謝海岐，黃學(xué)通，盛 敏，朱國良

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 余姚 315400）

舞臺(tái)3D飛行機(jī)構(gòu)控制技術(shù)探討

謝海岐，黃學(xué)通，盛 敏，朱國良

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 余姚 315400）

介紹3D飛行機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及控制系統(tǒng)技術(shù)途徑，探索更為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

3D飛行機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析；網(wǎng)絡(luò)組態(tài)；控制模塊；效果呈現(xiàn)

目前，擁有舞臺(tái)3D飛行技術(shù)的國際知名品牌有Stage Technologies、Visual act、Ftsi automation等，其技術(shù)完全適用于各種應(yīng)用場景的僅前兩者；Ftsi automation設(shè)備更適應(yīng)于特定的場所，諸如秀場等常年演出特定劇目的情況。目前國內(nèi)尚無完全適應(yīng)于舞臺(tái)表演的3D飛行設(shè)備，幾家公司研制的樣機(jī)仍處于研發(fā)試制階段。根據(jù)國家支撐計(jì)劃“演出效果呈現(xiàn)關(guān)鍵支撐技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范”項(xiàng)目課題“舞臺(tái)效果裝備控制集成系統(tǒng)”的要求，研發(fā)先進(jìn)實(shí)用的舞臺(tái)3D飛行機(jī)構(gòu)控制技術(shù)是其關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。

1 多軸數(shù)控系統(tǒng)采用的基礎(chǔ)技術(shù)

多軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)于舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制邏輯模塊的設(shè)計(jì)，該模塊由西門子運(yùn)動(dòng)控制器SIMOTION D445-2、整流模塊（SLM）、電機(jī)模塊（18A）和伺服電機(jī)（1FK系列）構(gòu)成。SIMOTION D系列運(yùn)動(dòng)控制器具備基于TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以方便地與上位機(jī)進(jìn)行通信。SIMOTION D445-2是基于驅(qū)動(dòng)的控制單元，可以控制64根軸。S120伺服驅(qū)動(dòng)器包括AC/AC單軸模塊和DC/AC多軸模塊，可用于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制及大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)精確的轉(zhuǎn)速和扭矩控制，各軸之間還能快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。S120集成的Profibus-DP接口，容易和上位機(jī)連接，能控制普通的三相異步機(jī)、同步機(jī)、扭矩電機(jī)及直線電機(jī)。

系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)建如圖1所示，其中PG/PC為上位機(jī)部分，通過以太網(wǎng)與SIMOTION相連接。SIMOTION D445-2內(nèi)部集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)管理單元，其硬件組態(tài)圖2所示。

圖3為系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的更精準(zhǔn)的控制，將整流模塊和電機(jī)模塊的控制分開。這樣可以使電機(jī)模塊的掃描時(shí)間更短，使控制精度更高。

圖 1 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

圖2 硬件組態(tài)圖

2 3D飛行機(jī)構(gòu)的空間運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及控制實(shí)現(xiàn)途徑

在空間飛行控制運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)中，需要對(duì)多軸數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

首先根據(jù)空間運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖4所示。A、B、C、D分別為4個(gè)立柱的頂點(diǎn)，頂點(diǎn)定滑輪在計(jì)算中可視為一點(diǎn)。以D立柱底部為（0，0，0）點(diǎn)，可以確定一個(gè)空間笛卡爾坐標(biāo)系，兩點(diǎn)之間的長度用公式1計(jì)算：

假設(shè)當(dāng)前繩吊位置為(x，y，z)?？赏ㄟ^公式2計(jì)算出當(dāng)前位置到各個(gè)頂點(diǎn)的距離：

圖3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖4 運(yùn)動(dòng)學(xué)簡圖

在實(shí)現(xiàn)位置的同步上，由運(yùn)動(dòng)學(xué)解析可以算出4根吊繩各自的長度，但是如何使電機(jī)能夠根據(jù)這個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行同步是另一個(gè)難題。為了解決這個(gè)難題，按照以下步驟進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

（1）在SIMOTION中插入4個(gè)“Fomular”對(duì)象，如圖5；

圖5 公式對(duì)象

（2）使用3個(gè)虛軸來模擬繩吊的空間坐標(biāo)，并建立公式連接，如圖6所示；

（3）設(shè)定實(shí)軸的同步對(duì)象為公式，如圖7所示；

（4）實(shí)現(xiàn)虛軸的空間插補(bǔ)連接，如圖8所示；

（5）為公式賦值，如圖9所示；

（6）開啟公式同步，如圖10所示。

這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的四軸同步運(yùn)行。

圖6 公式連接圖

圖7 設(shè)定同步對(duì)象圖

圖8 設(shè)定插補(bǔ)對(duì)象連接

圖9 實(shí)際公式賦值圖

圖10 同步調(diào)用指令

圖11 運(yùn)動(dòng)仿真界面

圖12 軌跡編輯規(guī)劃界面

3 3D空間飛行系統(tǒng)測試

3.1 3D軌跡生成控制技術(shù)

運(yùn)行3D空間軌跡生成控制系統(tǒng)，可進(jìn)入軌跡編輯與仿真界面，如圖11～圖12所示。

該技術(shù)可與3D空間飛行裝備融合使用。經(jīng)軟件使用實(shí)測表明，進(jìn)入圖13所示的“單場景軌跡數(shù)測試”場景，這里使用了創(chuàng)建、復(fù)制、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等技術(shù)，從第四幅視圖可見，本軟件支持3D完全自由度軌跡編輯。

在“單場景軌跡數(shù)測試”界面下，從軟件的“根據(jù)名稱選擇軌跡”功能可見，該場景共繪制了541條軌跡，而原設(shè)計(jì)指標(biāo)200條，超過原設(shè)計(jì)指標(biāo)1倍以上。

進(jìn)入圖14所示的“單條軌跡實(shí)際點(diǎn)數(shù)測試”界面，繪制了一條控制點(diǎn)數(shù)10 000的螺旋線后，將其轉(zhuǎn)換為Bezier樣長線，每線段增加插值為10，因此，單線點(diǎn)數(shù)約為100 000點(diǎn)，超原設(shè)計(jì)指標(biāo)10倍。

進(jìn)入圖15所示的“單條軌跡控制點(diǎn)數(shù)測試”，繪制了一條單圈點(diǎn)數(shù)100，圈數(shù)100的螺旋線，因此，控制點(diǎn)共計(jì)約10 000，超過原設(shè)計(jì)指標(biāo)10倍。

3.2 3D飛行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

3D空間軌跡控制技術(shù)與威亞空間飛行裝備融合后，構(gòu)建舞臺(tái)3D飛行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，如圖16所示，該系統(tǒng)由上位機(jī)、執(zhí)行系統(tǒng)（下位機(jī)）和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

其中機(jī)械結(jié)構(gòu)由4根立柱提供支撐，繩索通過立柱頂端定滑輪連接懸吊物體，每一根繩索由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。懸吊物體可以在立柱包絡(luò)范圍的空間內(nèi)運(yùn)行到任意一點(diǎn)。通過控制懸吊物體的繩長，達(dá)到控制物體位置的目的。圖17與18為機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖19、圖20為設(shè)備測試現(xiàn)場實(shí)景圖。根據(jù)現(xiàn)場測試，空間飛行裝置運(yùn)行平穩(wěn)，運(yùn)用美國斯德克basic型手持測速儀以及博世激光測距儀DLE40設(shè)備測試相關(guān)參數(shù)，達(dá)到最高運(yùn)行速度1 m/s、定位精度≤±3 mm、同步精度≤±5 mm，與舞臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)理論軌跡相符合度超90%以上。

圖21為實(shí)際運(yùn)行過程的監(jiān)控畫面，從中可以看到運(yùn)行軌跡十分平穩(wěn)，速度平滑，曲線沒有突變點(diǎn)，達(dá)到原定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖13 單場景軌跡數(shù)測試

圖14 單條軌跡實(shí)際點(diǎn)數(shù)測試

圖15 單條軌跡控制點(diǎn)數(shù)測試

圖16 控制系統(tǒng)組成

圖17 機(jī)械設(shè)計(jì)正視圖

圖18 機(jī)械設(shè)計(jì)俯視圖

圖20 繩吊調(diào)試結(jié)構(gòu)圖

4 總結(jié)

3D空間飛行系統(tǒng)的控制技術(shù)研制，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，作為舞臺(tái)效果呈現(xiàn)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，體現(xiàn)了自主創(chuàng)新技術(shù)用于演出場所的重要價(jià)值。

注：本文得到國家科技支撐計(jì)劃“演出效果呈現(xiàn)關(guān)鍵支撐技術(shù)研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目，“舞臺(tái)效果裝備控制集成系統(tǒng)”課題（課題編號(hào)：2012BAH38F01）的資助。

參加本文內(nèi)容研究的有：魏發(fā)孔、薛煥新、吳太利、姚亮、劉榛、吳立鋒等。

［1］劉善增，朱真才，王洪欣，訾斌. 柔性并聯(lián)機(jī)器人的研究進(jìn)展[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010（5）.

［2］王薇. 深入淺出西門子運(yùn)動(dòng)控制器：SIMOTION實(shí)用手冊(cè)（第一版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

（編輯 薛云霞）

Discuss about 3D Flight Mechanism Control Technology in Stage

XIE Hai-qi, HUANG Xue-tong, SHENG Min, ZHU Guo-liang
（Zhejiang Dafeng Industrial Co., Ltd., Yuyao Zhejiang 315400, China）

The spatial kinematics analysis and control system technological approaches of 3D flight mechanism were introduced, so as to explore a more optimized design scheme.

3D flight mechanism; kinematics analysis; network configuration; control module; effect rendering

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.009