一种四罗盘四指针式指南车及其使用方法

摘要

本发明提供了一种四罗盘四指针式指南车，包括车底盘、车轴和对称设置在车轴两端的第一轮组和第二轮组。第一轮组包括第一车轮；第一指针，用于指示第一车轮绕车轴的转角；第一辁轮，同轴地固定设置于第一车轮的外侧，半径小于第一车轮的半径；第一车销，固定设置于车轴的第一端，并位于第一辁轮的外侧，用以指示第一辁轮绕车轴的转角；以及车辕，固定设置于车底盘上侧的前端，指向指南车的前进方向；第一车轮和第二车轮的直径二倍于第一车轮和第二车轮的间距。本发明以四罗盘四指针的结构，使指南车在计算方位角时可以依据测量场地的情况而灵活选取罗盘组合，有效提高方位角的读数和测量精度。本发明还提供一种四罗盘四指针式指南车的使用方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种指示方位的装置，尤其涉及一种四罗盘四指针式指南车及其使用方法。

背景技术

指南车，又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种装置，被认为是中国古代最伟大的发明创造之一，是一种比指南针更古老的定位指南工具。虽然中国的史书与古籍有许多关于指南车发明人、发明朝代的记述，也有一些关于指南车外观特点与功能的描述，但是都没有具体机械原理的说明，更没有留下图纸和实物，使得指南车的具体结构和使用方法在漫长的历史过程中逐渐失传乃至无人所知。

对于指南车的具体结构，一般认为其所依据的方位角测量原理为：在行走过程中，指南车两个车辆的差动带动车内的木制齿轮转动，再由木制齿轮转动来带动车上的指向木人与指南车的方位角相联动。已知的指南车结构，在进行方位角的计算时则依赖于继续推动指南车沿直线轨迹行驶，这使得场地环境对计算结果的影响较大，在不够平坦或难以推动指南车沿直线行驶的场地环境下，非直线轨迹将会对原有测量结果产生影响，降低指南车对方位角的测量精度。

其他已知的指南车接受例如英国学者兰澈斯特于1947年利用“行星齿轮技术”复制出一种具有方向指示功能的指南车，但是其中的行星齿轮结构过于复杂，而且加工成本过高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种四罗盘四指针式指南车，能够使指南车在计算方位角时依据测量场地的情况而灵活选取罗盘组合，使指南车的方位角计算不再依赖于继续推动指南车直线行驶，简化方位角的计算步骤，有效提高方位角的读数和测量精度。而且结构简单，加工成本低。

本发明提供一种四罗盘四指针式指南车，包括：

车底盘，可转动地设置于所述车底盘的车轴，设置在所述车轴两端的第一轮组和第二轮组以及固定设置于所述车底盘前端并指向所述指南车前进方向的车辕，所述第一轮组包括：

第一车轮，可转动地设置于所述车轴的第一端；

第一指针，固定设置于所述车底盘，并从所述第一车轮的外侧沿径向指向所述车轴，用于指示所述第一车轮绕所述车轴的转角；

第一辁轮，同轴地固定设置于所述第一车轮的外侧，且半径小于所述第一车轮的半径；以及

第一车销，固定设置于所述车轴的第一端，并位于所述第一辁轮的外侧，用以指示所述第一辁轮绕所述车轴的转角；

其中，所述第二轮组包括：

第二车轮，第二指针，第二辁轮和第二车销，分别与所述第一轮组中的第一车轮、第一指针、第一辁轮和第一车销对称设置，并且所述第一车轮和所述第二车轮的直径二倍于所述第一车轮和所述第二车轮的间距。

优选地，所述第一车轮和所述第二车轮的外侧均设有第一刻度，所述第一辁轮和所述第二辁轮的外侧均设有第二刻度，所述第一刻度和所述第二刻度均以所述车轴为圆心沿周向均匀分布。

优选地，所述第一刻度包括阴阳爻或甲骨文的24个相位，使所述第一车轮和所述第二车轮分别构成所述指南车的第一罗盘和第二罗盘。

优选地，所述第二刻度包括阴阳爻或甲骨文的8个相位，以使所述第一辁轮和所述第二辁轮分别构成所述指南车的第三罗盘和第四罗盘。

优选地，所述第一车销相对于所述车轴沿径向向外伸出，且所述第一车销一端的外伸长度大于另一端的外伸长度，所述第二车销对称于所述第一车销设置，以使所述第一车销和所述第二车销的长度方向互相平行，且两者外伸长度较长的一端位于所述车轴的同一侧。

优选地，所述四罗盘四指针式指南车还包括：

第一轴套，固定设置于所述车底盘的下侧，并设有轴孔，所述轴孔用于可转动地穿设所述车轴；以及

第二轴套，固定设置于所述车底盘的下侧，与所述第一轴套分别位于所述车底盘宽度方向的两端，并设有轴孔，所述轴孔用于可转动地穿设所述车轴。

优选地，所述四罗盘四指针式指南车还包括：

第一车梆，包括垂直部和外伸部，所述垂直部垂直设置于所述车底盘上侧并靠近于所述第一车轮，所述外伸部设置于所述垂直部的顶端并向外侧伸出；以及

第二车梆，与所述第一车梆对称设置于所述车底盘并靠近于所述第二车轮；

其中，所述第一车梆和所述第二车梆的垂直部顶端均高于对应的所述第一车轮和所述第二车轮，以使分别固定设置于所述第一车梆和所述第二车梆的第一指针和第二指针从上方指向所述车轴。

在本发明的另一个方面，提供一种根据前文任一项所述的四罗盘四指针式指南车的使用方法，包括以下步骤：

将车辕调整至指向设定方向；

将第一指针、第二指针、第一车销和第二车销分别调整至指向对应的第一车轮、第二车轮、第一辁轮、第二辁轮的转角零点；

操作所述车辕使所述指南车前进、后退或转弯；

在需要测量车辕方位时，计算第一指针所指向的第一车轮的转角与第二指针所指向的第二车轮的转角的角度差，或计算第一车销所指向的第一辁轮的转角与第二车销所指向的第二辁轮的转角的角度差；以及

由所述角度差得到车辕相对于所述设定方向所转过的方位角。

优选地，所述使用方法还包括以下步骤：

将车辕调整至指向设定方向；

保持车底板静止，悬空转动第一车轮和第二车轮，使第一指针和第二指针均指向对应的所述第一车轮和所述第二车轮的转角零点；

操作所述车辕使指南车前进、后退或转弯；

在需要测量车辕方位时，控制指南车直线行驶，直至所述第一指针和所述第二指针两者中的一个指向所述转角零点时，读取两者中的另一个所指向的刻度值；以及

由所述刻度值得到车辕相对于所述设定方向所转过的方位角。

优选地，所述使用方法还包括以下步骤：

将车辕调整至指向设定方向；

保持车底板静止，悬空转动第一辁轮和第二辁轮，使第一车销和第二车销均指向对应的所述第一辁轮和所述第二辁轮的转角原点；

操作所述车辕使指南车前进、后退或转弯；

在需要测量车辕方位时，保持所述第一辁轮和所述第二辁轮静止，转动所述第一车销和所述第二车销使两者中的一个指向所述转角原点，读取两者中的另一个所指向的刻度值；以及

由所述刻度值得到车辕相对于所述设定方向所转过的方位角。

因此，基于本发明指南车的四罗盘四指针结构，可以根据测量场地的情况灵活选取罗盘组合进行方位角测量，提高读数和测量精度：在场地条件较好的情况下，可以选择第一罗盘和第二罗盘组合，以借助其上更密的刻度得到更高的读数精度；而在测量场地空间不足或不够平整的情况下，则可以选择第三罗盘和第四罗盘的组合，仅需在原地对第一车销或第二车销进行转动，就可以完成方位角的测量，减少场地对测量精度的影响。

而且，本发明的指南车结构简单，安装方便，使用容易。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本发明的四罗盘四指针式指南车主视角度的结构示意图；

图2为本发明的四罗盘四指针式指南车仰视角度的结构示意图；

图3为本发明的四罗盘四指针式指南车后视角度的结构示意图。

附图标记说明：

1-第一车轮 2-第一辁轮 3-第一指针

4-第一车销 5-第二车轮 6-第二辁轮

7-第二车销 8-车轴 9-第二轴套

10-第一轴套 11-车底盘 12-车辕

13-第二指针 14-第一车梆 15-第二车梆

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

如图1-3所示：

本发明提供一种四罗盘四指针式指南车，包括车底盘11，可转动地设置于车底盘11的车轴8，设置在车轴8两端的第一轮组和第二轮组以及固定设置于车底盘11前端并指向指南车前进方向的车辕12。

第一轮组包括第一车轮1、第一指针3、第一辁轮2和第一车销4。其中的第一车轮1可转动地设置于车轴8的第一端；第一指针3固定设置于车底盘11，并从第一车轮1的外侧沿径向指向车轴8，用于指示第一车轮1绕车轴8的转角；第一辁轮2同轴地固定设置于第一车轮1的外侧，且半径小于第一车轮1的半径；而第一车销4则固定设置于车轴8的第一端，并位于第一辁轮2的外侧，用以指示第一辁轮2绕车轴8的转角；

第二轮组包括第二车轮5，第二指针13，第二辁轮6和第二车销7，分别与第一轮组中的第一车轮1、第一指针3、第一辁轮2和第一车销4对称设置，并且第一车轮1和第二车轮5的直径二倍于第一车轮1和第二车轮5的间距。

第一车轮1和第二车轮5均相对于车轴8可独立旋转，而第一辁轮2和第二辁轮6又分别固定设置在对应的第一车轮1和第二车轮5上，因此本发明所提供的指南车的第一轮组和第二轮组的转动情况互不干涉。基于此，设置第一车轮1和第二车轮5的直径二倍于第一车轮1和第二车轮5的间距，就能通过第一车轮1和第二车轮5的转角差，或第一辁轮2和第二辁轮6的转角差换算得到指南车的车辕12所转过的角度。

对方位角的计算原理解释如下：

当指南车直线前进或后退时，第一车轮1与第二车轮5的转速一致，所以第一指针3和第二指针13所指向的第一车轮1和第二车轮5的转角一致，角度差为零，即换算得到指南车的车辕12所转过的角度为零。

当指南车转弯行驶时，无论转弯半径如何，转弯轨迹怎样复杂，该转弯行驶的位移过程都能被分解为直线运动和旋转运动的组合。以指南车向第一车轮1一侧转弯为例，该旋转运动在地面划过的轨迹是以第一车轮1的最低点为转动中心，以第二车轮5最低点为半径所划过的一段圆弧轨迹。

对于该圆弧轨迹而言，在不考虑第二车轮5与地面相对滑动的情况下，其弧长应当等于第二车轮5开始旋转时的最低点或第二车轮5半径处的任一点绕车轴8转动的弧长。再结合第一车轮1与第二车轮5的间距相等于第二车轮5的半径这一前提条件，圆弧轨迹所对应的第一圆心角应当等于第二车轮5半径处的任一点绕车轴8转动的弧长所对应的第二圆心角，也即指南车的车辕12所转过的角度就等于第二车轮5所转过的角度。举例而言，当指南车向第一车轮1一侧转弯360度时，第二车轮5绕车轴也转动了360度。而指南车向第二车轮5一侧转弯与之同理，这里不再赘述。

由此可得，指南车的车辕12所转过的角度与第一车轮1和第二车轮5之间的转角差相互对应且时刻同步，加之第一指针3和第二指针13对称设置且相对于车底板固定，所以指南车的转弯角度就能够被第一车轮1、第二车轮5和与之相配的第一指针3、第二指针13所计算出来。

类似地，由于第一辁轮2和第二辁轮6分别同轴地固定设置于第一车轮1和第二车轮5，因此第一辁轮2和第一车轮1的转动情况完全一致，而第二辁轮6和第二车轮5的转动情况完全一致。由此，通过计算第一辁轮2和第二辁轮6的转角差同样能够计算得到指南车的转弯角度。此时，为了方便对两侧的第一辁轮2和第二辁轮6各自转角的读取，车轴8的两端还固定设置有第一车销4和第二车销7，分别用作第一辁轮2和第二辁轮6读取转角的指针。

此外，在本发明所提供的指南车的使用过程中，由于指南车是用两侧的第一轮组与第二轮组的转角相减来计算指南车的转弯角度，因此为了提高计算精度，有必要在使用前先将两侧轮组的初始转角同步归零。此外，当本发明所提供的指南车在车辕12初始指向正南时，后续计算的第一轮组与第二轮组的转角差能够对应表征车辕12所指方向与正南间的角度。而类似地，当指南车的车辕12指向任一设定方向时，后续计算的第一轮组与第二轮组的转角差对应表征的就是车辕12所指方向与该设定方向之间的角度。

因此，基于本发明指南车的四罗盘四指针结构，可以根据测量场地的情况灵活选取罗盘组合进行方位角测量，提高读数和测量精度：在场地条件较好的情况下，可以选择第一罗盘和第二罗盘组合，以借助其上更密的刻度得到更高的读数精度；而在测量场地空间不足或不够平整的情况下，则可以选择第三罗盘和第四罗盘的组合，仅需在原地对第一车销或第二车销进行转动，就可以完成方位角的测量，减少场地对测量精度的影响。

对本发明指南车依据四罗盘四指针结构所取得的技术效果说明如下：

本发明所提供的指南车的第一使用方法包括以下步骤：①将车辕12调整至指向设定方向；②将第一指针3、第二指针13、第一车销4和第二车销7分别调整至指向对应的第一车轮1、第二车轮5、第一辁轮2、第二辁轮6的转角零点；③操作车辕12使指南车前进、后退或转弯；④在需要测量车辕12方位时，计算第一指针3所指向的第一车轮1的转角与第二指针13所指向的第二车轮5的转角的角度差，或计算第一车销4所指向的第一辁轮2的转角与第二车销7所指向的第二辁轮6的转角的角度差；以及⑤由角度差得到车辕12相对于设定方向所转过的方位角。

当使用第一车轮1和第二车轮5的角度差进行计算时，本发明所提供的指南车的第二使用方法则包括以下步骤：①将车辕12调整至指向设定方向；②保持车底板静止，悬空转动第一车轮1和第二车轮5，使第一指针3和第二指针13均指向对应的第一车轮1和第二车轮5的转角零点；③操作车辕12使指南车前进、后退或转弯；④在需要测量车辕12方位时，控制指南车直线行驶，直至第一指针3和第二指针13两者中的一个指向转角零点时，读取两者中的另一个所指向的刻度值；以及⑤由刻度值得到车辕12相对于设定方向所转过的方位角。

而当使用第一辁轮2和第二辁轮6的角度差进行计算时，本发明所提供的指南车的第三使用方法则包括以下步骤：①将车辕12调整至指向设定方向；②保持车底板静止，悬空转动第一辁轮2和第二辁轮6，使第一车销4和第二车销7均指向对应的第一辁轮2和第二辁轮6的转角原点；③操作车辕12使指南车前进、后退或转弯；④在需要测量车辕12方位时，保持第一辁轮2和第二辁轮6静止，转动第一车销4和第二车销7使两者中的一个指向转角原点，读取两者中的另一个所指向的刻度值；以及⑤由刻度值得到车辕12相对于设定方向所转过的方位角。

比较上述第一使用方法、第二使用方法和第三使用方法：

具有刻度的第一车轮1、第二车轮5、第一辁轮2和第二辁轮6能够更直观且准确地计算两轮之间的转角差。由此，为了方便标识和读取第一车轮1、第二车轮5、第一辁轮2和第二辁轮6所转过的角度，在一个优选的实施例中，第一车轮1和第二车轮5的外侧均设有第一刻度，第一辁轮2和第二辁轮6的外侧均设有第二刻度，第一刻度和第二刻度均以车轴8为圆心沿周向均匀分布。

而考虑到第一车轮1和第二车轮5的半径大于第一辁轮2和第二辁轮6的半径，在另一个优选的实施中，第一刻度包括阴阳爻或甲骨文的24个相位，使第一车轮1和第二车轮5分别构成指南车的第一罗盘和第二罗盘，第二刻度包括阴阳爻或甲骨文的8个相位，以使第一辁轮2和第二辁轮6分别构成指南车的第三罗盘和第四罗盘。

依据于第一罗盘、第二罗盘的半径和第三罗盘、第四罗盘的半径的大小关系，使设置于半径更大的第一罗盘、第二罗盘上的第一刻度的分布密度更密集、最小分度值更小，从而提高基于第一刻度的读数精度；而使第三罗盘、第四罗盘上的第二刻度的分布密度较疏，使第二刻度所包括的阴阳爻或甲骨文的8个相位之间具有合适的间距，从而方便于对第二刻度的读数。

比较上述的第二使用方法和第三使用方法：

在步骤④中，第二使用方法需要在指南车准备计算角度后继续控制指南车直线行驶，而这一直线行驶过程不但对测量场地提出了要求，还会在指南车未严格按照直线轨迹行驶时导致车辆方位角发生变化，降低方位计算的准确度。而在第三使用方法中则无须控制指南车继续行驶，仅需在原地对第一车销4或第二车销7进行转动，就可以完成方位角的测量。这一使用方法能够方便指南车的方位角计算，使之可以在任意狭小空间内展开，并且不需要考虑指南车继续行驶时保持直线轨迹的问题，提高方位角的测量精度。

相对地，第一车轮1和第二车轮5的半径较第一辁轮2和第二辁轮6更大，因此第一刻度较第二刻度的分布更密，并且具有更小的最小分度值，从而可以在测量场地情况较好时，选择继续控制指南车直线行驶，并以半径更大的第一车轮1和第二车轮5提高读数的精准度。

在另一个优选的实施例中，第一车销4相对于车轴8沿径向向外伸出，且第一车销4一端的外伸长度大于另一端的外伸长度，第二车销7对称于第一车销4设置，以使第一车销4和第二车销7的长度方向互相平行，且两者外伸长度较长的一端位于车轴8的同一侧，从而使第一车销4和第二车销7的方位指示更加显著易识。

在另一个优选的实施例中，指南车还包括第一轴套10和第二轴套9，其中的第一轴套10固定设置于车底盘11的下侧，并设有用于可转动地穿设车轴8的轴孔，而第二轴套9则固定设置于车底盘11的下侧，与第一轴套10分别位于车底盘11宽度方向的两端，同样设有用于可转动地穿设车轴8的轴孔。由此，可以实现车轴8与车底盘11之间可转动的连接关系。

在另一个优选的实施例中，指南车还包括第一车梆14和第二车梆15。第一车梆14和第二车梆15均包括垂直部和外伸部，其中的垂直部垂直设置于车底盘11上侧并分别靠近于第一车轮1和第二车轮5，而外伸部则分别设置于对应的垂直部的顶端并向外侧伸出。从而实现在车底盘11上固定设置第一指针3和第二指针13。

第一车梆14和第二车梆15的垂直部顶端均高于对应的第一车轮1和第二车轮5，以使分别固定设置于第一车梆14和第二车梆15的第一指针3和第二指针13从上方指向车轴8。设置位置较高的第一指针3和第二指针13能够减少地面障碍物或坑洼地段对指针的磕碰干扰，确保第一指针3和第二指针13的朝向稳定，并方便于操作人员对第一指针3和第二指针13指示角度的观察。

本发明以罗盘和指针作为指南车进行方向计算的工具，以辁轮、车销、车梆和车辕等古代车辆的固有部件组成指南车的基本结构，从而在不借助复杂工艺所生产出的齿轮、轴承、差速装置等设备的基础上，以更加简单容易的方式使指南车具有简单的结构和更易操作。

而本发明在进行方位指示，例如“指南”时，可以根据场地情况而有选择性地使用第一罗盘、第二罗盘进行计算，或使用第三罗盘、第四罗盘进行计算，前者能以更细的刻度分布和更小的最小分度值提高读数精度，后者对场地无特殊要求，可以在指南车无法继续沿直线行驶的情况下，得到精准的角度差值。

当然，在需要进行方位测量时，本发明所提供的指南车也可以进行两次读数：

第一次读数：保持指南车静止，转动第一车销4或第二车销7，使两者中一个指向刻度零点，读取两者中的另一个再第三罗盘或第四罗盘上的刻度来计算指南车的第一方位角；

第二次读数：推动指南车沿直线行驶，使第一指针3或第二指针13的其中一个指向刻度零点，利用第一罗盘和第二罗盘来计算指南车的第二方位角。

在第一次读数和第二次读数的基础上，当第一方位角与第二方位角相等或相差不大时，可以认为两次读数的结果均较为精确；而当第一方位角和第二方位角之间相差较大时，可以结合推动指南车沿直线行驶时的环境因素进行选取：在行驶轨迹趋于直线时，以分布更密的第一刻度所确定的第二方位角为准，而在行驶轨迹难以趋于直线时，以无须直线行驶时第一刻度所确定的第一方位角为准。

因此，根据本发明，通过对四罗盘四指针式指南车结构形式及使用方法的发明，以更简单的结构和更准确的方向指示对指南车进行了精准复原，能够使指南车在计算方位角时依据测量场地的情况而灵活选取罗盘组合：在土地平整且能够继续推动指南车直线行驶的场地环境下，以第一罗盘和第二罗盘的组合上设置的更高精度的第一刻度进行读数，提高读数精度；而在土地不够平整或难以继续推动指南车直线行驶的场地环境下，以原地不动即可使用的第三罗盘和第四罗盘的组合进行方位角的测量，从而有效提高方位角的读数和测量精度。

本发明填补了指南车这一古代延续下来的发明创造的研究空白，而且可以更好地向中外学者和人民群众展示中国古老而灿烂的文明。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。