專利名稱：數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型為一種測(cè)繪地面軌跡的儀器。
現(xiàn)有的測(cè)量地面軌跡的裝置，是采用兩輪連動(dòng)的小車，用機(jī)械數(shù)碼表或光電數(shù)碼盤測(cè)量滾輪所走過(guò)的距離。其缺點(diǎn)是僅能測(cè)量直線距離，不能測(cè)量曲線軌跡。因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)目標(biāo)相對(duì)位置的測(cè)繪，只能通過(guò)手工測(cè)量得到現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)數(shù)據(jù)以后，按一定的比例進(jìn)行計(jì)算，再繪制現(xiàn)場(chǎng)圖。這種辦法效率較低，人工參與較多，誤差較大，特別是對(duì)曲線軌跡，手工繪制的準(zhǔn)確性得不到保證。
本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種能在交通事故現(xiàn)場(chǎng)或其它測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)中快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地獲取各種軌跡、多個(gè)目標(biāo)位置和其它各種數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪出現(xiàn)場(chǎng)圖的數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀，以解決現(xiàn)場(chǎng)軌跡的快速、自動(dòng)測(cè)繪問(wèn)題，改變傳統(tǒng)低效的皮尺測(cè)量、手工繪制現(xiàn)場(chǎng)圖的方法，縮短現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)時(shí)間，大幅度提高工作效率。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)是一輛具有兩個(gè)或兩個(gè)以上輪子的手推(拉)車中，一對(duì)左右輪子中的每個(gè)輪子各具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，左輪的左轉(zhuǎn)動(dòng)軸上緊固有與該軸垂直的左調(diào)制盤、右輪的右轉(zhuǎn)動(dòng)軸也緊固有與該軸垂直的右調(diào)制盤，每個(gè)調(diào)制盤上沿圓周均布有多個(gè)小孔，在每個(gè)調(diào)制盤的一側(cè)設(shè)有一光電發(fā)射管、其對(duì)側(cè)設(shè)有一光電接受管，每個(gè)光電接受管的輸出端與一個(gè)模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸入端相連，該模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸出端與單片機(jī)中央控制單元的輸入端相連。所說(shuō)光電發(fā)射管和光電接受管可以為紅外線的，也可以為可見(jiàn)光的，但最好為紅外線的。調(diào)制盤上沿圓周均布的小孔最好為50～100個(gè)方形孔，具體數(shù)量根據(jù)測(cè)繪的分辨率而定。模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)中央控制單元以及它們之間的連接關(guān)系都是已有技術(shù)，為本專業(yè)的普通技術(shù)人員所知。
本實(shí)用新型采用兩輪軸分離的滾輪車沿地面軌跡運(yùn)行，用光電測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)采集兩邊輪的運(yùn)行距離，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，得出運(yùn)行軌跡每一點(diǎn)的方位及坐標(biāo)位置等數(shù)據(jù)。單片機(jī)能夠智能化控制前端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、顯示、暫存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)RS232串行通訊，最后可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行圖形處理、現(xiàn)場(chǎng)出圖及數(shù)據(jù)庫(kù)存檔。
本實(shí)用新型的工作原理根據(jù)目標(biāo)識(shí)別上的四象限定位原理，通過(guò)兩邊輪的四路光電探測(cè)信號(hào)精確獲取軌跡測(cè)量點(diǎn)在二維平面上的方位信息，由單片機(jī)和計(jì)算機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)按數(shù)學(xué)理論公式進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行圖形處理，得到現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)圖。
見(jiàn)

圖1，通過(guò)左右兩邊輪A和B在采樣頻率內(nèi)采集的軌跡A1A2A3A4A5和B1B2B3B4B5的長(zhǎng)度，可推算出軌跡中心線O1O2O3O4O5的形狀和總長(zhǎng)度。
見(jiàn)圖2，軌跡測(cè)繪儀由位置0到位置1，其方位是由兩邊輪A和B所決定，用兩邊輪的中點(diǎn)C來(lái)進(jìn)行表示。假如在任一位置C0，知道其坐標(biāo)為(x0，y0)，方位角為α1。當(dāng)軌跡儀運(yùn)動(dòng)到下一位置C1時(shí)，邊輪A和邊輪B的運(yùn)行長(zhǎng)度a，b由儀器通過(guò)光電方法檢測(cè)出來(lái)。由此就可以計(jì)算出C1的坐標(biāo)點(diǎn)(x1,y1)以及方位角a2。
如果將C0到C1的距離取得較短(也就是采樣頻率較高)，就可以認(rèn)為軌跡儀在這兩點(diǎn)之間的運(yùn)行是一段以O(shè)點(diǎn)為圓心的圓弧，即有以下關(guān)系(r+D)·β=ar·β=b式中f為圓心O到邊輪B的距離，D為兩邊輪之間的距離，B為由C0到C1所旋轉(zhuǎn)的角度，用弧度表示，a、b分別為兩邊輪運(yùn)行的距離。由以上兩式可以得到；r=D·ba-b]]>β=a-bD]]>同時(shí)有α2=αl+βC0到C1的距離c為c=2·(r+D2)·sin(β2)]]>=a+bβ·sin(β2)]]>C0C1與X軸的夾角為δδ=(π2-β2)-(π2-α2)]]>=α2-β2]]>=α1+β2]]>即可得出C1點(diǎn)的坐標(biāo)x1=x0+d·cosδ]]>=x0-a+bβ·sin(β2)·cos(α1+β2)]]>y1=y0-d·sinδ]]>=y0-a+bβ·sin(β2)·sin(α1+β2)]]>假如軌跡測(cè)繪儀所運(yùn)行的是一直線，即β=0，則以上公式變?yōu)閤1=x0+a+b2cos(α1)]]>y1=y0-a+b2sin(α1)]]>通過(guò)以上推導(dǎo)，可以得出以下結(jié)論當(dāng)軌跡儀運(yùn)行的不是直線，即a≠b時(shí)，軌跡儀下一點(diǎn)的坐標(biāo)和方位角為β=a-bD----α2=α1+β]]>x1=x0+a+bβ·sin(β2)·cos(a1+β2)]]>y1=y0-a+bβ·sin(β2)·sin(α1+β2)]]>當(dāng)軌跡儀運(yùn)行的是一條直線，即a=b時(shí)，軌跡儀下一點(diǎn)的坐標(biāo)和方位角為β=0α2=α1x1=x0+a+b2cos(α1)]]>y1=y0-a-b2sin(α1)]]>通過(guò)以上公式就可以計(jì)算得到軌跡儀在運(yùn)行過(guò)程中任一點(diǎn)的坐標(biāo)位置和方位角。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1可測(cè)試任何形狀的軌跡；2可實(shí)時(shí)顯示軌跡的長(zhǎng)度；3可一次測(cè)量多個(gè)軌跡；4可記錄并顯示每個(gè)軌跡的形狀、長(zhǎng)度和方位；5可實(shí)時(shí)顯示測(cè)試中的速度；6精度高，長(zhǎng)度可精確到5mm，方位角可精確到至少3°以下；7可單獨(dú)使用，也可與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)永久儲(chǔ)存；8計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖處理，現(xiàn)場(chǎng)出圖，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)永久保存，便于事后檢索查詢；9計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件功能強(qiáng)大，界面友好，可對(duì)軌跡進(jìn)行多項(xiàng)分析處理；10適應(yīng)性好，可用于任何狀況的路面，也可在任何氣候條件下使用；11使用方便，操作簡(jiǎn)單，后端的出圖處理由計(jì)算機(jī)全自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工干預(yù)。
以上功能是目前任何現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪儀器所無(wú)法同時(shí)具備的。
由于本發(fā)明具有以上主要功能，因此可以廣泛應(yīng)用于交通事故、地質(zhì)勘探、建筑以及其它地面目標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)圖測(cè)繪。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮尺量測(cè)、手工繪制現(xiàn)場(chǎng)圖的方法，可以大幅度提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的效率和速度，測(cè)繪精度也得到較好的保證。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪方面具有較高的實(shí)用價(jià)值。
圖1和圖2為本實(shí)用新型的測(cè)繪數(shù)學(xué)原理示意圖。
圖3為實(shí)施例的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，其中(1)為左視圖，(2)為主視圖，(3)為控制盒部分4的A向視圖。
圖4為實(shí)施例中滾輪車部分的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(1)為主視剖面圖，(2)為右視圖(帶局部剖面)。
圖5為實(shí)施例中光電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(1)為主視局部剖圖，(2)為A-A剖視圖。
圖6為實(shí)施例中智能控制電路部分的電結(jié)構(gòu)原理圖。
圖7為實(shí)施例中四路光電采集信號(hào)電路的單路原理圖。
圖8為實(shí)施例中控制面板外觀圖。
圖9為實(shí)施例用于某交通事故現(xiàn)場(chǎng)軌跡測(cè)量的要求示意圖。
圖10為實(shí)施例用于該交通事故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量軌跡后的結(jié)果示意圖。
圖11為實(shí)施例的工作過(guò)程框圖。
實(shí)施例見(jiàn)圖3-圖11。
儀器的機(jī)械總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，分為四個(gè)大的部分滾輪車部分1、伸縮連接桿部分2、手柄部分3、控制盒部分4。
伸縮桿連接桿部分2，作用是連接手柄與滾輪車，采用三連桿的形式，使用中最長(zhǎng)可達(dá)到1.2米，適應(yīng)于任何身高的操作人員，收縮起來(lái)，整個(gè)儀器僅有0.4米左右，可以放入專制提袋中方便攜帶。
手柄部分3，采用了人機(jī)工學(xué)的原理，考慮了操作中人員的舒適性與方便性，同時(shí)將電池放于手柄中，結(jié)構(gòu)較為緊湊，更換電池也較為方便。手柄部件中設(shè)計(jì)了與控制盒部分4相連接的插頭座和控制盒插槽，可以方便地與控制盒連接。
控制盒部分4，安裝了控制與數(shù)據(jù)處理線路板、CPU、液晶顯示屏、與計(jì)算機(jī)連接的接口和操作按鍵。軌跡測(cè)量時(shí)將其插到手柄上，與滾輪車的數(shù)據(jù)采集部分以及電源相連，操作較為方便。測(cè)量完畢，將其拔出，與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)控制盒也可單獨(dú)使用，進(jìn)行軌跡查詢。
滾輪車部分1，其主要功能是軌跡運(yùn)行及軌跡數(shù)據(jù)的傳感，見(jiàn)圖4它由兩邊輪5、6，輪軸箱7和方向定位器15(羅盤)組成，輪軸箱內(nèi)有左右分離的傳動(dòng)軸9和10，左右調(diào)制盤11和12，電路板13以及其它零部件。設(shè)計(jì)中充分考慮了軌跡儀的使用環(huán)境，采用了密封結(jié)構(gòu)，防水性和密封性都得到保證。圖4中14為端蓋，16為上蓋板，17為檔圈，18為軸承，19為緊定銷釘。圖3中8為緊固螺釘。
滾輪車部分1內(nèi)光電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。13是電路板，正面安裝數(shù)據(jù)采集芯片及其它電子元器件，反面安裝紅外發(fā)射管20及紅外接受管21。調(diào)制盤12安裝在輪軸10上，輪軸的兩端用軸承固定在輪軸箱內(nèi)，其中的一端伸出輪軸箱與邊輪連接，輪軸隨邊輪的滾動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)調(diào)制盤12轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)制盤12邊沿上均勻分布著50～100個(gè)方形孔，具體數(shù)量根據(jù)測(cè)繪的分辨率而定。調(diào)制盤12轉(zhuǎn)動(dòng)使光電發(fā)射管20發(fā)射的光信號(hào)得到調(diào)制，光電接受管21接受到的信號(hào)就是一系列的正弦波，數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)波形的個(gè)數(shù)即可判別出邊輪所滾過(guò)的距離。
該實(shí)施例中智能控制電路部分采用ATMEL公司的AT89C51型單片機(jī)，其最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)器。在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充1片9155存儲(chǔ)器，連接鍵盤控制電路。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖6，由四路光電采集信號(hào)電路、液晶顯示電路、控制命令按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、RS232接口通信電路幾大部分組成。上述各電路及其連接關(guān)系都是已有技術(shù)，為本專業(yè)的普通技術(shù)人員所知。
其中四路光電采集信號(hào)電路用于采集軌跡信息，其單路工作原理見(jiàn)圖7。軌跡測(cè)繪儀滾動(dòng)時(shí)對(duì)發(fā)射光源產(chǎn)生調(diào)制，光電接收器產(chǎn)生響應(yīng)的調(diào)制模擬電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)整電路對(duì)其電平進(jìn)行修正，再由模-數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能采集的數(shù)字信號(hào)。
電路控制程序由51單片機(jī)專用匯編語(yǔ)言編寫，存儲(chǔ)在89C51的4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器中，89C51在程序指揮下控制四路光信號(hào)采集電路采集傳輸而來(lái)的軌跡信息，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在256K外部存儲(chǔ)器中。
每采集完一段軌跡信息，程序計(jì)算軌跡長(zhǎng)度并把結(jié)果傳輸?shù)揭壕э@示電路顯示，事故現(xiàn)場(chǎng)全部信息軌跡采集完閉后，再控制通信接口電路把全部軌跡信息數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行事故平面現(xiàn)場(chǎng)比例圖圖形處理。
本實(shí)施例軌跡測(cè)繪儀的工作過(guò)程和程序控制可結(jié)合軌跡測(cè)繪儀的控制面板的命令按鍵和簡(jiǎn)單圖例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。軌跡測(cè)繪儀的控制面板見(jiàn)圖8。
如圖9所示的交通事故現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量軌跡，共需測(cè)量軌跡1(道路邊緣)、軌跡2(剎車痕跡)、軌跡3(機(jī)動(dòng)車輛)、軌跡4(自行車)、軌跡5(道路邊緣)等5段軌跡，操作步驟如下(1)測(cè)量時(shí)把控制盒插入軌跡測(cè)繪儀，軌跡測(cè)繪儀放于測(cè)量起點(diǎn)，打開(kāi)電源，軌跡測(cè)繪儀進(jìn)行初始化，自動(dòng)設(shè)置單片機(jī)工作模式，中斷方式等。等待采集數(shù)據(jù)。(2)接著按下道路(D)按鍵，設(shè)下本段軌跡類型標(biāo)志“D”，以便區(qū)分采集數(shù)據(jù)所屬軌跡類型。此時(shí)LCD液晶屏上顯示“D1 S”，表示準(zhǔn)備開(kāi)始采集第一段道路軌跡。(3)按下軌跡采集(S/E)鍵，沿軌跡路線推動(dòng)軌跡測(cè)繪儀，開(kāi)始采集道路D1軌跡。采集數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)到256K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指定地址。(4)到達(dá)道路D1軌跡終點(diǎn)時(shí)，再按下軌跡采集(S/E)鍵，結(jié)束本段軌跡采集，LCD液晶屏上顯示“D1 E”和道路D1軌跡長(zhǎng)度，表示采集完第一段道路軌跡。(5)沿任一路線(直線最好)推動(dòng)軌跡測(cè)繪儀到達(dá)“剎車痕跡”起點(diǎn)，軌跡測(cè)繪儀會(huì)記錄這段路線的信息，以確定“剎車痕跡F1”起點(diǎn)的相對(duì)平面坐標(biāo)。(6)接著按下痕跡(F)按鍵，設(shè)下本段軌跡類型標(biāo)志“F”，以便區(qū)分采集數(shù)據(jù)所屬軌跡類型為痕跡。此時(shí)LCD液晶屏上顯示“F1 S”，表示準(zhǔn)備開(kāi)始采集第一段痕跡軌跡。
其余測(cè)量軌跡操作步驟同前。測(cè)量完所有軌跡后，按下“采集結(jié)束(stop)”鍵。表示結(jié)束采集狀態(tài)。(7)按下“查詢(seek)”鍵，可依次顯示各段軌跡長(zhǎng)度。(8)將軌跡儀上的控制盒拔出并連接到筆記本電腦的通信接口上，打開(kāi)電腦圖形處理程序，選擇通信狀態(tài)，按下控制盒上“發(fā)送(TRANFER)”鍵，就可把采集軌跡全部信息傳送給電腦。(10)按“清除數(shù)據(jù)(Clear)”鍵，軌跡儀清除E2ROM中的采集數(shù)據(jù)。(11)按“復(fù)位(Reset)”鍵，軌跡儀將重新進(jìn)入采集狀態(tài)。
數(shù)據(jù)、圖形處理軟件軟件采用Visual Basic或Visual C++高級(jí)編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，應(yīng)用面向?qū)ο蠓椒?、多媒體技術(shù)、交互式界面、矢量圖形處理技術(shù)。提供完善的WINDOWS環(huán)境下的圖形繪制工具，編輯功能強(qiáng)大。用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況繪制相應(yīng)的平面圖，圖形以矢量方式表示，因此可以任意放大及縮小。
軌跡測(cè)繪儀所采集軌跡全部信息傳送給電腦后，程序可自動(dòng)計(jì)算繪制出現(xiàn)場(chǎng)特征曲線圖，并可軌跡標(biāo)識(shí)自動(dòng)調(diào)取圖庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)物體標(biāo)識(shí)模型繪制交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖，見(jiàn)圖10。
以上實(shí)施例僅為了對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明，而本實(shí)用新型的范圍不受所舉實(shí)施例的局限。
權(quán)利要求1.一種數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀，其特征是一輛具有兩個(gè)或兩個(gè)以上輪子的手推(拉)車中，一對(duì)左右輪子中的每個(gè)輪子各具有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，左輪的左轉(zhuǎn)動(dòng)軸上緊固有與該軸垂直的左調(diào)制盤、右輪的右轉(zhuǎn)動(dòng)軸也緊固有與該軸垂直的右調(diào)制盤，每個(gè)調(diào)制盤上沿圓周均布有多個(gè)小孔，在每個(gè)調(diào)制盤的一側(cè)設(shè)有一光電發(fā)射管、其對(duì)側(cè)設(shè)有一光電接受管，每個(gè)光電接受管的輸出端與一個(gè)模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸入端相連，該模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸出端與單片機(jī)中央控制單元的輸入端相連。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀，其特征是所說(shuō)的光電發(fā)射管和光電接受管分別為紅外光電發(fā)射管和紅外光電接受管。
3.如權(quán)利要求2所說(shuō)的數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀，其特征是調(diào)制盤上沿圓周均布的小孔為50～100個(gè)方形孔。
4.如權(quán)利要求3所說(shuō)的數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀，其特征是手推(拉)車具有兩個(gè)輪子。
5.如權(quán)利要求4所說(shuō)的數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀，其特征是手推(拉)車具有伸縮桿連接桿。
6.如權(quán)利要求5所說(shuō)的數(shù)字式軌跡測(cè)繪儀，其特征是具有可插拔的控制盒，控制盒內(nèi)安裝有控制與數(shù)據(jù)處理線路板、CPU、液晶顯示屏以及操作按鍵，并有與計(jì)算機(jī)連接的接口。
專利摘要本實(shí)用新型為測(cè)繪地面軌跡的儀器。一對(duì)左右輪子中的每個(gè)輪子各具有一緊固有調(diào)制盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸,調(diào)制盤上沿圓周均布有多個(gè)小孔,在每個(gè)調(diào)制盤的一側(cè)設(shè)有一光電發(fā)射管、其對(duì)側(cè)設(shè)有一光電接受管,每個(gè)光電接受管的輸出端與模擬－數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸入端相連,該模擬－數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的輸出端與單片機(jī)中央控制單元的輸入端相連。優(yōu)點(diǎn):可測(cè)繪任何形狀的軌跡,精度高;可與計(jì)算機(jī)連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,現(xiàn)場(chǎng)出圖;適應(yīng)性好,使用方便,操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01C7/00GK2435722SQ0022380
公開(kāi)日2001年6月20日 申請(qǐng)日期2000年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月26日
發(fā)明者楊文運(yùn), 唐福萍, 程進(jìn), 陳宇紅, 浦恩超 申請(qǐng)人:云南省道路交通管理科學(xué)技術(shù)研究所, 昆明物理研究所