可編程5自由度八軸飛行系統(tǒng)分析與應(yīng)用

張胤 侯鵬強 周厚金

[摘要]闡述5自由度八軸飛行系統(tǒng)的功能、構(gòu)成和可編程軌跡的設(shè)置方法，以及在演藝領(lǐng)域舞臺表演中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]可編程;5自由度八軸;飛行系統(tǒng);軌跡;系統(tǒng)構(gòu)成;軟件功能;控制算法

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.09.006

1引言

在大型現(xiàn)代化舞臺表演中，引入了越來越豐富的表演方式，帶給觀眾各種意想不到的觀感體驗。近年來，演藝設(shè)備行業(yè)涌現(xiàn)出很多新的技術(shù)和設(shè)備，如布線靈活多樣的雙點飛行器，3D威亞、全向車臺等，與聲光電相結(jié)合，參與表演，極大地豐富了演出的方式和內(nèi)容。比如，采用雙線飛行器（圖1）可降低設(shè)備的布局難度，不需要采用軌道的方式即可在舞臺上空布置多個二維威亞，輕松實現(xiàn)空中任意方向的二維飛行;采用3D威亞（圖2）的方式，可極大地豐富演員與觀眾的互動，實現(xiàn)演員在觀眾席上空的表演;采用全向車臺（圖3），則可以將道具或者演員方便地移動到舞臺面的任意位置，使布景演出更靈活多樣。但是，演出中提出了更多維度變化的要求，就是在空中改變物體的空間姿態(tài)，包括三維坐標和物體本身的空間姿態(tài)，如物體本身的傾斜等。

5自由度（以下簡稱“5D”）八軸的飛行器就是針對上述問題而推出的，可實現(xiàn)空間中的多姿態(tài)變化。5D除了包含傳統(tǒng)的空間XYZ三個自由度，還包含圍繞x軸旋轉(zhuǎn)的A自由度和圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的B自由度。傳統(tǒng)的3D飛行限制于空間里固定的一個中心點，很難實現(xiàn)空間的物體本身姿態(tài)的改變。對于異性物體的懸掛，無法保持物體本身的姿態(tài)，并且只能實現(xiàn)空間三個維度的移動，無法實現(xiàn)傾斜等功能。八軸飛行器從頂部連有4條繩索，從底部也連有4條繩索，通過這種張力，能夠在變換方向的同時，既保證系統(tǒng)的高強度性、高精度性，還能自由擺動。實現(xiàn)平板或者其他更為復(fù)雜的物體飛行，保持水平的同時還能控制傾斜。

目前，擁有5D八軸飛行器技術(shù)的主要有國外的瓦格納比羅公司。瓦格納比羅飛行控制系統(tǒng)“飛毯”的研發(fā)，實現(xiàn)了物體在復(fù)雜幾何空間的自由移動，以及控制物體在空間里的位置及沿任意軸線的傾斜（圖4）。

相比國外系統(tǒng)，本文介紹的5D八軸飛行器軟件系統(tǒng)，采用三維視圖進行設(shè)計，可實現(xiàn)三維仿真功能，通過計算機軟件的編程，可實現(xiàn)軌跡編程、記錄、回放等功能。系統(tǒng)采用多種算法，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)采用分布式架構(gòu)（圖5），主要由三層構(gòu)成，分別是控制層、管理層、執(zhí)行層。

控制層：指上位機或操作臺，通過上位機或操作臺，操作人員可選擇單個設(shè)備或執(zhí)行對應(yīng)的軌跡操作。

管理層：主要包含PLC控制器，主要用于接收計算機下發(fā)的控制指令，通過指令解析后下發(fā)控制指令給伺服驅(qū)動，同時接收伺服驅(qū)動傳來的設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，上傳給操作層。

執(zhí)行層：主要用于執(zhí)行控制層或管理層傳來的控制命令，通過對命令的解析，完成控制功能。

2.1操作臺

操作臺基于17英寸觸摸屏的顯示操作系統(tǒng)，采用工業(yè)以太網(wǎng)（Ethercat）通信協(xié)議。兩個調(diào)速手柄，一組支持x、Y方向運行，一組支持z方向運行。調(diào)速手柄帶有安全操作功能，以防誤操作。具有緊急停止按鈕，系統(tǒng)可以在緊急情況下切斷主電源?；谑直膯屋S、多軸操作方式，可以容易地實現(xiàn)系統(tǒng)的單控、組合運行等功能。軟件死機應(yīng)急處理，可以通過軟件設(shè)計防止系統(tǒng)失控。具有設(shè)備應(yīng)急操作，如針對開關(guān)損壞等的臨時應(yīng)急操作。采用設(shè)備圖形顯示與文字顯示結(jié)合的顯示方式。系統(tǒng)三維和二維顯示結(jié)合，方便運行軌跡編輯。可以實現(xiàn)特殊軌跡生成，輕松生成螺旋線、正余弦、直線等軌跡。

2.2主控PLC

系統(tǒng)采用德國倍福系列的PLC，穩(wěn)定可靠，相比同類型PLC，有以下特點。

（1）運行速度快，對于常規(guī)PLC，系統(tǒng)的掃描周期一般在5ms以上，而倍福的PLC運行速度能達到500us甚至更短，方便進行飛行器軌跡運算，實時性高。

（2）總線速度快，倍福PLC主要采用倍福Ethercat總線，總線速度掃描4個設(shè)備能控制在100us以內(nèi)，對于底層驅(qū)動設(shè)備調(diào)節(jié)速度快，設(shè)備響應(yīng)精度高。

（3）應(yīng)用范圍廣，倍福目前廣泛應(yīng)用于需要運動控制的行業(yè)，包括最新的迪士尼等秀場全部采用其控制系統(tǒng)。

2.3伺服驅(qū)動及電機

伺服驅(qū)動和伺服電機采用德國倍福產(chǎn)品，有以下特點。

（1）單通道或雙通道伺服驅(qū)動。

（2）高NEthercat通信。

（3）各種額定電流類型，最大170A。

（4）電機類型選擇靈活。

（5）優(yōu)化用于多軸應(yīng)用場合，適用于對動態(tài)性和性能要求較高的定位任務(wù)。

（6）三相永磁無刷電機。

3軟件功能

軟件的操作方式借鑒國外控制風格，操作方式通過計算機選擇，配合操作臺上手柄進行控制，安全可靠。通八組單點吊機可組合使用構(gòu)成飛行器，也可拆開使用作為普通單點吊機。操作方式也可靈活選擇，分為編輯模式、手動模式、自動模式等。通過計算機軟件編程可實現(xiàn)下列功能。

（1）通用曲線編輯：編輯模式主要用于完成設(shè)備運行曲線的編程，可任意定義曲線運行的軌跡以及每段曲線運行的時間，采用類似cAD的繪圖方式，設(shè)置關(guān)鍵點后，曲線會自動進行平滑處理，同時采用分段定義時間的方式，可針對每小段曲線進行時間單獨編程。

（2）特殊曲線編輯：在特殊曲線編輯模式下，系統(tǒng)提供多種曲線進行快速編程，包括直線、正弦曲線、余弦曲線、螺旋線等曲線進行選擇，方便用戶快速演示和實際使用。

（3）軌跡記錄：在手動模式下，設(shè)備可手動運行設(shè)備，并記錄手動運行設(shè)備的曲線，完成設(shè)備的曲線記憶功能。

（4）軌跡回放：用戶可選擇記錄的軌跡進行回放，實現(xiàn)曲線回放功能。

（5）設(shè)備管理：設(shè)備管理可靈活設(shè)置設(shè)備的軟限位、清零位置、當前位置等設(shè)備參數(shù)。

（6）系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)：可查看系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，包括設(shè)備每個開關(guān)的狀態(tài)信息。

（7）日志管理：可查看系統(tǒng)的報警日志、操作記錄等信息。

圖6為軟件系統(tǒng)的幾個主要功能的界面截圖。圖6（a）為軟件手動運行界面，三維視圖和棒狀圖結(jié)合顯示設(shè)備的運行狀態(tài)，該界面下可通過操作臺配置的手柄進行任意方向自由動作，并且可記錄物體的運行軌跡，并保存和編輯記錄的軌跡。圖6（b）為系統(tǒng)整體軌跡編輯整體界面，界面左側(cè)主要為手動繪制圖形區(qū)域，右側(cè)為屬性區(qū)域，每個點可通過類似CAD的方式，手動選取坐標點，也可在右邊區(qū)域手動輸入對應(yīng)的具體坐標。圖6（c）為內(nèi)置圖形區(qū)域，軟件不僅可通過鼠標點擊自動繪制平滑曲線，也可通過特殊圖形插入特殊的軌跡，如直線、螺旋線、波浪線等。圖6（d）為軌跡分析界面，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。圖6（e）和圖6（f）為軌跡編輯的具體界面。

4控制算法

通過上述公式，即可根據(jù)坐標得出每條繩的長度，進而可以推算繩索的速度信息。

5系統(tǒng)的應(yīng)用

5D八軸飛行器作為四軸飛行器的技術(shù)升級產(chǎn)品，可用于舞臺表演，也可用于展覽展示（圖8）。同時，作為柔索并聯(lián)機器人的一種方式，可應(yīng)用于其他物體空間的位姿調(diào)整。

對于大多數(shù)現(xiàn)有的劇院來說，沒有必要進行復(fù)雜的更改或變動。繩索繞在現(xiàn)有的標準單點吊機上，特殊的換向滑輪保證準確的運行路線。這種滑輪設(shè)計既可以被固定在馬道，又可以固定于舞臺地板，通過分布式總線型伺服來實現(xiàn)卷揚機的控制。通過固定于物體的8條繩索實現(xiàn)運行自由度的改進;使用復(fù)雜的算法，計算出實時要達到所需位置和傾斜度的繩索的恰當長度。繩索的布局對于物體在飛行過程中的穩(wěn)定性起決定性作用。

目前，本系統(tǒng)在空間僅支持一套八軸飛行器，對于多套飛行器技術(shù)仍需要進一步研發(fā)。