可編程三維威亞系統(tǒng)分析

侯鵬強(qiáng)+唐偉+向飛

【摘 要】 介紹三維威亞應(yīng)用于演藝領(lǐng)域的舞臺(tái)表演功能，并詳細(xì)闡述可編程軌跡的設(shè)置方法以及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 可編程；三維威亞；軌跡；舞臺(tái)表演

文章編號(hào)： 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(guó)演出規(guī)模的擴(kuò)大，各種流動(dòng)演出和固定演出的體量和規(guī)模逐漸增大，對(duì)演出設(shè)備的要求逐年增加。以前的流動(dòng)演出幾乎都是以固定設(shè)備為主，一般采用固定桁架搭臺(tái)，演出方式主要靠燈光音響來配合。最近幾年演出行業(yè)開始多樣化，涌現(xiàn)出了很多新穎的機(jī)械設(shè)備，如增加舞臺(tái)動(dòng)感效果的可編程矩陣球、機(jī)械臂、全向車臺(tái)等演出設(shè)備，極大地豐富了演出的方式和內(nèi)容。采用矩陣球表演方式的舞臺(tái)，通過數(shù)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(jī)械臂的方式可裝載演出用的大型顯示屏，也可將燈具進(jìn)行托舉，同時(shí)還能通過編程將人與機(jī)械臂進(jìn)行互動(dòng)，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(tái)則可以將道具或演員移動(dòng)到舞臺(tái)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(jī)快速移動(dòng)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(jìn)、科技含量較高的立體舞臺(tái)展現(xiàn)的一種手段。三維威亞作為一種演出方式，已越來越多地應(yīng)用于舞臺(tái)表演。

常規(guī)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(gè)平面上進(jìn)行表演，不光可以進(jìn)行上升下降的動(dòng)作，還可以進(jìn)行左右移動(dòng)的操作。兩種威亞的表現(xiàn)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(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)立體舞臺(tái)的效果，起到畫龍點(diǎn)睛的效果。

三維威亞通常采用四根繩索牽引，作為柔索并聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)分支，空間有X、Y、Z三個(gè)自由度。

對(duì)于三維威亞控制系統(tǒng)功能，一般有如下幾種：

（1）手動(dòng)操作，配置手柄等操作工具，可進(jìn)行手動(dòng)控制，一般配置多個(gè)維度的手柄，可同時(shí)控制三維威亞的上下、前后、左右的同時(shí)動(dòng)作。

（2）軌跡離線編程，編輯軌跡，設(shè)定需要經(jīng)過的軌跡點(diǎn)，通過軌跡自動(dòng)平滑等方式處理需要運(yùn)行的軌跡，同時(shí)可設(shè)定軌跡的運(yùn)行時(shí)間等，并進(jìn)行軌跡運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定和自檢，支持軌跡離線仿真。

（3）示教功能，能將手動(dòng)運(yùn)行的軌跡進(jìn)行記錄，并能回放?？赏ㄟ^手柄先試運(yùn)行軌跡，同時(shí)開啟軌跡記錄功能，記錄完成后可將估計(jì)進(jìn)行完整的重現(xiàn)。

（4）運(yùn)行區(qū)域設(shè)定，可手動(dòng)設(shè)置運(yùn)行區(qū)域，保證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會(huì)運(yùn)行過界和碰撞。

目前，國(guó)外的奧地利瓦格納比羅、英國(guó)ST等公司擁有三維威亞技術(shù)。國(guó)內(nèi)的一些公司也在開發(fā)三維威亞，但功能不夠全面，四種功能中一般只實(shí)現(xiàn)了某一種或者兩種功能。

ST公司的威亞系統(tǒng)采用三維視圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，可輕松實(shí)現(xiàn)三維仿真功能，通過計(jì)算機(jī)軟件編程，可實(shí)現(xiàn)軌跡編程、記錄、回放等功能（見圖4）。系統(tǒng)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(tǒng)構(gòu)成

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)，分為三層，操作層、控制層、執(zhí)行層。三層功能劃分明確，進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理。

（1）操作層：一般指用于操作設(shè)備的人機(jī)交互終端（見圖5），終端上配置兩路帶安全開關(guān)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(tái)和運(yùn)動(dòng)控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，保證指令數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。操作終端自帶急停開關(guān)，急停開關(guān)支持ESTOP0、ESTOP1級(jí)緊急停機(jī)模式。

（2）控制層：控制層完成兩個(gè)功能，一種功能為通過以太網(wǎng)接收操作終端傳來的控制指令，控制指令采用實(shí)時(shí)下發(fā)的方式，通信協(xié)議采用心跳模式，可在操作終端失去聯(lián)系的情況下進(jìn)入緊急停機(jī)模式，另一種功能為將解析的命令轉(zhuǎn)換為針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的控制指令。由于該控制器需要完成算法的實(shí)時(shí)解析，需要較強(qiáng)的性能和較快的通信總線。本方案中采用德國(guó)倍福的可編程邏輯控制器（PLC，見圖6），該控制器運(yùn)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(yùn)行速度能達(dá)到1 ms，甚至更短，有充足的計(jì)算能力進(jìn)行軌跡的實(shí)時(shí)計(jì)算；同時(shí)系統(tǒng)采用Ethercat總線，總線掃描四個(gè)設(shè)備能控制在100 us以內(nèi)（見圖7）。這種特性使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快、設(shè)備運(yùn)行精度高。

（3）執(zhí)行層：執(zhí)行層采用倍福的伺服驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)和控制層之間通過Ethercat總線進(jìn)行互聯(lián)，伺服驅(qū)動(dòng)通過指令接受來自控制器的指令。

3 軟件功能

人機(jī)交互通過計(jì)算機(jī)軟件StageTour完成，StageTour主界面分為八個(gè)區(qū)域（見圖8），標(biāo)題欄：顯示OEM廠家信息、本機(jī)軟件的名稱和系統(tǒng)時(shí)間；三維視圖區(qū)：三維顯示三維威亞的狀態(tài)；設(shè)備監(jiān)控區(qū)：三維威亞單個(gè)設(shè)備狀態(tài)屬性；操作區(qū)：設(shè)備、劇目選擇的相關(guān)界面；信息提示欄：顯示軟件當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和用戶的操作信息；狀態(tài)欄：顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)（系統(tǒng)狀態(tài)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(shè)置配置、系統(tǒng)選項(xiàng)；模式切換區(qū)：StageTour的工作模式選擇。endprint

點(diǎn)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(dòng)模式、編輯模式、自動(dòng)模式。

3.1 手動(dòng)模式——軌跡記錄

手動(dòng)模式主要用于控制手動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行，記錄設(shè)備的軌跡，同時(shí)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(diǎn)擊記錄按鈕，開啟軌跡記錄；停止：點(diǎn)擊停止按鈕，停止軌跡記錄；讀?。鹤x取已經(jīng)記錄的軌跡；保存：保存已經(jīng)讀取的記錄信息；管理：打開管理窗口，進(jìn)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(duì)應(yīng)的界面顯示的軌跡。

3.2 編輯模式

編輯模式主要用于手動(dòng)編輯軌跡，包括每個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，速度等。軌跡操作主要分為三個(gè)視圖，正視圖、側(cè)視圖、俯視圖，并通過一個(gè)三維視圖來顯示最終的軌跡。

對(duì)于每個(gè)界面，可完成軌跡點(diǎn)的新增，刪除，移動(dòng)等操作（見圖10）。

（1）為新增按鈕，按下后鼠標(biāo)變?yōu)槭中螤?，鼠?biāo)左鍵點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕即可完成點(diǎn)的新建，可聯(lián)系多次點(diǎn)擊，完成多個(gè)點(diǎn)的新建；

（2）為視圖查看按鈕，按下后鼠標(biāo)變?yōu)槭髽?biāo)常規(guī)的箭頭形狀，點(diǎn)擊任何視圖都不會(huì)產(chǎn)生任何動(dòng)作；

（3）為刪除按鈕，按下后鼠標(biāo)變?yōu)榧t色帶斜杠的形狀，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的軌跡點(diǎn)可刪除點(diǎn)；

（4）為移動(dòng)按鈕，按下后鼠標(biāo)變?yōu)槭终菩螤睿扔米箧I選擇對(duì)應(yīng)的軌跡點(diǎn)，拖動(dòng)鼠標(biāo)到合適的軌跡位置，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵完成點(diǎn)的移動(dòng)；

（5）為放大按鈕，按下后可放大對(duì)應(yīng)的視圖；

（6）為縮小按鈕，按下后恢復(fù)為正常的視圖大小。

軌跡點(diǎn)編輯界面（見圖11）主要用于編輯每個(gè)軌跡點(diǎn)，包括每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)、速度，其中速度為兩個(gè)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間，單位為毫秒。其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)檫x中的軌跡點(diǎn)的標(biāo)號(hào)。

（1）編輯x、y、z坐標(biāo)值，再選擇位置設(shè)置按鈕，即可完成對(duì)應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)編輯；

（2）編輯speed值，再選擇速度設(shè)置，即可完成對(duì)應(yīng)的速度時(shí)間設(shè)置；

（3）速度量化選項(xiàng)，量化系數(shù)為1～100，100基本針對(duì)三維威亞的最快運(yùn)行速度。

選擇編輯模式下的其他選項(xiàng)卡，點(diǎn)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(diào)相位的Sin曲線。

軌跡分析界面（見圖13）可針對(duì)編輯好的軌跡進(jìn)行速度和加速度分析，并可調(diào)整對(duì)應(yīng)的平滑程度。界面可適當(dāng)調(diào)整每段曲線的顯示長(zhǎng)度和顯示曲線的數(shù)量，方便進(jìn)行分析和優(yōu)化。界面上層有平滑系數(shù)可進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整系數(shù)可將曲線平滑程度進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化。

4 控制算法

三維威亞機(jī)構(gòu)（示意圖見圖14）采用4根繩索牽引一個(gè)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(nèi)移動(dòng)。

其中，四根繩分別標(biāo)記為L(zhǎng)1，、L2、L3、L4，中心點(diǎn)物體坐標(biāo)標(biāo)記為（x，y，z）。四個(gè)點(diǎn)掛繩點(diǎn)坐標(biāo)在空間中標(biāo)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(zhǎng)度L。

5 應(yīng)用

三維威亞可用于舞臺(tái)表演，也可用于展覽展示。其作為柔索并聯(lián)機(jī)器人的一種方式，可應(yīng)用于其他物體空間位置調(diào)整，如攝像機(jī)等。

由于三維威亞只有四根繩索，可采用類似單點(diǎn)吊機(jī)的布局方式，采用快拆的方式來進(jìn)行四個(gè)點(diǎn)的固定。平時(shí)不用的情況下可當(dāng)成單點(diǎn)吊機(jī)進(jìn)行自由升降，不占用空間位置；需要用的時(shí)候可將四個(gè)點(diǎn)降到某個(gè)位置，進(jìn)行快速連接即可。文中詳述的系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個(gè)劇場(chǎng)的觀眾廳以及部分婚慶場(chǎng)所。

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