可編程三維威亞系統分析

侯鵬強+唐偉+向飛

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

【關鍵詞】 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

隨著我國演出規模的擴大，各種流動演出和固定演出的體量和規模逐漸增大，對演出設備的要求逐年增加。以前的流動演出幾乎都是以固定設備為主，一般采用固定桁架搭臺，演出方式主要靠燈光音響來配合。最近幾年演出行業開始多樣化，涌現出了很多新穎的機械設備，如增加舞臺動感效果的可編程矩陣球、機械臂、全向車臺等演出設備，極大地豐富了演出的方式和內容。采用矩陣球表演方式的舞臺，通過數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的一種手段。三維威亞作為一種演出方式，已越來越多地應用于舞臺表演。

常規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，設定需要經過的軌跡點，通過軌跡自動平滑等方式處理需要運行的軌跡，同時可設定軌跡的運行時間等，并進行軌跡運行參數的設定和自檢，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。

（4）運行區域設定，可手動設置運行區域，保證系統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。國內的一些公司也在開發三維威亞，但功能不夠全面，四種功能中一般只實現了某一種或者兩種功能。

ST公司的威亞系統采用三維視圖進行設計，可輕松實現三維仿真功能，通過計算機軟件編程，可實現軌跡編程、記錄、回放等功能（見圖4）。系統采用了多種算法，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 系統構成

舞臺機械控制系統采用分層控制結構，分為三層，操作層、控制層、執行層。三層功能劃分明確，進行不同的數據處理。

（1）操作層：一般指用于操作設備的人機交互終端（見圖5），終端上配置兩路帶安全開關的手柄，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以太網進行通信，保證指令數據的實時性。操作終端自帶急停開關，急停開關支持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接收操作終端傳來的控制指令，控制指令采用實時下發的方式，通信協議采用心跳模式，可在操作終端失去聯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換為針對伺服驅動的控制指令。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；同時系統采用Ethercat總線，總線掃描四個設備能控制在100 us以內（見圖7）。這種特性使得系統響應速度快、設備運行精度高。

（3）執行層：執行層采用倍福的伺服驅動，伺服驅動和控制層之間通過Ethercat總線進行互聯，伺服驅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主界面分為八個區域（見圖8），標題欄：顯示OEM廠家信息、本機軟件的名稱和系統時間；三維視圖區：三維顯示三維威亞的狀態；設備監控區：三維威亞單個設備狀態屬性；操作區：設備、劇目選擇的相關界面；信息提示欄：顯示軟件當前運行狀態和用戶的操作信息；狀態欄：顯示系統當前狀態（系統狀態是否正常）、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、設置配置、系統選項；模式切換區：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備的運行，記錄設備的軌跡，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：讀取已經記錄的軌跡；保存：保存已經讀取的記錄信息；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，按下后鼠標變為十字形狀，鼠標左鍵點擊對應的按鈕即可完成點的新建，可聯系多次點擊，完成多個點的新建；

（2）為視圖查看按鈕，按下后鼠標變為鼠標常規的箭頭形狀，點擊任何視圖都不會產生任何動作；

（3）為刪除按鈕，按下后鼠標變為紅色帶斜杠的形狀，點擊對應的軌跡點可刪除點；

（4）為移動按鈕，按下后鼠標變為手掌形狀，先用左鍵選擇對應的軌跡點，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，按下后可放大對應的視圖；

（6）為縮小按鈕，按下后恢復為正常的視圖大小。

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，再選擇位置設置按鈕，即可完成對應的點坐標編輯；

（2）編輯speed值，再選擇速度設置，即可完成對應的速度時間設置；

（3）速度量化選項，量化系數為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，并可調整對應的平滑程度。界面可適當調整每段曲線的顯示長度和顯示曲線的數量，方便進行分析和優化。界面上層有平滑系數可進行優化，通過調整系數可將曲線平滑程度進行手動優化。

4 控制算法

三維威亞機構（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。其作為柔索并聯機器人的一種方式，可應用于其他物體空間位置調整，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。文中詳述的系統已成功應用于多個劇場的觀眾廳以及部分婚慶場所。

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