控制器发出出错脉冲，微控制器会做出如下调整：（1）步进电机立即停止前进，后退相应距离。（2）步进电机齿轮顺时针旋转相应角度。（3）步进电机前进，再次与升降杆齿轮进行啮合。

部分代码摘录如图3.3，具体算法设计如图3.4。

4.结束语

随着计算机技术的发展和人民生活水平的提高，智能沙盘将会用到更多领域，发挥更大的用途。今后的研究工作会继续优化智能沙盘控制系统，通过构建真实的三维立体系统，用计算机实现对真实环境或者物体的仿真和模拟，并在系统中模拟和演练世界中事物变化的过程，为决策者提供更好的支持。可以智能电子沙盘的应用前景将会越来越广阔。

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