一种立体地图沙盘装置及其控制系统及方法与流程

本发明涉及电子地图沙盘技术领域，具体涉及一种立体地图沙盘装置及其控制系统及方法。

背景技术：

沙盘是根据地形图、航空像片、实地地形等资料，按比例尺用泥沙或其他材料及兵棋制作的一种显示地形和地面目标的模型。它具有立体感强，形象直观等特点。沙盘用途广泛，它能形象地显示作战地区的地形，在和平年代的今天，沙盘还常用来制作经济发展规划和大型工程建设的模型，其形象直观，颇受计划决策者和工程技术人员的青睐。近年来，央视新闻频道中对受灾地区的模拟演示就是一个沙盘应用于防范治理自然灾害工作的例案。随着科技的进步，人们对沙盘的制作也有了新的追求，为了满足新的需要，解决好上述的现有问题，对于沙盘的全视技术，融合传统沙盘和电子沙盘的需求点与日俱增。

然而传统沙盘有其不足之处，简易沙盘的精度较低，而永久性的沙盘制造工序繁琐，耗时长，还有就是如果需要移动沙盘工作量将会很大。电子沙盘是相对于传统沙盘而言的。现有的电子沙盘主要是遥感、地理信息系统、三维仿真等高新技术的结合。它是由三维仿真技术虚拟出来的，具有地形信息准确、地物表示详细直观、浏览方便、支持属性查询、地形分析量算、模拟等优点。电子沙盘的制作也越来越普遍了，但是目前的电子沙盘技术制作的沙盘都是三维仿真技术的成果，显示的时候是显示在平面显示器或者投影到一个屏幕上，这就限制了可观察者的人数或自主性，所有观察者观察到的都是一样的信息，对观测的视角只能由某一个人控制，或者是事先制订好的观察路线。所以目前的电子沙盘还无法完全代替传统沙盘。

而常规的数字沙盘当前主要分为两种：一是在原来传统的沙盘模型上增加多媒体投影机系统；二是纯三维数字沙盘，一般有互动功能，投影面一般为特殊处理的白色或灰色幕面，设有实体沙盘模型。通过声、光、电、图像、三维动画以及计算机程控技术与实体模型相融合。目前博物馆、展览馆、科技馆中为了直观的反映展示的场景或实物，往往采用模型的方式，给参观者一个立体全方位的印象。而现有的立体模型、沙盘是一种固定的、不变的展品，仅能依靠灯光的配合来变换一下展示的内容，虽然这种装置其外象逼真容易让参观者理解，但其表现形式死板，无法与观众进行互动、表现内容单一，使参观者无法通过沙盘或立体模型获得自己感兴趣的内容，也无法加入一些能够更深层次介绍沙盘或立体模型细节的内容，且其展示内容无法根据展示主题进行变化，大大降低了其应有的展示效果，不能满足目前参观者注重参观体验的需求。

中国发明专利cn201310431624.4一种电子沙盘系统及方法提供了一种电控的自动成型立体沙盘的技术，但该技术所需的成本极高，需要对每一个升降柱下方需要配置一个升降电机，再配合影像灯光控制，整体成本相当高昂，不具备实际生产使用的实用性。

技术实现要素：

本发明为解决上述现有技术中存在的不足和缺陷，现提供了一种低成本，易控制的电子立体沙盘，免去电机升降的使用，通过单元划分，将其划分为数个单元，每个单元单独负责单元内的升降控制，降低了升降操控机构的数量和使用成本，可以将升降柱的单位截面进一步缩小，进一步提高立体化展示的精确性和形象、立体性。

具体的，本发明是这样实现的：

本发明的第一方面，提供了一种立体地图沙盘装置，包括：桌架，置于桌架内呈网阵排列的若干个可升降的升降条块，升降条块包括：气动升降柱，所述气动升降柱内部为向下延伸并带开口的中空气缸腔，中空固定杆通过顶端安装的活塞片活动式置于中空气缸腔内，活塞片四周与中空气缸腔内壁密封接触，且活塞片顶部具有连通至中空固定杆的气口，所述中空固定杆底部安装有气嘴，气嘴通过进气精控装置连接至电动气泵，进气精控装置连接至控制器。

进一步的，所述升降条块按若干数量构成一个组件单元分组构成，若干个组件单元平行平铺组合放置于桌架上，所述组件单元包括位于最外层升降条块上部外侧的上层外框、位于底部外侧的下层外框，下层外框之间连接有底板，升降条块呈阵列排布安装于底板上，且气嘴穿过底板外露于底板的下底面上，上层外框和下层外框之间于四角处通过竖向的纵杆连接。

进一步的，所述下层外框下部对接安装进气精控装置，所述进气精控装置包括与下层外框大小形状相一致的升降气动控制架，升降气动控制架的两对侧均设置有等高的轨道横杆，升降气动控制架内部齐顶面和底面竖向放置有可在其内移动的升降气动控制栏，升降气动控制栏的两侧面均安装有移动滚轮，移动滚轮置于两侧的轨道横杆上且均与传动带接触，至少一侧的传动带与安装在升降气动控制架上的移动电机传动连接，所述升降气动控制栏有空出移动电机机位的空档结构，所述电动气泵为微型气泵，所述升降气动控制栏上固定安装微型气泵，微型气泵分流出若干支分支气管，分支气管中段上均安装有电磁气阀，分支气管的上段安装在升降气动控制栏的顶栏上且均呈一条直线排列外露在顶栏表面。

进一步的，所述分支气管的数量与一个组件单元中一个横排的升降条块数量相一致，且外露在升降气动控制栏顶栏上的分支气管的孔眼分布位置与每一个中空固定杆底部的气嘴位置一一对应。

进一步的，所述分支气管的顶部具有一个容纳槽，气动连接阀活动置于容纳槽内，气动连接阀呈帽状，包括底部的盘状缘和本体，通气道竖向贯通在本体中部，所述气嘴的底端部内置有对接槽，对接槽与气动连接阀的本体的大小相互适配，对接槽的顶部具有连通至中空固定杆的通气孔。

进一步的，所述下层外框沿升降气动控制栏移动的方向的侧边框底面上于每排升降条块中线对齐的位置上、以及升降气动控制栏顶栏两端中线处均设有相互适配对应的光电定位传感器。

本发明的另一方面，提供了一种立体地图沙盘控制系统，包括：沙盘模块，由若干个组件单元并排分布构成，每个组件单元再由若干个可升降的升降条块按阵列并排分布构成，每个组件单元用于通过各个升降条块按各自所需的升降高度升降后保持静止，整体上实现具有高低起伏的立体状沙盘；总控制模块，用于接收立体地图的地形数据，并基于组件单元的个数和分布信息将其划分为相应的单元地形数据，并将单元地形数据分配对应到相应的组件单元上且基于组件单元内升降条块的数量和分布信息确定出每个组件单元内每一行上每一个升降条块的升降高度信息，并发送至升降控制模块；升降控制模块，用于将所述升降高度信息转化为电磁气阀开启的时间，并通过电动气泵和若干个电磁气阀的开闭时间控制每个升降条块内注入的空气量，并在单个组件单元内按行依次为升降条块进行充气控制，直至使每个组件单元上的升降条块均保持所需的升降高度。

进一步的，所述升降控制模块，还用于通过升降气动控制栏的横向移动进行按行依次为升降条块进行充气控制，且每一行升降条块都通过相应的光电定位传感器实现定位。

本发明的再一方面，提供了一种立体地图沙盘的控制方法，包括以下步骤：

s1、获取立体地图的地形数据m1，并按若干个组件单元分别划分出相应的区域所对应的若干个单元地形数据m2；

s2、将单元地形数据按其所对应的组件单元内的升降条块数量和分布信息划分成若干个单体地形数据m3，并将其转换成升降条块所对应的升降需求值h1；

s3、基于每个升降条块升降相应高度所对应的气体量将h1转换成电磁气阀需要开启的时间值t1；

s4、进气精控装置按时间t1控制相应的电磁气阀开启，升降条块升降到相应的高度位置后保持，直至每一个升降条块均升降到相应的高度，在沙盘上得立体地图。

进一步的，在步骤s4中，每个组件单元均只有一个进气精控装置，进气精控装置通过可停顿的横向间歇式移、停，按行依次对组件单元内的升降条块进行进气升起操控。

本发明的工作原理介绍：升降原理是依靠气体气动实现的，类似于注射器的活塞和推杆，当电磁气阀开启后，气流在电动气泵的作用下从分支气管进入到中空固定杆的中间气道里，顺其而上从活塞片的顶部进入至升降条块的中空气缸腔内部汇聚，随不断注入的气体的增多，腔内压力过大，气体推动气动升降柱相对于中空固定杆上升，实现升高，当达到预定高度后，电磁气阀关闭，因为活塞片与中空气缸腔内壁紧贴作用，二者相互固定不动，保持了升降条块的气动升降柱的升降高度；反之，当需要下降时，开启下端的气阀或气口可通过外力下压气动升降柱将其按压到最下端，也可以通过反向负压的气泵实习抽气，将中空气缸腔内的气体抽出，也能带动气动升降柱的下降。控制器的主要功能，就是用于处理数据和实现对电动气泵和电磁气阀的整体控制，针对性的对每一根升降条块进行进气操控，从而实现立体沙盘的自动成型控制；利用分单元化划分设计，可以将数量众多的升降条块均分成数量较少的组件单元实现简化管理，每个组件单元对自身的区域内进行升降控制，可以在有限数量的进气精控装置下有效缩减整体处理的运算速度并提高升降控制速度，每个组件单元安装一个进气精控装置，进气精控装置负责对该组件单元内的每个升降条块进行给气升起，而整个沙盘上的数个组件单元内的升降同时进行，有效的实现了用较少的动力装置实现对数量众多的升降条块的升降控制，同时还提高了时效，用较短的时间、较少的功耗，实现电算控制化下的立体地形沙盘的整体成型。

本发明与现有技术相比的技术效果：

(1)无需使用升降电机对升降柱进行升降控制，改用气动结构的升降原理，具有更加安全、升降操控便捷快速、整体结构轻量化设计、易维护的升降和悬停控制的特点。

(2)无需单独为每一个升降条块适配一个电机或动力设备，一个进气精控装置，即可完成对近40至100多个左右的升降条块的升降控制，极大的缩减了设备耗材的成本。

(3)单个像素的升降条块可实现控制在1～8cm左右的截面大小，在目前的升降电控沙盘技术领域中，属于高像素高密度的沙盘结构，从而能更加精细化、高完成度的展现立体地形，更加的形象、逼真。

(4)本发明的产品基于目前成熟的气动技术，使得其易于管理和维护，气压可低气压设计保障使用的安全，避开了机械升降式的结构设计，缩小了设计成本和用量质量，使得本产品轻量化，也可以根据需要使用多个组成单元拼装成特定的形状，组合度高，实用性好。

附图说明

图1为升降条块的升降原理结构示意图；

图2为进气精控装置的结构示意图；

图3为组件单元及升降气动控制架的结构立体图；

图4为升降气动控制栏的立体结构图；

图5为升降气动控制架在工作过程中的的立体图；

图6为升降条块的截面结构示意图；

图7为升降条块的结构透视示意图；

图8为气动连接阀对接的结构示意图；

图9为组件单元安装结构示意图；

图10为组件单元安装于桌架上的结构示意图；

图11为立体地图沙盘装置的演示立体图；

图12为立体地图沙盘控制系统的结构示意图；

图13为立体地图沙盘控制方法的流程示意图；

其中：1桌架、2升降条块、3气动升降柱、4中空气缸腔、5中空固定杆、6活塞片、7气口、8气嘴、9电动气泵、10对接槽、11通气道、12上层外框、13下层外框、14底板、15纵杆、16升降气动控制架、17轨道横杆、18升降气动控制栏、19移动滚轮、20传动带、21移动电机、22组件单元、23分支气管、24电磁气阀、25容纳槽、26气动连接阀、27盘状缘、28本体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：立体地图沙盘装置，包括：桌架1，置于桌架1内呈网阵排列的若干个可升降的升降条块2，升降条块2包括：气动升降柱3，所述气动升降柱3内部为向下延伸并带开口的中空气缸腔4，中空固定杆5通过顶端安装的活塞片6活动式置于中空气缸腔4内，活塞片6四周与中空气缸腔4内壁密封接触，且活塞片6顶部具有连通至中空固定杆5的气口7，所述中空固定杆5底部安装有气嘴8，气嘴8通过进气精控装置连接至电动气泵9，进气精控装置连接至控制器。桌架1用于支撑整个沙盘，中空气缸腔4可以看作是活塞腔，其能够在中空固定杆5上升降，二者通过活塞片6作为连接接触部，活塞片6提供的摩擦力能够保持气动升降柱3保持稳定的高度，电动气泵9负责提供进气压力的气体源，将空气通过进气精控装置注入进中空固定杆5底部的气嘴8里，气体顺中空固定杆5中部的管道区域上升从气口7进入中空气缸腔4内，最终推动气动升降柱3升起，具体的升降高度，可以根据升降条块2内部中空气缸腔4的内径和高度数值、中空固定杆5中部气管的内径和长度、电磁气阀24的流量、分支气管23的长度等计算出多少的气体体积(考虑压缩量)对应多少的升降高度值，进一步可以计算出电磁气阀24所需要开启的时间值，即可将升降的高度值转化成电磁气阀24的开启时间值，只需要设定好电磁气阀24的开启时间，即可获得相应的升降条块2的升降高度，实现对升降高度的可控化。

优选地，所述升降条块2按若干数量构成一个组件单元22分组构成，若干个组件单元22平行平铺组合放置于桌架1上，所述组件单元22包括位于最外层升降条块2上部外侧的上层外框12、位于底部外侧的下层外框13，下层外框13之间连接有底板14，升降条块2呈阵列排布安装于底板14上，且气嘴8穿过底板14外露于底板14的下底面上，上层外框12和下层外框13之间于四角处通过竖向的纵杆15连接。组件单元22的设计，可以使沙盘从整体化为单元结构，每个单元处理自己单元内部的图形数据，展示相应需要展示的地形沙盘，能够达到化繁为简的效果，且这样的形式方便组装和装卸管理，可以构建出大小尺寸不一的沙盘，甚至各种图案形状的沙盘，也可以实现；其中，上层外框12、纵杆15和下层外框13、底板14构成组件单元22的支撑框架，用于放置和位置该组件单元22内的升降条块2的固定和安装，避免出现面积较大后，升降条块2无法整齐安装的问题出现；

下层外框13下部对接安装进气精控装置，所述进气精控装置包括与下层外框13大小形状相一致的升降气动控制架16，升降气动控制架16的两对侧均设置有等高的轨道横杆17，升降气动控制架16内部齐顶面和底面竖向放置有可在其内移动的升降气动控制栏18，升降气动控制栏18的两侧面均安装有移动滚轮19，升降气动控制架16的底部可以设置数个滚珠，滚珠与底面接触，移动滚轮19置于两侧的轨道横杆17上且均与传动带20接触，传动带20和移动滚轮19可以为相互适配的齿条和齿轮，至少一侧的传动带20与安装在升降气动控制架16上的移动电机21传动连接，移动电机21启动后，带动传动带20转动，传动带20带动移动滚轮19转动，从而带动整个升降气动控制架16横移，所述升降气动控制栏18有空出移动电机21机位的空档结构，所述电动气泵9为微型气泵，所述升降气动控制栏18上固定安装微型气泵，微型气泵分流出若干支分支气管23，分支气管23中段上均安装有电磁气阀24，分支气管23的上段安装在升降气动控制栏18的顶栏上且均呈一条直线排列外露在顶栏表面。例如，在一张100cmx160cm的沙盘上升降条块2为2cm的边长规格，将沙盘分为40个20cmx20cm的组件单元22，40个组件单元22组合拼成一个完整的沙盘，可以对这40个组件单元22编号按坐标处理为x01y01～x40y40，以x01y01组件单元22为例，其上的升降条块2具有100个，分别编号为x01y01-x001y001～x01y01-x100y100，或使用其他编码编号方式也可，即整个沙盘上具有4000个升降条块2，而划分成40个组件单元22后，每个组件单元22设置一个进气精控装置，一个进气精控装置上具有10个进气口7，通过移动，一个进气精控装置前后分别能够负责100个升降条块2的升降控制；即40个进气精控装置能够完成4000个升降条块2的升降控制，极大的缩减了升降控制的机构数量；

分支气管23的数量与一个组件单元22中一个横排的升降条块2数量相一致，且外露在升降气动控制栏18顶栏上的分支气管23的孔眼分布位置与每一个中空固定杆5底部的气嘴8位置一一对应。分支气管23的顶部具有一个容纳槽25，气动连接阀26活动置于容纳槽25内不会从中脱出，但能在容纳槽25内升降，气动连接阀26呈帽状，包括底部的盘状缘27和本体28，盘状缘27用于限位作用，既不会从容纳槽25中往下滑出，也不会从容纳槽25中向上顶出脱位，通气道11竖向贯通在本体28顶、底两端，所述气嘴8的底端部内置有对接槽10，对接槽10与气动连接阀26的本体28的大小相互适配，对接槽10的顶部具有连通至中空固定杆5的通气孔；在使用时，分支气管23被注入具有一定压力的气体，电磁气阀24开启后，气体进入分支气管23的顶部的容纳槽25内，由于气动连接阀26的底面积远比本体28上通气道11的截面面积大，气体会推动气动连接阀26于容纳槽25内上升将其顶起，直至盘状缘27达到容纳槽25顶壁被限位，气动连接阀26的本体28则外露在分支气管23端头外端，进入中空固定杆5的气嘴8的对接槽10内，气体从对接槽10里的通气孔最终进入到中空固定杆5到达中空气缸腔4内，当给气停止后，气动连接阀26在重力作用下回落；在该过程中，气动连接阀26不仅实现了分支气管23与中空固定杆5的气流连接对接功能，还实现了分支气管23与中空固定杆5在对接过程中的精准定位功能以及维持对接过程中的稳定性，其中，气动连接阀26的本体28端部呈内收状的弧面，以便更加便于对接过程中的定位精准。下层外框13沿升降气动控制栏18移动的方向的侧边框底面上于每排升降条块2中线对齐的位置上、以及升降气动控制栏18顶栏两端中线处均设有相互适配对应的光电定位传感器。用于检测升降气动控制栏18是否移动到位，移动到位后，则停止，直至该一排位置上的每个电磁气阀24均关闭后，再开始移动，到下一个工位。

实施例2：在实施例1的基础上，本实施例提供了一种立体地图沙盘控制系统，包括：沙盘模块，由若干个组件单元并排分布构成，每个组件单元再由若干个可升降的升降条块按阵列并排分布构成，每个组件单元用于通过各个升降条块按各自所需的升降高度升降后保持静止，整体上实现具有高低起伏的立体状沙盘；总控制模块，用于接收立体地图的地形数据，所述地形数据包括长宽数据、比例尺数据、地形在比例下的高度数据，将这些高度数据按长宽比例以及沙盘升降条块像素点的方向和数量网格化处理，获得相同方向下、依次阵列排列的每一个像素单元下的高度数据，即单元地形数据，将单元地形数据分配对应到相应的组件单元上且基于组件单元内升降条块的数量和分布信息确定出每个组件单元内每一行上每一个升降条块的升降高度信息，例如，处理后，获得x01y01-x001y001至x01y01-x008y001这八个像素单元下的高度数据都为60mm，x01y01-x009y001这一像素单元下的高度数据为30mm，等等，获得每一个像素单元的高度数据，并根据60mm、30mm换算出相应高度所对应的气体流量，即升降条块内部中空气缸腔的内径和高度数值、中空固定杆中部气管的内径和长度、电磁气阀的流量、分支气管的长度等计算出多少的气体体积(考虑压缩量)对应多少的升降高度值，进一步可以计算出电磁气阀所需要开启的时间值，得60mm的电磁气阀的开启持续时间为1.24s，30mm的电磁气阀的开启持续时间为0.67s；随后，将需要的时间数据发送至升降控制模块；升降控制模块，用于将所述升降高度信息转化为电磁气阀开启的时间，并通过电动气泵和若干个电磁气阀的开闭时间控制每个升降条块内注入的空气量，并在单个组件单元内按行依次为升降条块进行充气控制，直至使每个组件单元上的升降条块均保持所需的升降高度。

优选地，所述升降控制模块，还用于通过升降气动控制栏的横向移动进行按行依次为升降条块进行充气控制，且每一行升降条块都通过相应的光电定位传感器实现定位。即通过升降控制模块对移动电机进行控制，当移动电机启动时，其带动传动带转动，传动带带动移动滚轮在轨道横杆上实现横移，当升降气动控制架移动到下一排升降条块尾端的气嘴下方时，其光电定位传感器，例如红外光传感器接收到相应位置下的光信号，证明升降气动控制架移动到位，移动电机停止工作，升降气动控制架停止，随后，升降控制模块根据该一排升降条块所对应的高度数据将其各自所需要的阀开启时间值控制每个电磁气阀进行相应时间的开启、关闭，直至所有电磁气阀关闭后，说明对该一排的升起控制完成，升降控制模块控制移动电机启动，直至通过光电定位传感器确定到达下一个工位后停止，完成对下一排升降条块的升起操控；直至升降气动控制架移动到轨道横杆的尽头，即最后一排的升降条块工位下方，则完成对单个组件单元上的每个像素点完成了相应的气动控制升降控制，当所有的组件单元完成各自的工作后，整体的立体造型的沙盘随即成型。需要复位时，可以由升降控制模块利用反向的气体负压实现逆过程，对升降条块抽气，达到复原的效果，也可以利用人工利用合适的工具，于气动升降柱顶部给予一个向下的压力，将内部气体于下端排出即也可以实现复原效果，比如利用一块压板，可以快速的将一整面的气动升降柱按压复原。

实施例3：一种立体地图沙盘的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1、获取立体地图的地形数据m1，并按若干个组件单元分别划分出相应的区域所对应的若干个单元地形数据m2；其中，单元地形数据m1为整个需要在沙盘上进行展示的地形数据在一定比例尺下换算后的在沙盘所需要表达出的实际高度的高度数据；单元地形数据m2为在单元地形数据m1的基础上，按照沙盘上划分单元组件的个数依次划分后的子高度数据；

步骤s2、将单元地形数据按其所对应的组件单元内的升降条块数量和分布信息划分成若干个单体地形数据m3，并将其转换成升降条块所对应的升降需求值h1；单体地形数据m3即为经过换算后的每一个升降条块所对应的需要实际升降的高度数据，基于该实际需要升降的高度，即，最终可以计算出每个升降条块所需对应的升降需求值h1，

步骤s3、基于每个升降条块升降相应高度所对应的气体量将h1转换成电磁气阀需要开启的时间值t1；基于h1可计算出所需的气体量，以及该过程的耗时即为时间值t1；

步骤s4、进气精控装置按时间t1控制相应的电磁气阀开启，升降条块升降到相应的高度位置后保持，直至每一个升降条块均升降到相应的高度，在沙盘上得立体地图。

优选地，每个组件单元均只有一个进气精控装置，进气精控装置通过可停顿的横向间歇式移、停，按行依次对组件单元内的升降条块进行进气升起操控。即一个进气精控装置对应负责对组件单元内所有的升降条块的升起工作，按升降条块的排数分多次完成，每次完成一个横排内的所有升降条块的升起工作同时进行，完成后移动至下一排升降条块的下方，对该排内的升降条块进行气动升起操控。以此类推，完成所有排数，即整个组件单元内的所有升降条块的升降控制。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。