基于六自由度平臺的動感座椅的設計研究

傅天宇　武云江　惠文豪

摘? ?要：21世紀，人們的娛樂生活更加豐富多彩，動感影院也逐漸進入了人們的視野，由于觀眾在觀看4D影片時能夠獲得視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位的感受，近年來4D影院的發展非常迅猛。但是傳統的動感影院通過網絡通信接口傳送指令，存在占有帶寬、指令延遲引起動感座椅姿態跟蹤效果不佳的問題，針對這些問題，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，求出動感影院六自由度平臺的姿態;其次，對六自由度平臺的姿態進行逆解，求出六自由度6個臂舵機的轉動角度;最后，將逆解后的舵機轉動角度存儲到MCU的內存中，與控制服務器同步啟動影視片播放及座椅的位置調節。

關鍵詞：六自由度平臺;運動學逆解;動感影院;座椅

1? ? 六自由度平臺

六自由度平臺在游樂設備領域主要用于動感影院、駕駛賽車模擬等，而文章要講述的是關于動感影院方面的問題，動感影院正處在發展階段，常見的項目有黑暗乘騎、飛行影院、影視懸掛過山車等。

由于六自由度平臺的運動復雜性，要讓游客有身臨其境的感受，必須要讓運動與影片同步。為了使動感影院的效果更加逼真，完善的智能控制系統尤為重要。動感影院的控制實際上就是六自由度平臺的姿態控制，是該系統最重要的一個技術問題。首先動感影院六自由度平臺的運動姿態參數，來源于影片中鏡頭的姿態。研究人員提出一種獲取姿態的方式：將影片導入MAYA工具軟件，將六自由度平臺座椅與影片鏡頭相結合，設定運動比例參數，按幀計算并輸出座椅的姿態，將姿態信息發送至單片機從而控制六自由度平臺的運動。

2? ? 六自由度平臺概述

2.1? 六自由度平臺的組成

由于條件限制，不可能做成影院式的六自由度平臺，因此，工作人員設計了小型的六自由度平臺，由底座、平臺、6個舵機、6個舵機臂、6根球形拉桿及控制系統組成。控制舵機的轉動角度即可完成上平臺在空間的平移、旋轉、傾斜等空間6個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而模擬出各種空間運動姿態。座椅固定在六自由度平臺上。圖1是在家搭建的模型，圖2是在實驗室由電動推桿所搭建的模型。

2.2? 六自由度平臺姿態解算—運動學逆解

六自由度平臺的基底作為參考坐標系XYZ，上平臺為動坐標系XYZ，假設初始狀態兩坐標系相重合，固定z軸與Z軸不動，動坐標系旋轉ψ度，如圖3所示。

3? ? 六自由度平臺的數據輸入

3.1? 通過MAYA軟件生成六自由度平臺的姿態數據

座椅的動作要和影片的進行同步，就是說六自由度平臺的動作由影片決定。在MAYA中，影片技術人員生成相機視角曲線，導出連續變化的姿態數據。

3.2? 將連續變化的姿態數據轉變為各舵機轉動的角度數據

由MAYA導出的姿態數據是連續變化的空間六自由度數據：各個坐標和各個旋轉角度。這完美對應了前面推出的公式，只需要將這些數據發送給單片機，由單片機進行計算處理，即可進行控制。

4? ? 執行步驟

綜上所述，只要按照下述的步驟執行，即可完成影片與座椅動作的同步。

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

（2）運用MAYA軟件收到的姿態信息，求解出六自由度平臺中心點對應基底的坐標和ψ，θ，?等角度。

（3）運用以上數據計算出舵機所轉動的角度，將信息發送至單片機，用單片機控制PWM波形的高低電平時間從而控制舵機的轉動角度，完成控制。

5? ? 結語

本文詳細闡述了六自由度平臺的組成，運動學的逆解，并給出了完整的公式推導，并且將六自由度平臺應用到了動感影院當中，利用了MAYA軟件進行姿態提取，并將數據發送至單片機完成控制處理。文中所涉及的一些研究思路和方法，特別是六自由度平臺運動學逆解的公式原理，可為今后六自由度平臺應用于類似項目提供理論借鑒和實踐經驗。