舞臺3D飛行機構控制技術探討

謝海岐，黃學通，盛 敏，朱國良

（浙江大豐實業股份有限公司，浙江 余姚 315400）

舞臺3D飛行機構控制技術探討

謝海岐，黃學通，盛 敏，朱國良

（浙江大豐實業股份有限公司，浙江 余姚 315400）

介紹3D飛行機構空間運動學分析及控制系統技術途徑，探索更為優化的設計方案。

3D飛行機構；運動分析；網絡組態；控制模塊；效果呈現

目前，擁有舞臺3D飛行技術的國際知名品牌有Stage Technologies、Visual act、Ftsi automation等，其技術完全適用于各種應用場景的僅前兩者；Ftsi automation設備更適應于特定的場所，諸如秀場等常年演出特定劇目的情況。目前國內尚無完全適應于舞臺表演的3D飛行設備，幾家公司研制的樣機仍處于研發試制階段。根據國家支撐計劃“演出效果呈現關鍵支撐技術研發與應用示范”項目課題“舞臺效果裝備控制集成系統”的要求，研發先進實用的舞臺3D飛行機構控制技術是其關鍵支撐技術之一。

1 多軸數控系統采用的基礎技術

多軸數控系統設計主要體現于舞臺運動控制邏輯模塊的設計，該模塊由西門子運動控制器SIMOTION D445-2、整流模塊（SLM）、電機模塊（18A）和伺服電機（1FK系列）構成。SIMOTION D系列運動控制器具備基于TCP/IP的標準通信接口，可以方便地與上位機進行通信。SIMOTION D445-2是基于驅動的控制單元，可以控制64根軸。S120伺服驅動器包括AC/AC單軸模塊和DC/AC多軸模塊，可用于高動態響應的運動控制及大轉速范圍內精確的轉速和扭矩控制，各軸之間還能快速進行數據交換。S120集成的Profibus-DP接口，容易和上位機連接，能控制普通的三相異步機、同步機、扭矩電機及直線電機。

系統主要結構構建如圖1所示，其中PG/PC為上位機部分，通過以太網與SIMOTION相連接。SIMOTION D445-2內部集成了一個驅動管理單元，其硬件組態圖2所示。

圖3為系統拓撲結構，為了實現對電機的更精準的控制，將整流模塊和電機模塊的控制分開。這樣可以使電機模塊的掃描時間更短，使控制精度更高。

圖 1 網絡組態

圖2 硬件組態圖

2 3D飛行機構的空間運動學分析及控制實現途徑

在空間飛行控制運動的實現中，需要對多軸數控系統進行運動學分析。

首先根據空間運動結構建立運動學模型，如圖4所示。A、B、C、D分別為4個立柱的頂點，頂點定滑輪在計算中可視為一點。以D立柱底部為（0，0，0）點，可以確定一個空間笛卡爾坐標系，兩點之間的長度用公式1計算：

假設當前繩吊位置為(x，y，z)。可通過公式2計算出當前位置到各個頂點的距離：

圖3 系統拓撲結構圖

圖4 運動學簡圖

在實現位置的同步上，由運動學解析可以算出4根吊繩各自的長度，但是如何使電機能夠根據這個公式的計算結果進行同步是另一個難題。為了解決這個難題，按照以下步驟進行相關技術的實現。

（1）在SIMOTION中插入4個“Fomular”對象，如圖5；

圖5 公式對象

（2）使用3個虛軸來模擬繩吊的空間坐標，并建立公式連接，如圖6所示；

（3）設定實軸的同步對象為公式，如圖7所示；

（4）實現虛軸的空間插補連接，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。

這樣就可以實現數控系統的四軸同步運行。

圖6 公式連接圖

圖7 設定同步對象圖

圖8 設定插補對象連接

圖9 實際公式賦值圖

圖10 同步調用指令

圖11 運動仿真界面

圖12 軌跡編輯規劃界面

3 3D空間飛行系統測試

3.1 3D軌跡生成控制技術

運行3D空間軌跡生成控制系統，可進入軌跡編輯與仿真界面，如圖11～圖12所示。

該技術可與3D空間飛行裝備融合使用。經軟件使用實測表明，進入圖13所示的“單場景軌跡數測試”場景，這里使用了創建、復制、移動、旋轉等技術，從第四幅視圖可見，本軟件支持3D完全自由度軌跡編輯。

在“單場景軌跡數測試”界面下，從軟件的“根據名稱選擇軌跡”功能可見，該場景共繪制了541條軌跡，而原設計指標200條，超過原設計指標1倍以上。

進入圖14所示的“單條軌跡實際點數測試”界面，繪制了一條控制點數10 000的螺旋線后，將其轉換為Bezier樣長線，每線段增加插值為10，因此，單線點數約為100 000點，超原設計指標10倍。

進入圖15所示的“單條軌跡控制點數測試”，繪制了一條單圈點數100，圈數100的螺旋線，因此，控制點共計約10 000，超過原設計指標10倍。

3.2 3D飛行機構系統

3D空間軌跡控制技術與威亞空間飛行裝備融合后，構建舞臺3D飛行機構系統，如圖16所示，該系統由上位機、執行系統（下位機）和機械執行機構組成。

其中機械結構由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驅動。懸吊物體可以在立柱包絡范圍的空間內運行到任意一點。通過控制懸吊物體的繩長，達到控制物體位置的目的。圖17與18為機械結構圖。

圖19、圖20為設備測試現場實景圖。根據現場測試，空間飛行裝置運行平穩，運用美國斯德克basic型手持測速儀以及博世激光測距儀DLE40設備測試相關參數，達到最高運行速度1 m/s、定位精度≤±3 mm、同步精度≤±5 mm，與舞臺虛擬設計運動理論軌跡相符合度超90%以上。

圖21為實際運行過程的監控畫面，從中可以看到運行軌跡十分平穩，速度平滑，曲線沒有突變點，達到原定設計標準。

圖13 單場景軌跡數測試

圖14 單條軌跡實際點數測試

圖15 單條軌跡控制點數測試

圖16 控制系統組成

圖17 機械設計正視圖

圖18 機械設計俯視圖

圖20 繩吊調試結構圖

4 總結

3D空間飛行系統的控制技術研制，達到了設計預期，作為舞臺效果呈現的關鍵支撐技術之一，體現了自主創新技術用于演出場所的重要價值。

注：本文得到國家科技支撐計劃“演出效果呈現關鍵支撐技術研究與應用示范”項目，“舞臺效果裝備控制集成系統”課題（課題編號：2012BAH38F01）的資助。

參加本文內容研究的有：魏發孔、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. 柔性并聯機器人的研究進展[J]. 組合機床與自動化加工技術，2010（5）.

［2］王薇. 深入淺出西門子運動控制器：SIMOTION實用手冊（第一版）[M]. 北京：機械工業出版社，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