動態(tài)雕塑控制系統(tǒng)分析與應用

侯鵬強 唐偉 向飛

[摘要]闡述動態(tài)雕塑控制系統(tǒng)實現(xiàn)的技術方案及構成、軟件功能，重點給出編程實現(xiàn)表達式的解析。

[關鍵詞]動態(tài)雕塑；可編程；系統(tǒng)構成；伺服；步進；表達式解析

動態(tài)雕塑，也稱矩陣球、懸浮球陣列，是由數百到數千個懸浮體組成的陣列，每個懸浮體通過一根拉線受控可做垂直運動，每個懸浮體的運動組成一體化的動作。

懸浮體陣列在計算機的控制下，以三維方式展現(xiàn)圖案、文字、變換的曲線曲而，伴隨音樂舞動，或靈動，或柔美，帶給觀眾極強的視覺沖擊感，具有超乎想象的展示效果，在科技館、展廳、大型商場、舞臺等演藝娛樂場合迅速應用。圖1所示分別為動態(tài)雕塑在寶馬博物館、上海世博會、新加坡機場等場合的應用。

目前，動態(tài)雕塑的實現(xiàn)主要有兩種技術方式。

（1）一般應用于高速高精度場合，系統(tǒng)運行結構采用伺服電機，每個伺服電機問通過高速工業(yè)以太網來布置控制網絡，每個運動部件的速度可達到幾米每秒的運行速度。系統(tǒng)針對雕塑的編程采用專業(yè)的編程軟件來實現(xiàn)，編程方式相對靈活多樣。

（2）一般應用于要求相對較低的場合，方案采用DMX512信號來控制每個點，電機一般采用步進電機，軟件編程通常采用現(xiàn)成的燈光控制臺進行編程，運行速度較慢，編程較為繁瑣。

為了實現(xiàn)高動態(tài)特性和易操作特性，動態(tài)雕塑控制系統(tǒng)采用伺服+高速工業(yè)以太網的方案來實現(xiàn)，懸體陣列由一個個一體化模塊組成，運用r分布式實時控制、伺服控制等技術。每個模塊安裝簡單，通過標準化的緊固件固定在吊頂鋼架上，電氣部分只需要多芯插座連接，一般的工人即可完成安裝；整體采用無機柜無機房設計，簡化運維成本，用戶通過計算機軟件可以靈活控制懸浮陣列的場景變換。

2 系統(tǒng)構成

動態(tài)雕塑控制系統(tǒng)采用分布式架構，主要由三層構成：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備或執(zhí)行對應的軌跡操作。

管理層：主要包含可編程邏輯控制器（PLC），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)控制指令給伺服驅動，同時接收伺服驅動傳來的設備狀態(tài)等數據，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。

如圖2所示，系統(tǒng)控制層主要由操作臺構成，可采用多個操作終端來控制設備；管理層主要由PLC系統(tǒng)構成，PLC系統(tǒng)由一到多個PLC組成，根據實際的負載情況來測算需要多少個PLC，管理層作為核心環(huán)節(jié)，一方而負責通過以太網接收來自操作終端的指令，一方而又通過實時以太網下發(fā)控制指令給執(zhí)行層；執(zhí)行層則主要由支持EtherCat總線的伺服驅動構成，通過EtherCat接口接收來自管理層的控制命令。層與層之間均通過以太網互聯(lián)，區(qū)別之處在于操作層和管理層采用普通以太網的方式通信，管理層和執(zhí)行層采用實時以太網的方式通信。

系統(tǒng)采用德國倍福系列的PLC，穩(wěn)定可靠，相比西門子、施耐德等PLC，具有如下特點：

（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500μs甚至更短，方便進行運動計算，實時性高；

（2）總線速度快，倍福PLC主要采用倍福EtherCAT總線，掃描100個軸能控制在100μs以內，對于底層驅動設備調節(jié)速度快，設備響應精度高；

（3）應用范圍廣，倍福PLC目前廣泛應用于需要運動控制的行業(yè)，包括最新的迪斯尼等秀場全部采用其控制系統(tǒng)；

（4）多級PLC構成技術，多個PLC可通過內部的工業(yè)以太網實現(xiàn)快速同步。

伺服驅動和伺服電機采用帶有EtherCAT總線接口的產品，具有如下特點。

（1）性能：EtherCATIX習絡的運行、通信速度快。1000個分布式IO數據的掃描周期為30μs。通過單一一個數據幀，可同時交換1 486字節(jié)的過程數據，其傳輸周期不高于300μs。與伺服的通信測試中，100個伺服軸的通信時間≤100μs。同時，由于采用分布式時鐘，可保證軸與軸之間的同步時間誤差<1μs。

（2）拓撲結構：該網絡支持總線型、星型或樹型等幾乎所有拓撲結構。拓撲結構選擇自由度高，布線靈活，是否采用總線拓撲結構，或是樹型結構，均可任意選配組合。總線支持自動地址分配；無需手動設置IP地址。

（3）熱連接：EtherCAT系統(tǒng)具備熱連接功能，可將網絡的每個部分任意連接或斷開，或動態(tài)進行重新連接，組態(tài)方式靈活多樣，可適應不同的組態(tài)需求。

（4）安全性：EtherCAT安全協(xié)議基于應用層，不影響低層。已通過IEC61508認證，可達到SIL3安全集成級別，在采取更多措施后可達到SIL4安全級別。

（5）開放性：EtherCAT技術不僅與標準以太網兼容，而且還具有設計開放性特點，協(xié)議可以與其他通信格式的以太網協(xié)議并存，所有協(xié)議并存于同一物理介質中，且只會對整個網絡性能有比較小程度的影響。

3軟件功熊

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。通過計算機軟件的編程，可輕松實現(xiàn)編程、仿真、播放等功能。每個懸浮模塊可組合使用，也可單獨使用。

（1）操作方式：分為編輯模式、手動模式、自動模式等，操作方式靈活。

（2）固定模型編輯：該模式可編輯動態(tài)雕塑中的某個區(qū)域按照設定好的數學函數進行運行，如正弦余弦、直線、斜面等固定的模型。

（3）字符編輯：可將動態(tài)雕塑用于顯示字符，如數字、漢字、英文字母等。

（4）圖形編輯：可將動態(tài)雕塑用于顯示固定的畫而。軟件可對圖形進行預處理，包括調整灰度值等處理功能。

（5）自定義函數編輯：可用于任意函數編輯，顯示用戶指定的特殊函數，如特定的曲而曲線等信息。

（6）設備管理：設備管理可靈活設置設備的軟限位、清零位置、當前位置等設備參數。

（7）系統(tǒng)狀態(tài)、設備狀態(tài)：可查看系統(tǒng)狀態(tài)和設備狀態(tài)，包括設備每個開關的狀態(tài)信息。

（8）日志管理：可查看系統(tǒng)的報警日志、操作記錄等信息。

圖3所示為軟件系統(tǒng)的截圖，（1）為軟件手動運行界面，三維視圖和表格結合顯示設備的運行狀態(tài)，該界而卜^可通過操作臺配置的手柄針對單個點或多個點進行單控或集控，該模式下可通過圖形的方式快速選擇所選設備；（2）為系統(tǒng)函數編輯整體界而，界而左側主要為圖形顯示區(qū)域，右側為屬性區(qū)域，采用指令集的方式，可輸入對應的函數，也可通過內置的數學模型快速生成，同時編輯界面內置仿真功能，可針對編輯好的界而進行仿真分析，并可在左側窗口進行顯示；（3）為特殊函數編輯界面，軟件不僅可編輯任意函數，也可通過特殊圖形插入特殊的模型，如直線、而、波浪線等；（4）為特殊的函數，可插入圖像、高度、時間點等動態(tài)信息；（5）為函數手動編輯界而，可手工輸入對應的函數，并針對函數進行仿真修改等，同時能指定函數的運行起始結束時間，指定時間是否采用往返等方式；（6）為系統(tǒng)自動運行界面，可將編輯好的數據下載到控制器中，讓控制器執(zhí)行對應的雕塑造型等。

4表達式的解析

對于動態(tài)雕塑編程軟件，函數編輯作為一個核心功能，需要對用戶輸入的函數進行解析和識別，下面重點對函數解析和識別做出編程分析。

軟件需要實現(xiàn)的功能之一是要識別用戶輸入的數學、字符，即接受輸入的包含數字、字符等函數表達式的字符串，并對輸入進行分析，轉換為對應的計算機可識別的指令表達。此類將算術表達式轉為計算機可執(zhí)行指令的過程，稱為表達式解析。

表達式的組成通常包括：運算符、括號、函數、數字、變量，如6—3、5×2、120+（60-30）×3。在運算過程中，除要考慮運算符的優(yōu)先級，也要遵循數學運算準則中關于優(yōu)先級相等的運算符，按照從左到右的順序計算。在分析表達式時，表達式解析器首先需要分離出表達式中的每個元素，如：12×3-（3+8），其中的獨立元素有：12、×、3、-、（、3、+、8、）。這種表達式元素通常稱為標識符。為了將一串字符串拆分為單個標識符，需要設計一個函數，該函數能從頭到尾掃描表達式字符串，從而將每個字符分離出來，確定字符串中每個字符的類型，進行表達式的計算和數學分析。

首先定義表達式解析的變量類型Parser，并定義表達式元素函數getToken（）。

變量定義如下。

public const Int32 c_NONE=0；

public const Int32c—DELIMITER=1；

public const Int32 c_VARIABLE=2；

public const Int32 c—NL'MBER=3；

其中，c_VARIABLE、c_NUMBER、c_DELIMITER三個常量分別表示這個解析器中的類型：變量、數值和分隔符。c_DELIMITER既可以是運算符，也可為括號；c_NONE作為一個未定義的標識符的占位符。

public const Int32 c_SYNTAX=O；

public const Int32 c_LNBALPARENS=1；

public const Int32 c_NOEXP=2；

public const Int32 c_DIVBYZERO=3；

String c_EOE=“＼0”；

這幾個常量主要用于表達錯誤，包括在解析和計算中產生的錯誤碼。c_SYNTAX用于表示非正則表達式錯誤，c_LNBALPARENS用于表示括號不對稱錯誤，c-N OEXP用于表示解析器未檢測到表達式輸入，c—DIVERYZERO用于表示零除錯誤；c_EOE用于表示表達式的結尾。

private String m_token；

String m_exp；

Int32 m_tokType；

Int32 m_expldx；

doubleLL m_vars= new double[26]；

其中，m—exp變量用于存儲被解析的字符串；m—expldx用于保存此字符串中的下一個標識符的索引，初始值為O；m_token存儲當前獲得的標識符；m_tokType用于存儲解析字符的類型；m_vars用于存儲26個字母。

編寫getToken（）的代碼片段如下。

程序先進行函數初始化，接著查看m_expldx是否等于exp.Length，用來判斷該字符串解析是否已經完成。而m_explclx作為一個索引，用于表示當前字符串解析的位置索引，如果該索引值等于需解析字符串的長度，即可表明該表達式已解析完成。

相比采用燈光臺等的造型編程，該功能可使得人機交互系統(tǒng)可按受來自用戶的函數輸入，使得效果呈現(xiàn)更多的內容。

上述內容即為函數解析的主要部分。對于動態(tài)雕塑軟件中三維視圖編程、圖像灰度處理等均為常見的軟件算法編程，暫不詳述。

5結語

動態(tài)雕塑控制系統(tǒng)已經成功應用于國內某演藝中心（圖4）。該系統(tǒng)采用幾十塊亞格力材料，通過自帶的編程軟件，實現(xiàn)各種特殊的動態(tài)和靜態(tài)造型，可動態(tài)運行，也可配合演員完成動態(tài)天街和飛天等造型。

動態(tài)雕塑控制系統(tǒng)采用時間線的方式來編程，具有高動態(tài)特性，有利于實現(xiàn)燈光系統(tǒng)和動態(tài)造型的相互配合，體現(xiàn)速度和力量結合的視覺效果，可用于舞臺表演，也可用于展覽展示。

參考文獻

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