基于六自由度平臺(tái)的動(dòng)感座椅的設(shè)計(jì)研究

傅天宇　武云江　惠文豪

摘? ?要：21世紀(jì)，人們的娛樂(lè)生活更加豐富多彩，動(dòng)感影院也逐漸進(jìn)入了人們的視野，由于觀眾在觀看4D影片時(shí)能夠獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等全方位的感受，近年來(lái)4D影院的發(fā)展非常迅猛。但是傳統(tǒng)的動(dòng)感影院通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口傳送指令，存在占有帶寬、指令延遲引起動(dòng)感座椅姿態(tài)跟蹤效果不佳的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，文章提出了一種全新的控制方式。首先，利用影片的鏡頭姿態(tài)，求出動(dòng)感影院六自由度平臺(tái)的姿態(tài);其次，對(duì)六自由度平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行逆解，求出六自由度6個(gè)臂舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度;最后，將逆解后的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度存儲(chǔ)到MCU的內(nèi)存中，與控制服務(wù)器同步啟動(dòng)影視片播放及座椅的位置調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：六自由度平臺(tái);運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解;動(dòng)感影院;座椅

1? ? 六自由度平臺(tái)

六自由度平臺(tái)在游樂(lè)設(shè)備領(lǐng)域主要用于動(dòng)感影院、駕駛賽車模擬等，而文章要講述的是關(guān)于動(dòng)感影院方面的問(wèn)題，動(dòng)感影院正處在發(fā)展階段，常見(jiàn)的項(xiàng)目有黑暗乘騎、飛行影院、影視懸掛過(guò)山車等。

由于六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性，要讓游客有身臨其境的感受，必須要讓運(yùn)動(dòng)與影片同步。為了使動(dòng)感影院的效果更加逼真，完善的智能控制系統(tǒng)尤為重要。動(dòng)感影院的控制實(shí)際上就是六自由度平臺(tái)的姿態(tài)控制，是該系統(tǒng)最重要的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。首先動(dòng)感影院六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)，來(lái)源于影片中鏡頭的姿態(tài)。研究人員提出一種獲取姿態(tài)的方式：將影片導(dǎo)入MAYA工具軟件，將六自由度平臺(tái)座椅與影片鏡頭相結(jié)合，設(shè)定運(yùn)動(dòng)比例參數(shù)，按幀計(jì)算并輸出座椅的姿態(tài)，將姿態(tài)信息發(fā)送至單片機(jī)從而控制六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

2? ? 六自由度平臺(tái)概述

2.1? 六自由度平臺(tái)的組成

由于條件限制，不可能做成影院式的六自由度平臺(tái)，因此，工作人員設(shè)計(jì)了小型的六自由度平臺(tái)，由底座、平臺(tái)、6個(gè)舵機(jī)、6個(gè)舵機(jī)臂、6根球形拉桿及控制系統(tǒng)組成?？刂贫鏅C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度即可完成上平臺(tái)在空間的平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜等空間6個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，從而模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。座椅固定在六自由度平臺(tái)上。圖1是在家搭建的模型，圖2是在實(shí)驗(yàn)室由電動(dòng)推桿所搭建的模型。

2.2? 六自由度平臺(tái)姿態(tài)解算—運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

六自由度平臺(tái)的基底作為參考坐標(biāo)系XYZ，上平臺(tái)為動(dòng)坐標(biāo)系XYZ，假設(shè)初始狀態(tài)兩坐標(biāo)系相重合，固定z軸與Z軸不動(dòng)，動(dòng)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)ψ度，如圖3所示。

3? ? 六自由度平臺(tái)的數(shù)據(jù)輸入

3.1? 通過(guò)MAYA軟件生成六自由度平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)

座椅的動(dòng)作要和影片的進(jìn)行同步，就是說(shuō)六自由度平臺(tái)的動(dòng)作由影片決定。在MAYA中，影片技術(shù)人員生成相機(jī)視角曲線，導(dǎo)出連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2? 將連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞫鏅C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度數(shù)據(jù)

由MAYA導(dǎo)出的姿態(tài)數(shù)據(jù)是連續(xù)變化的空間六自由度數(shù)據(jù)：各個(gè)坐標(biāo)和各個(gè)旋轉(zhuǎn)角度。這完美對(duì)應(yīng)了前面推出的公式，只需要將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，即可進(jìn)行控制。

4? ? 執(zhí)行步驟

綜上所述，只要按照下述的步驟執(zhí)行，即可完成影片與座椅動(dòng)作的同步。

（1）輸入平臺(tái)的位置信息bi，pi，s，a，βi，這些量都由人為給定的，可以直接測(cè)量出。

（2）運(yùn)用MAYA軟件收到的姿態(tài)信息，求解出六自由度平臺(tái)中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)基底的坐標(biāo)和ψ，θ，?等角度。

（3）運(yùn)用以上數(shù)據(jù)計(jì)算出舵機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，將信息發(fā)送至單片機(jī)，用單片機(jī)控制PWM波形的高低電平時(shí)間從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，完成控制。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了六自由度平臺(tái)的組成，運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解，并給出了完整的公式推導(dǎo)，并且將六自由度平臺(tái)應(yīng)用到了動(dòng)感影院當(dāng)中，利用了MAYA軟件進(jìn)行姿態(tài)提取，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)完成控制處理。文中所涉及的一些研究思路和方法，特別是六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的公式原理，可為今后六自由度平臺(tái)應(yīng)用于類似項(xiàng)目提供理論借鑒和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。