ДЖОЙСТИК 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.
Наиболее близким аналогом (прототипом) данного технического решения является известное устройство - джойстик ПС5.139.070 изделия СИВС ПС 1.700.066.
Специальные измерительно-вычислительные средства (СИВС) ПС1.700.066 производились в составе:
- ЭВМ СМ 1420-05;
- стереокомпаратор У 8733;
- 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 прототипа является отсутствие стандартного сопряжения с портами персональных ЭВМ.
Сущность технического решения
Известен джойстик для фотограмметрического рабочего места, 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».
Целью данного технического решения является создание джойстика для фотограмметрических работ, обеспечивающего три основных функции:
- малую инерционность ручки управления, т.е. быстрый, без дребезга, возврат из отклоненного состояния в исходное вертикальное положение. Это позволяет сохранить без смещения координаты марки в той точке изображения, в которую ее установил оператор;
- большой нелинейный диапазон скоростей перемещения по изображению: от единичных смещений по одному пикселю при точном наведении марки на измеряемую точку, до сотен пикселей в секунду при быстром перемещении по экрану монитора;
- подключение к ПЭВМ по стандартному интерфейсу. Заявляемый джойстик для фотограмметрического рабочего места 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.
Таким образом, для реализации поставленной цели джойстик для фотограмметрического рабочего места подключается к ПЭВМ через последовательный СОМ-порт с интерфейсом RS-232 и содержит схему формирования сигналов при отклонении его ручки от исходного вертикального положения, реализованную на двух переменных проволочных резисторах, микроконтроллер (МКК) и схему передачи сигналов от МКК по интерфейсу RS-232 в СОМ-порт ПЭВМ, реализованную на базе двух транзисторов VT1 и VT2. МКК коммутирует сигналы от двух джойстиков: джойстика координат и джойстика параллаксов (высот).
Наличие в МКК оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) позволяет оперативно (автоматически при включении ПЭВМ) записывать в него функцию изменения скорости перемещения в зависимости от угла наклона ручки джойстика. Этим обеспечивается нелинейная функция скорости перемещения в зависимости от наклона ручки джойстика: малая скорость на начальном участке отклонения и максимальная только при максимальном отклонении ручки. При этом каждый оператор может подобрать себе наиболее удобную функцию.
Малая инерционность ручки джойстика обеспечивается ее малой массой и пружинной (с гасителями дребезга) связью с переменными резисторами.
Перечень чертежей
На фиг.1 приведена принципиальная схема джойстика для фотограмметрического рабочего места.
Пример варианта выполнения устройства
Джойстик для фотограмметрического рабочего места (фиг.1) состоит из одной механической ручки 1 и трех электронных частей: схемы 2 формирования сигналов от ручки джойстика, микроконтроллера (МКК) 3 и схемы 4 сопряжения МКК с ПЭВМ по интерфейсу RS-232.
Схема формирования сигналов от ручки джойстика 2 содержит первый (R1) 6 и второй (R4) 9 резисторы, первый (R2) 8 и второй (R5) 11 переменные резисторы, третий (R3) 7 и четвертый (R6) 10 резисторы, первый (С2) 12, второй (С3) 13 и третий конденсаторы (С1) 5.
Схема сопряжения 4 МКК с ПЭВМ по интерфейсу RS-232 содержит пятый (R10) 19 и шестой (R8) 16 резисторы, первый транзистор (VT1) 21, седьмой резистор (R11) 22, четвертый конденсатор (С4) 23, второй транзистор (VT2) 15, восьмой резистор (R7) 14, первый диод (VD1) 18, второй диод (VD2) 20, девятый резистор (R9) 17.
Входы МКК PC (0, 1) предназначены для сопряжения с выходами X1, Y1 схемы формирования сигналов от ручки первого джойстика, а входы PC (2, 3) - для сопряжения с выходами Х2, Y2 схемы формирования сигналов от ручки второго джойстика.
Входы 24 предназначены для подключения программатора (внешней схемы программирования постоянного полупроводникового запоминающего устройства ПИЗУ микроконтроллера 3).
Входы 25 (RxD и TxD) предназначены для сопряжения с СОМ-портом ПЭВМ по стыку RS-232.
Ручка 1 кинематически связана со схемой 2 формирования сигналов от ручки джойстика.
Схема 2 формирования сигналов от ручки джойстика состоит из двух переменных резисторов R2 8 и R5 11, начальные точки (контакты 1) которых подключены через ограничительные резисторы R1 6 и R4 9 к напряжению +5 В, а конечные точки (контакты 2) через ограничительные резисторы R3 7 и R6 10 подключены к «земле». Ползуны (выходы) переменных резисторов R2 8 и R5 11 (контакты 3) через конденсаторы С2 12 и С3 13 соответственно подключены к «земле» для исключения резких помех при перемещении ползуна и к входам МКК PC (0, 1) (сигналы X1 и Y1). Конденсатор С1 5 - фильтр питания +5 В. В исходном положении контакт 3 переменных резисторов стоит строго против контакта 4 - половины номинала переменного резистора, которая принимается за ноль выходного сигнала. При этом изменение сопротивления от середины до максимального значения принимается за положительное приращение, а изменение от середины до нуля - за отрицательное.
Микроконтроллер МКК 3 (например, Atmega8-16PI), имеет три группы 6-разрядных входов: на входы PC (0, 1) (2, 3 - для второго джойстика) поступают аналоговые сигналы X1, Y1 (Х2, Y2 - для второго джойстика) от схемы формирования сигналов от ручки джойстика 2, по входам РВ (3, 4, 5) 24 осуществляется программирование ППЗУ, по входам (выходам) PD (0, 1) осуществляется связь с ПЭВМ через схему сопряжения 4.
Схема 4 сопряжения МКК с ПЭВМ по интерфейсу RS-232 осуществляет передачу сигнала от выхода PD (1) МКК через транзистор VT1 21 по сигналу RxD при TxD равном - 12 В. При этом транзистор VT2 15 закрыт, обеспечивая логическую единицу на входе PD (0) МКК, а транзистор VT1 21 открыт или закрыт, в зависимости от состояния PD (1), обеспечивая формирование двуполярных сигналов на выходе RxD
(-12 В...-5 В - единицы, а +5 В...+3 В - нули). Электрорадиоэлементы R7 14, R9 17, VD1 18 и R10 19 обеспечивают ключевой режим работы транзисторов VT1 21 и VT2 15, в то время как R11 22, С4 23, VD2 20 и R8 16 задают уровень сигналов на выходе RxD 25.
Принцип работы схемы
Аналоговые сигналы X1, Y1 (X2, Y2) от джойстика(ов) поступают на входы PC (0, 1, 2, 3). Микропрограмма МКК периодически опрашивает состояние входов и сравнивает их с нулевым состоянием, уровень которого равен половине номинала переменного резистора. Обнаружив сигнал, отличный от нуля, микропрограмма коммутирует его на вход аналого-цифрового преобразователя МКК, фиксирует результат преобразования на одном из 4-х регистров сдвига с соответствующим знаком, передает управление подпрограмме сдвига, формирования амплитуды сигналов и передачи стандартной последовательности сигналов согласно нормам интерфейса RS-232 по выходу RxD и далее переходит к опросу состояния следующего входа и т.д. (повторяет описанный алгоритм). Соответствующая программа ПЭВМ периодически опрашивает регистры СОМ-порта, обнуляет их и изменяет текущие адреса развертки монитора, что приводит к смещению изображения относительно неподвижной марки.
Промышленная применимость
Джойстик, выполненный на базе микроконтроллера, и подключаемый к ПЭВМ через предлагаемую схему сопряжения по интерфейсу RS-232, промышленно реализуем, удобен в работе, имеет широкие функциональные возможности (например, задание нелинейной скорости перемещения по выбору оператора) и низкую себестоимость изготовления.