三維威亞和飛燈控制系統(tǒng)解析

張胤 侯鵬強(qiáng)

【摘? ? 要】 針對青島上合峰會燈光焰火藝術(shù)表演中所用到的三維威亞和飛燈系統(tǒng)的構(gòu)成及表演形式，分析應(yīng)用中控制系統(tǒng) 的難點(diǎn)及解決方案。

【關(guān)鍵詞】 上合峰會;舞臺機(jī)械;控制系統(tǒng);三維威亞;飛燈系統(tǒng)

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.009

1? 引言

2018年6月，上海合作組織青島峰會燈光焰火藝術(shù)表演《有朋自遠(yuǎn)方》在青島奧帆中心舉行，此表演區(qū)別于傳統(tǒng)的演出形式，將中華傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代科技相交融，以天為幕，以海為臺，以城為景，將舞臺搭建在大海之上，通過海上舞臺多媒體球面視頻、環(huán)幕投影與海岸線城市景觀樓體相結(jié)合，創(chuàng)造性地將青島的城市夜景融入舞臺表演之中。整個舞臺由半圓形的投影幕構(gòu)成舞臺背景，中間放置一個由LED條帶構(gòu)成的球體，整個舞臺表面可注入幾公分深的水。舞臺機(jī)械裝置有一套三維威亞，124路飛燈，一個中心雙層升降臺，兩個側(cè)升降臺，一個直行車臺。

整個系統(tǒng)表演分為五個篇章：《天涯明月》《齊風(fēng)魯韻》《國泰民安》《筑夢未來》《命運(yùn)共同體》。最終演出中，《天涯明月》節(jié)目使用了雙層升降臺，《國泰民安》節(jié)目采用了124路飛燈，《筑夢未來》采用了三維威亞，演出效果見圖1。早期節(jié)目保留的側(cè)升降臺和直行車臺均由于節(jié)目的更改而未參與演出。

2? 三維威亞的系統(tǒng)控制

2.1 三維威亞機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)

三維威亞主要用于《筑夢未來》的表演，通過三維威亞懸掛演員，在球體中完成太空漫步等經(jīng)典動作，球體視頻、環(huán)幕、樓體的空間聯(lián)動效果，配合激光與燈光表演，帶來震撼人心的視覺體驗(yàn)。為追求多個表演要素的整體配合效果，需要對演員行走的路線、速度、加速度等進(jìn)行快速的修改，以滿足導(dǎo)演的創(chuàng)意和需求。

三維威亞機(jī)械機(jī)構(gòu)采用固定式自排繩卷揚(yáng)機(jī)，水平放置于地面，通過滑輪進(jìn)行鋼絲繩出繩點(diǎn)轉(zhuǎn)向，為了達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)的要求，采用德國倍福伺服電機(jī)，電機(jī)額定功率為7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速2 000轉(zhuǎn)，卷筒出繩點(diǎn)速度為2.6 m/s，減速機(jī)采用斜齒輪減速機(jī)。由于伺服電機(jī)只配置了單個制動，并且制動力矩偏小，在卷筒的末端配置了單獨(dú)的制動器用于提升制動。

2.2? 三維威亞的控制系統(tǒng)及難點(diǎn)的解決

三維威亞的系統(tǒng)控制采用分層設(shè)計的方式，包括操作層、管理層、執(zhí)行層三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。操作層用于人機(jī)交互，編程軟件采用高級語言編寫，與控制器采用自定義總線進(jìn)行通信。管理層主要包含控制器，用于接收計算機(jī)下發(fā)的指令并執(zhí)行，從而驅(qū)動伺服電機(jī)按照設(shè)定好的位置進(jìn)行位置、速度的實(shí)時調(diào)整。

演出中三維威亞有3分多鐘的表演時間，演員會在空中進(jìn)行左右繞行、上下繞行等運(yùn)動，要求演員在行走過程中平順，不能有卡頓的情況存在;并且現(xiàn)場需要針對導(dǎo)演的需求進(jìn)行快速更改，需要對軌跡編輯進(jìn)行簡化，使得系統(tǒng)能在最短的時間快速編程。

為了實(shí)現(xiàn)快速編程的功能，系統(tǒng)分為時間編程和速度編程，如圖3所示。在時間編程模式下，只需要設(shè)置經(jīng)過點(diǎn)所需的時間即可，內(nèi)部速度和加減速由速度編程后系統(tǒng)自動規(guī)劃。在速度加速度編程模式下，只需要設(shè)置每個經(jīng)過點(diǎn)的速度和加速度值即可，時間則由時間編程自動計算。

如圖3所示，速度和加速度模式下可設(shè)置每個點(diǎn)的時間、延時、加速度、減速度幾個值，其中速度值為每段曲線運(yùn)行到該段曲線結(jié)束時的速度，下一段曲線的開始速度。前端系數(shù)和后端系數(shù)則主要用來手動調(diào)節(jié)曲線的平滑程度。在時間編程模式下，speed則表示該段曲線運(yùn)行的時間長短。

系統(tǒng)的控制模式有手動模式、編輯模式、自動模式三種，如圖4所示。其中，手動模式主要通過手柄控制設(shè)備的運(yùn)行，同時可記錄設(shè)備的運(yùn)行軌跡并進(jìn)行回放;編輯模式主要用于軌跡編輯，通過編輯速度、加速度等曲線實(shí)現(xiàn)設(shè)備按軌跡運(yùn)行，該模式下重要的功能為軌跡分析功能，在軌跡分析模塊中，可對編輯好的軌跡進(jìn)行速度和加速度分析，對每段繩長和坐標(biāo)進(jìn)行速度和加速度分析，相當(dāng)于系統(tǒng)編輯模式下的檢測功能;自動模式下則主要用于運(yùn)行編輯好的曲線和記錄的軌跡。

3? 124路飛燈控制系統(tǒng)

3.1? 飛燈系統(tǒng)構(gòu)成

124路飛燈主要用于《國泰民安》，舞動的燈具配合著大氣磅礴的歌曲，描繪了一幅跨越時空的“盛世中國”畫卷。飛燈系統(tǒng)打破了“燈位不動，只有光在運(yùn)動”的限制，讓電腦燈本身也運(yùn)動起來，自由翱翔，實(shí)現(xiàn)從“光的運(yùn)動”到“運(yùn)動的光”這巨大的轉(zhuǎn)變。

飛燈系統(tǒng)通過124路單點(diǎn)吊機(jī)進(jìn)行提升，每個單點(diǎn)吊機(jī)安裝于投影幕頂層空間，如圖5所示，單點(diǎn)吊機(jī)采用自排繩系統(tǒng)，鋼絲繩出繩速度較快，達(dá)到3.2 m/s，出繩點(diǎn)為兩個，通過復(fù)式安裝懸掛電腦燈托盤，電腦燈運(yùn)行速度最大為1.6 m/s。

3.2? 系統(tǒng)控制難點(diǎn)及解決方案

由于系統(tǒng)位于海邊，燈的固定需要考慮風(fēng)大導(dǎo)致的搖晃問題，系統(tǒng)最終采用6根鋼絲繩來做固定。飛燈系統(tǒng)的另一個難點(diǎn)主要集中在電控系統(tǒng)，系統(tǒng)中分為124路子系統(tǒng)，為了保證各子系統(tǒng)的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性以及編程的易用性，均需要進(jìn)行針對性的設(shè)計。

系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)總線，保證124軸的掃描周期能在1 ms內(nèi)完成，同時配置了倍福冗余交換機(jī)形成環(huán)網(wǎng)，保證單軸斷開的情況下網(wǎng)絡(luò)也能正常運(yùn)行。

對于編程而言，由于軸數(shù)量較多，并且需要控制燈具做出分段波浪、分段斜線、異形造型等各種動態(tài)造型;同時，設(shè)備需要持續(xù)動作4分鐘，因此，編程工作量巨大。為了簡化編程，系統(tǒng)引入了造型、時間序列混合編程的概念。

（1）造型功能

將一系列需要快速編程的設(shè)備作為一個造型來進(jìn)行快速二次編程，如圖6所示，如將選出的設(shè)備快速地呈現(xiàn)為直線、斜線、波浪線。在此次活動中，飛燈總共分為9個區(qū)域，其中8個區(qū)域的燈具各為14臺，中間第五區(qū)為12臺。在造型的編輯過程中，可將幾個區(qū)進(jìn)行分開編輯，即建立9個造型，針對每個造型進(jìn)行單獨(dú)的動作編程，也可將左邊1～4區(qū)進(jìn)行整體動作的快速編程，將6～9區(qū)進(jìn)行整體動作的快速編程。在造型的編程中，可對延時、往返、時間、速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

如圖6所示，在造型交互窗口中，有往返、延時、波浪等功能的設(shè)置。其中，往返用于兩個造型間往返，即兩個造型動作的重復(fù)，比如可輕松實(shí)現(xiàn)一個類似眼球開合的造型，或者循環(huán)飛天的造型。在往返的情況下，系統(tǒng)自動計算兩個造型間的時間，保證造型切換同時到達(dá)。延時則可輕易完成類似間隔延時、數(shù)列延時等功能，讓每個設(shè)備的啟動時間可快速更改。對于波浪等常見的造型，也可快速插入。

（2）時間序列混合編程功能

該功能主要通過時間和動作序列結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，通過時間來完成時間點(diǎn)的卡位，通過動作序列來實(shí)現(xiàn)設(shè)備編程的連貫性。比如一個設(shè)備執(zhí)行完當(dāng)前動作后需要馬上執(zhí)行下一個動作，最好的方式是通過序列編程，而一個設(shè)備需要在某個時間點(diǎn)進(jìn)行特殊的動作，為了和其他設(shè)備的時間點(diǎn)進(jìn)行配合，采用時間的編程又會變得簡單。

如圖7所示，在場景編程中主要分為5種指令：位置、速度、延時、條件、位時。其中，位置指令主要用于以某種速度和加速度、減速度到達(dá)某個指定的位置值;速度指令用于指示設(shè)備運(yùn)行多長時間，可用于設(shè)備的多段速變化過程;延時指令用于設(shè)備的短期延時;條件指令則可與其他設(shè)備的條件進(jìn)行互動觸發(fā)，也可與自身進(jìn)行觸發(fā)，比如吊機(jī)1可在吊機(jī)2的位置到達(dá)某個值后再啟動該條指令;位時指令則結(jié)合了時間，用于表示場景啟動多長時間后啟動該條指令，涵蓋了時間碼的概念。

4? 總結(jié)

青島上合峰會燈光焰火藝術(shù)表演對于舞臺機(jī)械提出了很高的要求，特別是機(jī)械的可靠性、靈活性要求極高，在系統(tǒng)穩(wěn)定的大前提下要求能對系統(tǒng)進(jìn)行快速的調(diào)整，改變機(jī)械所呈現(xiàn)的狀態(tài)。系統(tǒng)圓滿達(dá)到了使用要求。

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