一种自动沙盘以及利用自动沙盘呈现地形的方法与流程

本发明涉及一种地形显示装置，具体地说是一种自动沙盘以及利用自动沙盘呈现地形的方法。

背景技术：

沙盘是指挥员指挥战斗、演习、抢险救灭等重要的辅助工具。在任务来临前及时、精准的沙盘供应尤为重要。然而，在实际工作过程中以及在训练和演习过程中所使用的沙盘多数是由人工用沙土堆砌而成，也有利用设备模压制成。人工堆制的沙盘，制作费时费力，而且精度较低；利用设备模压制作的沙盘，精准度高，但其制作周期长，制作成本高，而且还存在显示内容固定、灵活性不够和携带不便等缺陷。目前，还有一种是全息投影沙盘，显示方式灵活多变，但其完全基于光学影像技术完成，在实际应用中并不适用于多人围拢一起，进行指点、讨论、解释等情况。所以，常见的这些沙盘制作技术难以满足现代军事或非军事行动的需要。

为此，已有一些专利技术试图对此问题加以改进或解决，主要分为细节显示技术改进、纯数字式虚拟沙盘和实体动态沙盘这三大类型。

第一种类型是显示方法的改进，包括以下专利：

cn201110450462x公开了一种触摸式数字联动沙盘。该发明包括沙盘实体和数字联动系统，数字联动系统包括摄像头和与摄像头相接的视频采集卡，以及与之相接的工控计算机和显示屏；这样，沙盘的细节可由视频系统在显示屏中显示。然而，此类发明仅仅增加了对于实体沙盘的细节显示，对于沙盘本身的构建并无帮助。

cn2013104316244公开了一种电子沙盘系统及方法。该发明是一种电子沙盘系统，主要由多个柱状显示单元组成显示矩阵，以模拟地形和地物的色彩和纹理。尽管其效果逼真，立体感强。但毕竟控制复杂，对于使用环境要求较高，无法适用于恶劣环境。

第二种类型是数字沙盘，包括以下专利：

cn2012101802123公开了一种三维电子沙盘装置，其通过3d显示屏的立体数字沙盘等发明均依靠3d投影仪、3d眼镜等予以完成。实际上，此类技术就是虚拟现实技术在沙盘制作领域的应用，使其以多媒体信息处理方式，逼真显示具有立体效果的数字沙盘，与前述的全息投影沙盘优缺点情况基本相同。

cn2006100430664公开了一种空间三维沙盘。该发明是一种基于光纤组合而成的三维沙盘，使用不同长短的光纤阵列，在光纤输出端口上显示一个空间分布的3d体素图像。尽管该沙盘可以随时变换所显示的形状，但毕竟是由光点阵列形成的地形轮廓，在感官上与实体沙盘相去甚远，难以应用在军事等实际领域。

第三种类型是实体动态沙盘，包括以下专利：

cn2010102360037公开了一种动态沙盘。该发明是通过建立地形单元阵列并通过链传动或者液压传动的方式使地形单元升降或者伸缩，表现相应地形的特征。

cn2015109769911公开了一种三维数字沙盘标准模块，涉及一种可以进行数字沙盘拼装的标准模块。通过拼装和控制沙盘模块，显示想要的地形或图像。

cn2017101493495公开了一种教学沙盘，所述的教学沙盘包括作为固定层的底层、具有弹性的顶层以及设置于底层和顶层之间的多个油缸、气缸、活塞等驱动机构。通过驱动机构驱动顶层相对于所层进行凹凸变化，模拟地形的起伏变化。

但是，上述三种类型的沙盘共同存在的问题是，其机械结构复杂，很难将每个单元的尺寸做小。因此，整个沙盘要不就是面积很大，要不就是地形单元太少，难以提高其准确度。

cn2014102179001公开的是一种基于磁流变胶泥的智能沙盘。该发明使用先进的磁流变技术，通过磁场发生装置控制磁流变胶泥的表面形貌，形成沙盘。它具有可逆性好、可重复使用、可迅速构建和撤消的优点。但其最大的问题是非常适合平缓起伏的地势，对于陡峭的山崖、深谷等地形的模拟效果欠佳。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种自动沙盘以及利用自动沙盘呈现地形的方法，以满足沙盘在现代军事和非军事行动中对于及时性、精准性和便携性等方面的使用需要。

本发明是这样实现的：一种自动沙盘，包括：

高程模块，包括壳体、高度杆以及对高度杆进行定位的定位机构；所述壳体为四棱柱形，其中带有上下贯通的芯孔；所述定位机构是在壳体中设置的朝向芯孔的碰珠卡位机构；所述高度杆穿接在所述芯孔中，以作为沙盘中的地形标高件，在所述高度杆的杆体上分布有等间距排布的若干环槽，所述碰珠与所述环槽相配合，使高度杆定位在壳体芯孔中；

底座，用于承载由若干高程模块以矩阵式紧密排布所组成的高程模块阵列；

高程顶升器，包括电动推杆和推杆状态传感器；所述电动推杆用于将位于其上方的高程模块中的高度杆推举到设定高度，所述推杆状态传感器用于检测电动推杆的推升高度；

平移机构，用于推动高程顶升器移动到高程模块阵列中任一高程模块的下方；

led灯，为多色发光二极管，设置在所述高度杆的上端，用于以不同的光亮颜色显示所在高度，以与其他相同高度上的led灯形成发光等高线；以及

弹性蒙布，为具有半透明性和高弹性的纺织材料，覆盖在高程模块阵列的顶面，以形成沙盘上的地型。

本发明自动沙盘还包括：

控制单元，与led灯、电动推杆、推杆状态传感器和平移机构电连接，用于将上位机输入的地形地图信息转换成自动沙盘上对应位置处的点坐标信息、探出高度信息和颜色信息，并据此控制高程顶升器平移到对应位置处，推顶该位置处的高程模块中的高度杆，使其升起到对应的高度，同时控制高度杆上端的led灯的点亮及点亮颜色；以及

数据传输系统，用于将上位机传送过来的地图数据转换为对于自动沙盘的控制信号，并将平移机构的位置信息和推杆状态传感器所检测的推杆伸出长度数据传送至控制单元，以用于高程顶升器的定位和高程模块的定高。

在高程模块阵列与所述底座之间设有架空层，所述高程顶升器和所述平移机构设置在该架空层中。

高程模块阵列还可以设置在所述底座的支撑板上，所述高程顶升器和所述平移机构设置在所述底座的底部，在所述底座的支撑板的板面上分布有与高程模块阵列中的高程模块的芯孔上下相对的通孔。

本发明中的所述高程顶升器可以是单个体，每次单独作用于一个高程模块，进行单一模块的推顶操作。

本发明中的所述高程顶升器还可以是由组成阵列的至少两个单元体组合而成的复合体，每次以阵列方式作用于对应数量的高程模块，进行多个高程模块的同步推顶操作。

当高程顶升器移动到高程模块阵列中某一高程模块的下方时，利用电动推杆推顶该位置点处的高程模块中的高度杆升起到地形地图信息参数标致应有的高度。而电动推杆的升起高度可以准确反映此位置点处高程模块中的高度杆的升起高度。逐一推顶高程模块阵列中所有高程模块中的高度杆，即可使底盘上的高程模块阵列中所有高度杆达到地形参数标致的高度，并通过高度杆推顶弹性蒙布显现出所输入的地形地貌，而且，通过各高度杆上的led灯的不同点亮颜色，在弹性蒙布上即可显示出不同标高的等高线。控制单元用来接收上位机输入的地形地图信息，并按照高程模块阵列处理出地图上对应点的坐标、高程和led灯的颜色信息，输出相应的控制信号后，控制每个位置上的高程模块中的高度杆的升起高度和led灯的点亮及点亮颜色。

本发明还可这样实现：一种利用自动沙盘呈现地形的方法，利用本发明自动沙盘，向其控制单元中输入预显示的地形地图信息，由控制单元转换成高程模块阵列中各高程模块的点坐标信息、探出高度信息和led灯的点亮及颜色信息，并在控制单元的控制下，由平移机构推动高程顶升器移动到高程模块的下方，由高程顶升器根据控制单元给定的位置、高度和点亮信息，推顶该位置处的高程模块中的高度杆升起到与控制信息对应的高度，同时控制高度杆上端的led灯的点亮和点亮颜色；逐一推顶各高程模块中的高度杆，使所有高度杆均达到地形地图信息标致的高度，而高度杆的升起则自行推顶弹性蒙布显现出所输入的地形地貌，而由相同点亮颜色的led灯所组成的连续线条即构成某一标高的等高线。

本发明自动沙盘采用全新的模式实现了沙盘本体地形地貌的构建，其结构简单，使用和重构方便，可快速准确的显示不同比例尺的不同地形，满足沙盘在现代军事或非军事行动中对于及时性、精准性和便携性等的使用需要。

附图说明

图1是本发明自动沙盘的结构示意图。

图2是高程模块的结构示意图。

图3是高程模块中的定位机构的结构示意图。

图4是高程顶升器与平移机构配合部分的结构示意图。

图5是沙盘控制系统的逻辑关系图。

图中：1、底座，2、高程模块，3、led灯，4、弹性蒙布，5、高程顶升器，6、壳体，7、高度杆，8、弹簧，9、碰珠，10、装配口，11、芯孔，13、电动推杆，14、推杆状态传感器，15、平移机构。

具体实施方式

如图1、图4所示，本发明自动沙盘包括底座1、高程模块2、led灯3、弹性蒙布4、高程顶升器5、平移机构15、控制单元和数据传输系统等部分。其中，控制单元可采用常规的单片机电路构建。弹性蒙布4是由具有半透明性和高弹性的材料制作成形，覆盖在高程模块阵列的顶面，其周边固定在底座1上，当高程模块阵列上的高度杆顶点位于不同高度的位置时，就可以形成地形地图的整体轮廓。

图1中，底座1是在支撑板的底部设有支腿，在支撑板上设有框架结构，用以承载高程模块阵列，高程模块阵列是由若干高程模块以矩阵形式紧密排布所组成。

如图2、图3所示，高程模块2包括壳体6、高度杆7和定位机构。壳体6的外表为四棱柱形，其中带有上下贯通的芯孔11。所述定位机构是在壳体6中设置的朝向芯孔内壁的碰珠卡位机构。碰珠卡位机构是在壳体6中开有对角斜置的横向穿孔，在穿孔中设置有碰珠9和弹簧8。沿壳体对角开设的穿孔6是从装配口10一侧向对角开出的一段盲孔，这种孔位可减小壳体6的截面尺寸，以提高沙盘在单位面积中高程模块的设置数量，相应提高了沙盘中地形地貌的显示精度。当然，定位机构也可采用其他具有相同或类似作用的机械机构。

高度杆7是作为沙盘中的地形标高件，其穿接在壳体6的芯孔11中。在高度杆7的杆体上分布有等间距上下排布的若干环槽（环槽的间隔实际上就是自动沙盘在高度方向上的分辨率）。碰珠卡位机构中的碰珠9与高度杆杆体上的环槽相配合，使高度杆7定位在壳体6的芯孔11中。高度杆7的上端从壳体6的芯孔11中向上穿出，多色彩的led灯3设置在高度杆7的顶部，并与控制单元电连接。根据高度杆升起的高度的不同，led灯3在控制单元的控制下，可发出相应颜色的光线，透过半透明的弹性蒙布4，从外界就可以清楚地看到。

如图4所示，在高程顶升器5中装有电动推杆13和推杆状态传感器14。电动推杆13用于将安装在底座1上的高程模块中的高度杆推举到控制单元所设定的高度。推杆状态传感器14用于检测并确定电动推杆13的伸出的长度（即高度杆的推升高度）。高程顶升器5设置在平移机构15上。平移机构15是由x和y方向的步进电机与联动机构所组成，用于将高程顶升器5平移到高程模块阵列中任一高程模块的下方。在平移机构15的带动下，高程顶升器5中的电动推杆13对任一高程模块中的高度杆7实施推顶动作。

高程顶升器5在推顶一个高程模块2中的高度杆7到达设定高度后，即可回缩电动推杆13，并在平移机构15的带动下，平移到下一个高程模块的位置处，继续下一个高度杆的推顶操作，直至全部高程模块推顶完毕，即完成整个自动沙盘的构建操作。本发明中的平移机构15还可以采用3d打印机中的喷头移动机构予以实现。

在高程模块阵列与底座1之间可以设有架空层，高程顶升器5和平移机构15设置在该架空层中，使高程顶升器5在底座1的顶面实施推顶操作。高程模块阵列也可以设置在底座1的支撑板上，高程顶升器5和平移机构15设置在底座1的底部，在底座1的支撑板的板面上分布有与高程模块阵列中的高程模块的芯孔上下相对的通孔（图4），使高程顶升器5在底座1的底面实施推顶操作。

高程顶升器5是在平移机构15的带动下，在高程模块阵列的底部移动。工作时，带动高程顶升器5顺序推顶每一个高程模块2中的高度杆7。这样就可以按照上位机向控制单元输入的地形地图信息（又称“数字地图信息”），逐一推顶各个高程模块2中的高度杆7，从而在自动沙盘上形成一个完整区域的地形地貌。

在本发明自动沙盘中，高程顶升器5可以是单个体，每次单独作用于一个高程模块，进行单一模块的推顶操作；也可以是由两个以上组装成的单元体，每次以阵列方式作用于高程模块阵列中对应数量的高程模块，进行多个高程模块的同步推顶操作。而后者所用的工作时间势必会大幅减少。

控制单元分别与led灯3、电动推杆13、推杆状态传感器14和平移机构15电连接，上位机通过数据传输系统向控制单元输入地形地图信息（图5），控制单元将输入信息转换成高程模块阵列上对应位置点处的点坐标信息、探出高度信息和颜色信息，并据此控制平移机构将高程模块移动到某一位置处，再控制高程顶升器推顶该位置处高程模块中的高度杆7升起到对应的高度，同时控制高度杆7上端的led灯3的点亮及点亮颜色。在自动沙盘上的led灯阵列上，由相同颜色所组成的连续线条即构成一条等高线，其显示形象直观，且易于分辨。

数据传输系统分别与上位机、控制单元、平移机构和推杆状态传感器电连接，用于将上位机传送过来的地图数据输送到控制单元，以转换为对于自动沙盘的控制信号，并将平移机构的位置信息和推杆状态传感器所检测到的电动推杆13的伸出长度（即高度杆7被顶起的高度）的数据分别传送至控制单元，以用于高程顶升器5的定位和高程模块2的定高。推杆状态传感器14和数据传输系统均与控制单元电连接，以向控制单元输出推杆状态检测信息。数据传输系统还可以通过有线的串行方式，或是通过无线的wifi或蓝牙方式，与上位机进行数据交换。

本发明自动沙盘的整个地形地貌的构建工作的能源来自于供电电源，而复位工作可用人手逐个按压回位，也可采用手持平板进行多个高度杆的按压回位操作。

本发明自动沙盘在构建地形时，是先将数字地图信息通过有线或无线的方式（也可使用u盘等数据载体），通过上位机输入到控制单元中，控制单元按照对应的模式，通过平移机构14控制高程顶升器5逐一推顶各高程模块2，将其中的高度杆7推升至相应的高度，同时令其顶端的led灯3发出相应颜色的光。这样，不仅使整个自动沙盘得以通过弹性蒙布4完整直观地显示出地形地貌，而且还同时标示出等高线。在需要的情况下，还可以非常方便地改变自动沙盘和电子地图的显示比例，使得自动沙盘能够以局部“放大”的方式重构，以显示“细化”之后的局部地形地貌。

本发明利用自动沙盘呈现地形的方法，就是利用本发明自动沙盘，向其控制单元中输入预显示的地形地图信息，由控制单元转换成高程模块阵列中各高程模块的点坐标信息、探出高度信息和led灯的点亮及颜色信息，并在控制单元的控制下，由平移机构推动高程顶升器移动到高程模块的下方，由高程顶升器根据控制单元给定的位置、高度和点亮信息，推顶该位置处的高程模块中的高度杆升起到与控制信息对应的高度，同时控制高度杆上端的led灯的点亮和点亮颜色；逐一推顶各高程模块中的高度杆，使所有高度杆均达到地形地图信息标致的高度，而高度杆的升起则自行推顶弹性蒙布显现出所输入的地形地貌，由相同点亮颜色的led等所组成的连续线条即构成一条等高线。

其中，高程顶升器可以是单个体，每次单独作用于一个高程模块，进行单一模块的推顶操作；也可以是由组成阵列的至少两个单元体组合而成的复合体，每次以阵列方式作用于对应数量的高程模块，进行多个高程模块的同步推顶操作。

实施例

设高程模块2的截面积是1×1cm²，设高程顶升器5的截面积是4×4cm²，则每个高程顶升器在截面积上对应于一个4×4=16个高程模块所形成的局部阵列所形成的面积。

如果一个横纵比为5:4的沙盘面积是256cm×200cm，则需要256×200个高程模块。如果使用1个高程顶升器，则需要至少进行包括初始定位在内的256×200=51200次平移运动，才能将全部高程模块顶升到位（为了简化讨论，此处并未考虑某些不必顶升的模块可以直接越过，以此节省整体运作时间）。

现使用一个2×2的高程顶升器阵列，则这个一体化的高程顶升器阵列覆盖了相等面积的4×16个高程模块，并可将其设定为一组高程模块。于是，整个沙盘的高程模块在横向分为256/8=32组，纵向分为200/8=25组，共有32×25=800组。在每一组中，需要通过16次高程顶升器阵列的定位移动，才能将组内64个高程模块标定完毕，进而平移至下一组完成标定。

以此类推，该方式共需高程顶升器阵列进行800×16=12800次移动，恰为使用单独高程顶升器移动次数的四分之一，可以大大减少沙盘的构建形成时间。鉴于每个高程顶升器在所定位的位置上的顶升距离不同，所以顶升时间各异。就高程顶升器阵列而言，总体的顶升时间将由四个顶升器中顶升时间最长者决定。

同理推断，如果使用更多的高程顶升器，一个沙盘的地形构建时间将会更短。当然，如果每个高程模块均使用独立的高程顶升器，或是进行一体化处理，则因不必进行任何高程顶升器的机械平移，而使得沙盘生成时间最短。然而，在目前技术条件下，如将高程顶升器和高程模块以一体化方式制作，则其体积必然较大，使其所能形成的“分辨率”太低，带来的问题是无法在有限的沙盘面积上显示较为精确的细节内容。