ДЖОЙСТИК ОПТИЧЕСКИЙ ДЛЯ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО МЕСТА

Область техники
Данное техническое решение относится к области измерений, а именно к фотограмметрии, к устройствам для стереоскопической обработки аэрокосмических и наземных снимков на фотограмметрическом рабочем месте.
Уровень техники
Аналогом заявляемого устройства является фотограмметрический 3D манипулятор «GeoMouse» ФГУП экспериментального оптико-механического завода (см. прилагаемые рекламные материалы с сайта http://www.eomz.ru), основу которого составляет оптическая мышь и 16 функциональных клавиш. Джойстик подключается к ПЭВМ через два порта USB и RS-232.
Недостатки аналога:
- необходимость использования двух портов для связи с ПЭВМ;
- большое количество кнопок, особенно с задней части корпуса,, затрудняют работу оператора;
- большой вес манипулятора не способствует высокопроизводительной работе оператора при выполнении режимов стереообводки контуров и получения высот при профилировании местности.
Другим аналогом данного технического решения является известное устройство - джойстик ПС5.139.070 изделия СИВС ПС1.700.066.
Специальные измерительно-вычислительные средства (СИВС) ПС1.700.066 производились в составе:
- ЭВМ СМ1420-05;
- стереокомпаратор У8733;
- спецвычислитель отождествления У2100, управляющий перемещением кареток в У8733 в автоматическом режиме сканирования снимков.
Изделие СИВС предназначено для автоматизированного получения цифровых моделей рельефа в цифровом виде по цифровым изображениям местности в интересах создания картографической продукции методами цифровой фотограмметрии.
Принцип управления перемещением кареток от джойстиков в изделии СИВС состоит в следующем.
Каретки в У8733 перемещаются с помощью шаговых двигателей. Управление перемещением кареток со снимками в интерактивном режиме работы осуществляет оператор с помощью джойстиков ПС5.139.070. Конструктивно джойстик представляет из себя ручку управления, жестко связанную через редуктор с осями переменных резисторов и имеющую возможность отклонения по осям Х и Y от исходного вертикального положения. Отклонение ручки определяет направление и скорость перемещения кареток. Возврат редуктора в исходное положение осуществляется с помощью пружин.
Сигналы от джойстиков поступают на схему управления перемещением кареток, где усиливаются и выдаются на шаговые двигатели кареток.
Недостатком данного аналога является отсутствие стандартного сопряжения с портами персональных ЭВМ.
Следующим аналогом заявляемого технического решения является фотограмметрический 3D манипулятор «GeoMouse» «ЭОМЗ» г.Москвы, http://www.eomz.ru.
Фотограмметрический 3D манипулятор «GeoMouse» предназначен для перемещения и точного позиционирования измерительных марок по осям X.Y.Z и быстрого вызова наиболее часто применяемых функций при цифровой фотограмметрической обработке стереопар аэрокосмических и наземных снимков. Применение манипулятора при выполнении процессов стерео рисовки контуров местности и горизонталей позволяет повысить производительность работ за счет удобства использования функциональных кнопок для быстрого вызова операций и точности наведения измерительной марки на точки стерео модели, что позволяет оператору сконцентрироваться на обработке изображений и не отвлекаться на работу с клавиатурой и стандартной мышью.
Техническое описание
Конструктивно манипулятор представляет из себя встроенную оптическую мышь, контроллер, колесо достаточно большого диаметра, оснащенное датчиком угла поворота
(аналог ножного штурвала), и шестнадцать функциональных кнопок, расположенных на корпусе манипулятора. Оптическая мышь подключается к порту USB или PS\2 ПК, контроллер, формирующий информацию о нажатии функциональных кнопок и координату Z, подключается к порту RS-232 ПК. Программное обеспечение манипулятора функционирует в среде WINDOWS 98/2000. Обмен информацией с ПК осуществляется с помощью стандартного драйвера оптической мыши, дискета с которым входит в комплект манипулятора, и специального драйвера, встроенного в прикладное ПО, с которым используется манипулятор.
Подключение и использование
Подключение манипулятора к ПК осуществляется при выключенном компьютере. Подключение манипулятора к системному блоку компьютера ЦФС рекомендуется через СОМ-порт и переходник в порт. Манипулятор имеет простую систему команд и достаточно быстро может быть адаптирован к любой цифровой фотограмметрической системе. Любые три кнопки манипулятора могут быть запрограммированы, как стандартные кнопки мыши. Вы можете использовать манипулятор одновременно со стандартной мышью.
Технические характеристики
- интерфейсы для подключения к ПК PS/2 или USB, RS-232;
- количество функциональных кнопок - 16;
- количество назначаемых кнопок мыши 0-3;
- количество импульсов на оборот колеса по оси Z - 512;
- разрешение по осям Х и Y 400 dpi;
- питание манипулятора от ПК;
- размеры 280×95×60 мм;
- вес не более 650 г.
Недостатком данного аналога являются малые функциональные возможности и невозможность реализовать заданные технические требования в полном объеме.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является ДЖОЙСТИК ДЛЯ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО МЕСТА (патент на полезную модель RU 46350 U1, заявка 2005107425/22 от 16.03.2005, МПК 7 G01С 11/02, опубликовано 27.06.2005, бюл. 18, патентообладатель ОАО «НПП «Рубин», авторы Богданов О.Ю., Атапин Н.Ф., Якунин Ю.А,), содержащий ручку и схему формирования сигналов от ручки джойстика, кинематически с ней связанную и состоящую из двух переменных резисторов, начальные контакты которых подключены
через первый и второй ограничительные резисторы к напряжению +5 В, а конечные точки через третий и четвертый ограничительные резисторы к «земле», ползуны (выходы) первого и второго переменных резисторов соответственно через первый и второй конденсаторы подключены к «земле», а третий конденсатор включен между +5 В и «землей», отличающийся тем, что джойстик дополнительно содержит микроконтроллер (МКК), входы PC (0, 1) которого соединены соответственно с выходами первого и второго переменных резисторов схемы формирования сигналов от ручки джойстика, входы РВ (3, 4, 5) соединены с программатором (внешней схемой программирования постоянного полупроводникового запоминающего устройства (ППЗУ)), схему сопряжения МКК с персональной ЭВМ (ПЭВМ), содержащую первый и второй транзисторы (VT1 и VT2), база первого транзистора (VT1) соединена через пятый резистор с эмиттером и +5 В, а через шестой резистор с выходом PD (1) микроконтроллера, коллектор первого транзистора (VT1) через RC-цепочку из седьмого резистора и четвертого конденсатора соединен с «землей», коллектор второго транзистора (VT2) соединен с выходом PD (0) микроконтроллера и через восьмой резистор с +5 В, эмиттер - с «землей», а база второго транзистора (VT2) соединена через первый диод VD1 плюсом с «землей» и через цепочку девятый резистор - второй диод VD2 плюсом с серединой RC-цепочки из седьмого резистора и четвертого конденсатора, выходы интерфейса RS-232 RxD и TxD соединены соответственно с коллектором первого транзистора VT1 и минусом второго диода VD2.
Недостатком прототипа является:
- низкая точность управления совмещением изображения на экране монитора;
- усложненность конструкции;
- малые функциональные возможности.
Сущность технического решения
Известный джойстик оптический для фотограмметрического рабочего места, состоящий из двух трактов: тракта управления перемещением изображения и тракта программируемых клавишей управления процессом, каждый из которых содержит свой контроллер USB и завершается соединительным кабелем с USB-разъемом.
Целью создания данного технического решения является:
- создание стабильности управления;
- упрощение работы с джойстиком;
- создание более удобной для работы оператора конструкции;
- снижение стоимостных характеристик.
В заявляемом джойстике для фотограмметрического рабочего места тракт для управления перемещением изображения содержит соосно расположенные ручку управления, механизм перемещения белого отражателя, оптический канал, светодиодный осветитель, миниатюрную видеокамеру, подключаемую к USB-интерфейсу персональной вычислительной машины (ПЭВМ), размещаемые в корпусе джойстика, выполняющего роль ограждения от влияния внешнего освещения, а тракт программируемых клавишей управления содержит набор функциональных клавишей, имеющих через контроллер выход на второй USB интерфейс ПЭВМ.
Перечень чертежей
На рис.1 приведена структурная схема джойстика оптического для фотограмметрического рабочего места.
На рис.2 приведен общий вид джойстика оптического.
На рис.3 приведен общий вид корпуса джойстика оптического и крышки.
Пример реализации полезной модели
На рис.1 обозначены: 1, 2, 3, 4 - программируемые функциональные клавиши; 5, 6, 7, 8 - программируемые функциональные кнопки; 9 - клавиша Turbo (быстро); 10 - клавиша Clear (четко); 11 - Mini Stick for direction (мини клавиша управления); 12 - первый разъем USB, 13 - второй разъем USB, 14 - кабель USB, 15 - корпус, 16 - матрица видеокамеры, 17 - видеокамера, 18 - объектив, 19 - осветлитель, 20 - отражатель, 21 - механизм перемещения отражателя, 22 - ручка управления.
Назначение
Джойстик оптический - графический манипулятор, управляемый путем отклонения оператором в произвольном направлении от исходного положения ручки управления.
Джойстик оптический (далее - джойстик) предназначен для формирования и выдачи в ПЭВМ с целью последующей обработки в режиме реального времени видеоизображений, содержащих информацию о направлении и величине отклонения ручки.
Кроме того, джойстик предназначен для выдачи в ПЭВМ предварительно запрограммированных кодов при нажатии оператором функциональных клавишей, встроенных в его конструктив.
Область применения
Целевой областью применения джойстика оптического является фотограмметрическое рабочее место (ФРМ) для создания, визуализации и обработки стереоизображений, в состав которого входят два одинаковых джойстика, но с различным функциональным назначением:
- джойстик координат, управляющий синхронным перемещением изображений стереопары по двум осям и предназначенный для наведения на точки стереоизображения в плане;
- джойстик параллаксов, управляющий взаимным перемещением изображений стереопары по двум осям и предназначенный для наведения на точки стереоизображения по высоте.
В общем случае джойстик оптический совместно с его программным обеспечением может быть использован для получения информации о направлении и величине отклонения оператором ручки джойстика с целью управления направлением и, например, скоростью перемещения изображения на экране монитора ПЭВМ или управления другими процессами.
Краткие технические данные и состав изделия
К основным техническим характеристикам изделия относятся:
- наличие двух отдельных трактов: тракта управления перемещением изображений и тракта программируемых клавишей управления процессом, каждый из которых содержит свой контроллер интерфейса USB и завершается соединительным кабелем с USB-разъемом;
- электропитание изделия от цепей питания интерфейсов USB при потреблении не более 500 миллиампер от каждого интерфейса;
- частота выдачи в ПЭВМ информации о текущем положении ручки управления джойстика - до 30 раз в секунду;
- формат выдачи в ПЭВМ информации о текущем положении ручки управления джойстика - AVI;
- максимальный объем разовой выдачи информации о текущем положении ручки управления джойстика - 0,3 мегабайта;
- количество программируемых клавишей управления процессом - 8;
- диапазон рабочих температур - от плюс 5 до плюс 40°С;
- предельная пониженная температура окружающей среды - минус 20°С;
- предельная повышенная температура окружающей среды - плюс 50°С;
- повышенная относительная влажность воздуха - 80% при температуре плюс 25°С;
- исполнение УХЛ по группе 1.1 ГОСТ РВ 20.39.304-98 для установки в постоянно отапливаемых помещениях;
- среднее время наработки на отказ - 10 000 часов;
- среднее время восстановления - не более 30 минут;
- режим работы - круглосуточный с перерывами на проведение технического обслуживания и ремонта;
- гарантийный срок эксплуатации - не менее 5 лет с гарантийной наработкой не менее 10 000 часов;
- гарантийный срок хранения в отапливаемых хранилищах по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ В 9.003-80 - 1.5 года.
Состав изделия
В состав изделия входят:
- джойстик оптический - 1 шт.;
- программное обеспечение джойстика;
- эксплуатационная документация.
Принцип работы
Тракт изделия для управления перемещением изображений содержит соосно расположенные ручку управления, механизм перемещения белого отражателя, оптический канал, светодиодный осветитель, миниатюрную видеокамеру, подключаемую к USB интерфейсу ПЭВМ, и ограждение от влияния внешнего освещения (корпус джойстика).
В исходном положении (при отсутствии воздействия оператора на ручку управления джойстика) все перечисленные элементы тракта в идеальном случае расположены вдоль единой оси. При этом изображение белого отражателя попадает в центр светочувствительной матрицы видеокамеры и это его положение принимается за исходное (нулевое отклонение, начало координат). Изображение воспринимаемой видеокамерой сцены с белым отражателем в центре передается в ПЭВМ, где воспринимается драйвером джойстика и его программным обеспечением, обрабатывается (бинаризируется, вычисляется положение центра изображения белого отражателя в системе координат матрицы видеокамеры), полученные координаты запоминаются и выдаются программному обеспечению ФРМ для дальнейшего использования.
При отклонении оператором ручки управления джойстика в любом направлении это отклонение через механизм перемещения передается белому отражателю и вызывает
соответствующее изменение его положения на воспринимаемой видеокамерой сцене и, следовательно, изменение положения его изображения на светочувствительной матрице видеокамеры. Изображение воспринимаемой видеокамерой сцены со смещенным белым отражателем передается в ПЭВМ, где воспринимается драйвером джойстика и его программным обеспечением, обрабатывается (бинаризируется, вычисляется положение центра изображения белого отражателя в системе координат матрицы видеокамеры), полученные координаты запоминаются и выдаются программному обеспечению ФРМ. При сохранении оператором положения отклоненной ручки выдаваемые координаты остаются постоянными.
При возврате оператором ручки в исходное положение все перечисленные элементы тракта в идеальном случае вновь располагаются вдоль единой оси.
Поскольку в реальности идеальные исполнение и регулировка джойстика невозможны, в программном обеспечении джойстика предусмотрены некоторые дополнительные функции, предназначенные для компенсации допущенных погрешностей. К примеру, к ним могут быть отнесены: возможность по команде оператора принятия за начало координат любого текущего положения центра изображения белого отражателя, возможность создания вокруг начала координат «мертвой зоны» с задаваемым оператором радиусом, возможность калибровки значений показателей максимального отклонения ручки во всех направлениях. Кроме того, обеспечивается возможность задания оператором наиболее удобной для его работы функции зависимости выдаваемых кодов координат от степени отклонения оператором ручки управления. Все вводимые оператором настроечные данные запоминаются как «профиль оператора», который может быть автоматически установлен в процессе идентификации оператора при последующих началах работы. В системе отсутствуют ограничения на количество создаваемых и запоминаемых «профилей оператора».
Тракт программируемых клавишей управления процессом принципиальных особенностей не имеет. Программное обеспечение джойстика позволяет каждой из пронумерованных клавишей джойстика назначить любое обозначение, например, аналогичное обозначениям клавишей универсальной клавиатуры ПЭВМ, выбранных при разработке ПО ФРМ для управления процессом. Назначенные обозначения клавишей управления джойстика запоминаются и вводятся в состав «профиля оператора».
Возможность создания и вызова «профиля оператора» позволяет легко адаптировать свойства рабочего места (ФРМ) к индивидуальным особенностям оператора (праворукий или леворукий, реакция быстрая или замедленная, наиболее активные
пальцы и т.п.), что способствует повышению его производительности, снижению утомляемости и количества ошибок.
Промышленная применимость
Данная полезная модель промышленно реализуема, обладает более широкими функциональными возможностями, разработана на современном техническом уровне, обладает хорошими надежностными характеристиками, приемлемой массой и габаритами.