二維“飛貓”控制系統(tǒng)研究

孫立新，陳 幫，孫志龍，高菲菲

SUN Li-xin,CHEN Bang,SUN Zhi-long,GAO Fei-fei

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131）

0 引言

“飛貓”又叫索道攝像承載系統(tǒng)，它承載著攝像機(jī)，將拍攝到的畫面，由微波或者光纖信號(hào)傳送到地面轉(zhuǎn)播車，實(shí)現(xiàn)對(duì)于平臺(tái)和攝像機(jī)的遠(yuǎn)程遙控和畫面監(jiān)看，對(duì)攝像機(jī)對(duì)焦、光圈、快門進(jìn)行遙控，平穩(wěn)的索道使得畫面不會(huì)有震顫[1]。按照維數(shù)，“飛貓”可以分為二維“飛貓”和三維“飛貓”，其在超低空拍攝領(lǐng)域應(yīng)用特別廣泛。在北京奧運(yùn)會(huì)期間，利用二維“飛貓”跨越鳥巢，帶來不同的視覺盛宴；在世界杯賽事，采用三維“飛貓”跟蹤球員運(yùn)動(dòng)，讓球迷欣賞比賽的同時(shí)幫助裁判更好的判罰[2]。

目前國內(nèi)絕大多數(shù)“飛貓”被用在戶外的大場所，如果把“飛貓”應(yīng)用到室內(nèi)演播室，將可以取代搖臂實(shí)現(xiàn)多臺(tái)攝像機(jī)的視覺效果。本文通過可編程邏輯控制器的應(yīng)用研究二維“飛貓”在室內(nèi)演播室的控制系統(tǒng)。

1 “飛貓”結(jié)構(gòu)簡圖及原理

本文介紹二維“飛貓”在室內(nèi)演播室的應(yīng)用。如圖1所示為本裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，E是橫桿，長度80厘米，攝像機(jī)掛在橫桿正中間，點(diǎn)O為橫桿中點(diǎn)，A，B為兩個(gè)定滑輪，A，B間距12米，C，D為兩個(gè)滾筒，A，C間距6米，l1，l2分別為左繩長和右繩長。

每個(gè)滾筒附近都有一套驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和減速器裝置，該簡圖中沒有畫出，如圖2所示為它們的實(shí)物圖。圖2中數(shù)字1是滾筒，2是伺服驅(qū)動(dòng)器，3是伺服電機(jī)，4是減速器。本裝置原理就是控制兩個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而控制兩個(gè)滾筒收放繩，改變l1，l2的長度，最終實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)在這個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

圖1 “飛貓”結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 滾筒、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)實(shí)物圖

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的控制原理圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖

搖桿通過模擬量輸入控制可編程控制器（PLC），觸摸屏通過RS232接口與PLC通信，驅(qū)動(dòng)器與PLC根據(jù)Modbus RTU協(xié)議通過RS485接口相互通信，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)伺服電機(jī)上的編碼器的反饋信息控制電機(jī)[3]。

2.1 可編程控制器（PLC）

本控制系統(tǒng)的可編程控制器為歐姆龍PLC，編程軟件CX-Programmer，型號(hào)CP1H-XA40DT-D，如圖4所示。圖中1為模擬量輸入輸出端口，2是RS232接口，3為RS485接口。

圖4 歐姆龍PLC

該型號(hào)內(nèi)存容量20K步，高速計(jì)數(shù)器為100KHz，4軸，24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)晶體管輸出，分別有4路模擬量輸入，2路模擬量輸出。24V直流電源供電。

2.2 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)

驅(qū)動(dòng)器是時(shí)代超群公司的一款交流伺服驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為DM-08EB，如圖5所示。

圖5 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

編碼器反饋為17位絕對(duì)絕對(duì)式編碼器。圖5中五位LED顯示和四位按鍵為驅(qū)動(dòng)器的控制面板，通過四位按鍵可以更改驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部寄存器的值。

CN1為通信端口，支持RS485接口和RS232接口，圖6所示；CN2為控制端口，可以連接可編程控制器和PC等；CN3為編碼器端口，連接編碼器線。

圖6 CN1通信端口

電機(jī)型號(hào)為80AEA07530-SC3，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定扭矩2.4N.m，額定功率是0.75KW，是時(shí)代超群公司的交流伺服電機(jī)。

2.3 搖桿和觸摸屏

搖桿型號(hào)為朗弗萊SMC45-2A，采用2軸霍爾傳感器，需要5V直流電源供電，模擬電壓輸出，圖7所示，0到5V的電壓對(duì)應(yīng)數(shù)字0到6000，可以在平面內(nèi)360°全方位搖動(dòng)，放手后彈簧自動(dòng)復(fù)位。

圖7 模擬量輸出

觸摸屏型號(hào)為PWS6710T-P，24V直流電源供電，有RS485和RS232接口。

3 各設(shè)備間相互通信

3.1 PLC與驅(qū)動(dòng)器之間的通信

PLC和驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)RS485接口，可以采用Modbus RTU協(xié)議并用RS485接口進(jìn)行通信[4～6]。通信前首先將PLC和驅(qū)動(dòng)器的通信參數(shù)設(shè)置為相同，本系統(tǒng)采用波特率為115200，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，奇校驗(yàn)。PLC參數(shù)設(shè)置如圖8所示。

圖8 PLC通信參數(shù)設(shè)置

圖9 驅(qū)動(dòng)器通信參數(shù)設(shè)置

如圖9所示，通過驅(qū)動(dòng)器上面的按鍵更改Pn64～Pn67的值，Pn64=2代表用RS485接口，因?yàn)橐刂苾蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的通信站點(diǎn)必須要不一樣，否則會(huì)出現(xiàn)通信癱瘓，所以Pn65設(shè)置的值要不一樣。Pn66=5代表波特率是115200，Pn67=8代表8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，奇校驗(yàn)。這樣PLC與驅(qū)動(dòng)器之間的通信參數(shù)就設(shè)置完成了，可以進(jìn)行通信。下面介紹如何采用Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行RS485接口通信。

3.1.1 讀取多個(gè)驅(qū)動(dòng)器中寄存器

現(xiàn)在需要從站點(diǎn)號(hào)為01H的驅(qū)動(dòng)器上讀取起始地址為0013H開始的2個(gè)字，那么可以參考圖10操作。

圖10 讀寄存器

歐姆龍PLC通過RXD指令讀取驅(qū)動(dòng)器中寄存器地址的內(nèi)容，如圖11所示。

圖11 PLC讀寄存器指令

3.1.2 寫驅(qū)動(dòng)器中的單個(gè)寄存器

寫寄存器的方式跟讀寄存器類似，只是將CMD中的03H改為06H，相應(yīng)的CRC校驗(yàn)的數(shù)值也改下。歐姆龍PLC通過TXD指令寫入驅(qū)動(dòng)器中寄存器地址的內(nèi)容。CRC校驗(yàn)可以利用歐姆龍PLC中功能塊進(jìn)行編寫，如圖12所示。

圖12 CRC校驗(yàn)程序

這樣就可以切換電機(jī)運(yùn)行的速度模式和位置模式，控制電機(jī)的脈沖數(shù)和速度，停止電機(jī)運(yùn)行等操作。

3.2 其他設(shè)備間通信

搖桿通過電壓模擬量的輸入與PLC進(jìn)行通信，搖動(dòng)搖桿時(shí)，X軸和Y軸的數(shù)值會(huì)在0～6000間變化，這兩個(gè)數(shù)值會(huì)保存在歐姆龍PLC200和201兩個(gè)寄存器。驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)連上編碼器線和交流220V電源線并且共地，驅(qū)動(dòng)器發(fā)送和接受信息給電機(jī)。觸摸屏和PLC通過RS232接口通信[7]。

4 “飛貓”的控制

下面介紹如何控制攝像機(jī)在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，AB方向?yàn)閄軸，AC方向?yàn)閅軸，橫桿中心點(diǎn)坐標(biāo)O（x，y）。設(shè)點(diǎn)O在正中間的坐標(biāo)為（x0，y0）只要控制點(diǎn)O的運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。由圖可以得知：

x，y的單位為厘米，l1，l2的單位為毫米，只要知道點(diǎn)O的坐標(biāo)就能知道l1，l2的長度。

設(shè)搖桿參數(shù)在x軸和y軸的值分別為a，b，令：

當(dāng)移動(dòng)搖桿O0變?yōu)镺1時(shí)，l1，l2分別變?yōu)閘1'，l2'，l1=l1'-l1，l2=l2'-l2，令t=400ms，根據(jù)滾筒直經(jīng)D=30厘米，電機(jī)與滾筒的減速比為40∶1，算出電機(jī)轉(zhuǎn)速n，單位為轉(zhuǎn)每分鐘。

算出兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速后，就可以用PLC控制驅(qū)動(dòng)器讓電機(jī)有相應(yīng)的速度。這三個(gè)公式可以用歐姆龍PLC功能塊編寫，如圖13、圖14所示。

圖13 公式(1)、式(4)程序

圖14 公式(2)、式(3)程序

所以只要搖桿搖動(dòng)，橫桿上的攝像機(jī)就會(huì)到達(dá)相應(yīng)的位置，從而達(dá)到控制攝像機(jī)上下左右運(yùn)動(dòng)的目的。

要實(shí)現(xiàn)橫桿按照軌跡自動(dòng)運(yùn)行，需要將手動(dòng)運(yùn)行過程中每隔一段時(shí)間采集兩個(gè)電機(jī)的速度放到相應(yīng)的地址，間隔時(shí)間越小越能反映原先的軌跡，本系統(tǒng)間隔時(shí)間為200毫秒，這樣就可以把這條軌跡的速度記下來，當(dāng)再次走這條軌跡時(shí)，只需將儲(chǔ)存在地址里的速度值發(fā)送給電機(jī)，橫桿就會(huì)按照設(shè)定的軌跡自動(dòng)運(yùn)行。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用歐姆龍可編程控制器，并用Modbus RTU協(xié)議RS485接口與驅(qū)動(dòng)器通信；用RS232接口與觸摸屏通信；接受模擬量輸入信號(hào)與搖桿通信。本文完整設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，經(jīng)過一個(gè)多月的調(diào)試，攝像機(jī)在演播室運(yùn)動(dòng)平滑，搖桿控制精確。整個(gè)裝置容易維護(hù)，操作簡單，性能良好，其最大不足在于有線控制，造成搬運(yùn)不便。相比較搖臂，“飛貓”可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)攝像機(jī)的視覺效果，應(yīng)用前景廣泛，現(xiàn)已取代搖臂在某個(gè)室內(nèi)演播室投入使用。