可編程三維威亞系統(tǒng)分析

侯鵬強+唐偉+向飛

【摘 要】 介紹三維威亞應(yīng)用于演藝領(lǐng)域的舞臺表演功能，并詳細闡述可編程軌跡的設(shè)置方法以及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 可編程；三維威亞；軌跡；舞臺表演

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.008

【Abstract】The author introduces the stage performance function which is the application of 3D wire in the field of performing arts， and detailed setting method and application of programmable trajectory.

【Key Words】programmable； 3D wire； trajectory； stage performance

隨著我國演出規(guī)模的擴大，各種流動演出和固定演出的體量和規(guī)模逐漸增大，對演出設(shè)備的要求逐年增加。以前的流動演出幾乎都是以固定設(shè)備為主，一般采用固定桁架搭臺，演出方式主要靠燈光音響來配合。最近幾年演出行業(yè)開始多樣化，涌現(xiàn)出了很多新穎的機械設(shè)備，如增加舞臺動感效果的可編程矩陣球、機械臂、全向車臺等演出設(shè)備，極大地豐富了演出的方式和內(nèi)容。采用矩陣球表演方式的舞臺，通過數(shù)量龐大的矩陣球增加演出效果，有些矩陣球還可配合演員做出特殊造型（見圖1）；采用機械臂的方式可裝載演出用的大型顯示屏，也可將燈具進行托舉，同時還能通過編程將人與機械臂進行互動，演出模式更加靈活，燈光的角度更加多樣（見圖2）；采用全向車臺則可以將道具或演員移動到舞臺面的任意位置，使得布景演出更靈活多樣（見圖3）。

1 三維威壓

三維威亞也稱三維飛行器，可將人、道具或攝像機快速移動到空間的任意位置，表演的空間維度更加靈活多樣，是目前比較先進、科技含量較高的立體舞臺展現(xiàn)的一種手段。三維威亞作為一種演出方式，已越來越多地應(yīng)用于舞臺表演。

常規(guī)的威亞分為一維威亞和二維威亞。一維威亞主要用于表演人員或者物體的上升下降，表演形式比較單一；而二維威亞則可以在一個平面上進行表演，不光可以進行上升下降的動作，還可以進行左右移動的操作。兩種威亞的表現(xiàn)形式都有一定的局限性，而三維威亞可以在空間的任意位置進行移動，實現(xiàn)立體舞臺的效果，起到畫龍點睛的效果。

三維威亞通常采用四根繩索牽引，作為柔索并聯(lián)機器人的一個分支，空間有X、Y、Z三個自由度。

對于三維威亞控制系統(tǒng)功能，一般有如下幾種：

（1）手動操作，配置手柄等操作工具，可進行手動控制，一般配置多個維度的手柄，可同時控制三維威亞的上下、前后、左右的同時動作。

（2）軌跡離線編程，編輯軌跡，設(shè)定需要經(jīng)過的軌跡點，通過軌跡自動平滑等方式處理需要運行的軌跡，同時可設(shè)定軌跡的運行時間等，并進行軌跡運行參數(shù)的設(shè)定和自檢，支持軌跡離線仿真。

（3）示教功能，能將手動運行的軌跡進行記錄，并能回放。可通過手柄先試運行軌跡，同時開啟軌跡記錄功能，記錄完成后可將估計進行完整的重現(xiàn)。

（4）運行區(qū)域設(shè)定，可手動設(shè)置運行區(qū)域，保證系統(tǒng)在運行過程中不會運行過界和碰撞。

目前，國外的奧地利瓦格納比羅、英國ST等公司擁有三維威亞技術(shù)。國內(nèi)的一些公司也在開發(fā)三維威亞，但功能不夠全面，四種功能中一般只實現(xiàn)了某一種或者兩種功能。

ST公司的威亞系統(tǒng)采用三維視圖進行設(shè)計，可輕松實現(xiàn)三維仿真功能，通過計算機軟件編程，可實現(xiàn)軌跡編程、記錄、回放等功能（見圖4）。系統(tǒng)采用了多種算法，如基于樣條曲線的軌跡生成算法、基于S曲線的加減速控制算法、基于軌跡球控制的三維視圖控制算法等。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

舞臺機械控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)，分為三層，操作層、控制層、執(zhí)行層。三層功能劃分明確，進行不同的數(shù)據(jù)處理。

（1）操作層：一般指用于操作設(shè)備的人機交互終端（見圖5），終端上配置兩路帶安全開關(guān)的手柄，可用于控制方向和速度，其中一組支持x、y方向控制，另一組支持z方向控制。操作臺和運動控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，保證指令數(shù)據(jù)的實時性。操作終端自帶急停開關(guān)，急停開關(guān)支持ESTOP0、ESTOP1級緊急停機模式。

（2）控制層：控制層完成兩個功能，一種功能為通過以太網(wǎng)接收操作終端傳來的控制指令，控制指令采用實時下發(fā)的方式，通信協(xié)議采用心跳模式，可在操作終端失去聯(lián)系的情況下進入緊急停機模式，另一種功能為將解析的命令轉(zhuǎn)換為針對伺服驅(qū)動的控制指令。由于該控制器需要完成算法的實時解析，需要較強的性能和較快的通信總線。本方案中采用德國倍福的可編程邏輯控制器（PLC，見圖6），該控制器運行速度較快，通常掃描周期一般在5 ms以上，而倍福的控制器運行速度能達到1 ms，甚至更短，有充足的計算能力進行軌跡的實時計算；同時系統(tǒng)采用Ethercat總線，總線掃描四個設(shè)備能控制在100 us以內(nèi)（見圖7）。這種特性使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快、設(shè)備運行精度高。

（3）執(zhí)行層：執(zhí)行層采用倍福的伺服驅(qū)動，伺服驅(qū)動和控制層之間通過Ethercat總線進行互聯(lián)，伺服驅(qū)動通過指令接受來自控制器的指令。

3 軟件功能

人機交互通過計算機軟件StageTour完成，StageTour主界面分為八個區(qū)域（見圖8），標題欄：顯示OEM廠家信息、本機軟件的名稱和系統(tǒng)時間；三維視圖區(qū)：三維顯示三維威亞的狀態(tài)；設(shè)備監(jiān)控區(qū)：三維威亞單個設(shè)備狀態(tài)屬性；操作區(qū)：設(shè)備、劇目選擇的相關(guān)界面；信息提示欄：顯示軟件當前運行狀態(tài)和用戶的操作信息；狀態(tài)欄：顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)（系統(tǒng)狀態(tài)是否正常）、顯示用戶屬性（管理員、普通用戶）和用戶名稱、軟件工作模式；功能菜單按鈕：劇目管理、設(shè)置配置、系統(tǒng)選項；模式切換區(qū)：StageTour的工作模式選擇。endprint

點擊按鈕可將軟件切換到指定的工作模式，工作模式可分為手動模式、編輯模式、自動模式。

3.1 手動模式——軌跡記錄

手動模式主要用于控制手動設(shè)備的運行，記錄設(shè)備的軌跡，同時可用于讀取、管理記錄。記錄管理用于威亞記錄，按鈕功能（見圖9）如下：記錄：點擊記錄按鈕，開啟軌跡記錄；停止：點擊停止按鈕，停止軌跡記錄；讀取：讀取已經(jīng)記錄的軌跡；保存：保存已經(jīng)讀取的記錄信息；管理：打開管理窗口，進行記錄的管理，包括記錄名稱、描述的修改、刪除等功能；隱藏：用于隱藏對應(yīng)的界面顯示的軌跡。

3.2 編輯模式

編輯模式主要用于手動編輯軌跡，包括每個控制點的坐標，速度等。軌跡操作主要分為三個視圖，正視圖、側(cè)視圖、俯視圖，并通過一個三維視圖來顯示最終的軌跡。

對于每個界面，可完成軌跡點的新增，刪除，移動等操作（見圖10）。

（1）為新增按鈕，按下后鼠標變?yōu)槭中螤睿髽俗箧I點擊對應(yīng)的按鈕即可完成點的新建，可聯(lián)系多次點擊，完成多個點的新建；

（2）為視圖查看按鈕，按下后鼠標變?yōu)槭髽顺Ｒ?guī)的箭頭形狀，點擊任何視圖都不會產(chǎn)生任何動作；

（3）為刪除按鈕，按下后鼠標變?yōu)榧t色帶斜杠的形狀，點擊對應(yīng)的軌跡點可刪除點；

（4）為移動按鈕，按下后鼠標變?yōu)槭终菩螤睿扔米箧I選擇對應(yīng)的軌跡點，拖動鼠標到合適的軌跡位置，點擊鼠標右鍵完成點的移動；

（5）為放大按鈕，按下后可放大對應(yīng)的視圖；

（6）為縮小按鈕，按下后恢復(fù)為正常的視圖大小。

軌跡點編輯界面（見圖11）主要用于編輯每個軌跡點，包括每個點的坐標、速度，其中速度為兩個點的運行時間，單位為毫秒。其中藍色區(qū)域為選中的軌跡點的標號。

（1）編輯x、y、z坐標值，再選擇位置設(shè)置按鈕，即可完成對應(yīng)的點坐標編輯；

（2）編輯speed值，再選擇速度設(shè)置，即可完成對應(yīng)的速度時間設(shè)置；

（3）速度量化選項，量化系數(shù)為1～100，100基本針對三維威亞的最快運行速度。

選擇編輯模式下的其他選項卡，點擊特殊圖形，打開界面（見圖12）。特殊軌跡有螺旋線、直線、波浪線三種，其中螺旋線可完成螺旋上升和螺旋下降曲線，直線完成軌跡的直線，波浪線為可調(diào)相位的Sin曲線。

軌跡分析界面（見圖13）可針對編輯好的軌跡進行速度和加速度分析，并可調(diào)整對應(yīng)的平滑程度。界面可適當調(diào)整每段曲線的顯示長度和顯示曲線的數(shù)量，方便進行分析和優(yōu)化。界面上層有平滑系數(shù)可進行優(yōu)化，通過調(diào)整系數(shù)可將曲線平滑程度進行手動優(yōu)化。

4 控制算法

三維威亞機構(gòu)（示意圖見圖14）采用4根繩索牽引一個物體A，在四根繩綜合作用下，物體可以在一定的三維空間內(nèi)移動。

其中，四根繩分別標記為L1，、L2、L3、L4，中心點物體坐標標記為（x，y，z）。四個點掛繩點坐標在空間中標記為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3）、（x4，y4，z4），即可通過公式（1）得出每條繩的長度L。

5 應(yīng)用

三維威亞可用于舞臺表演，也可用于展覽展示。其作為柔索并聯(lián)機器人的一種方式，可應(yīng)用于其他物體空間位置調(diào)整，如攝像機等。

由于三維威亞只有四根繩索，可采用類似單點吊機的布局方式，采用快拆的方式來進行四個點的固定。平時不用的情況下可當成單點吊機進行自由升降，不占用空間位置；需要用的時候可將四個點降到某個位置，進行快速連接即可。文中詳述的系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個劇場的觀眾廳以及部分婚慶場所。

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