可编程5自由度八轴飞行系统分析与应用
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作者:张胤 侯鹏强 周厚金
[摘要]阐述5自由度八轴飞行系统的功能、构成和可编程轨迹的设置方法，以及在演艺领域舞台表演中的应用。
[关键词]可编程;5自由度八轴;飞行系统;轨迹;系统构成;软件功能;控制算法
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.09.006
1引言
在大型现代化舞台表演中，引入了越来越丰富的表演方式，带给观众各种意想不到的观感体验。近年来，演艺设备行业涌现出很多新的技术和设备，如布线灵活多样的双点飞行器，3D威亞、全向车台等，与声光电相结合，参与表演，极大地丰富了演出的方式和内容。比如，采用双线飞行器（图1）可降低设备的布局难度，不需要采用轨道的方式即可在舞台上空布置多个二维威亚，轻松实现空中任意方向的二维飞行;采用3D威亚（图2）的方式，可极大地丰富演员与观众的互动，实现演员在观众席上空的表演;采用全向车台（图3），则可以将道具或者演员方便地移动到舞台面的任意位置，使布景演出更灵活多样。但是，演出中提出了更多维度变化的要求，就是在空中改变物体的空间姿态，包括三维坐标和物体本身的空间姿态，如物体本身的倾斜等。
5自由度（以下简称“5D”）八轴的飞行器就是针对上述问题而推出的，可实现空间中的多姿态变化。5D除了包含传统的空间XYZ三个自由度，还包含围绕x轴旋转的A自由度和围绕Y轴旋转的B自由度。传统的3D飞行限制于空间里固定的一个中心点，很难实现空间的物体本身姿态的改变。对于异性物体的悬挂，无法保持物体本身的姿态，并且只能实现空间三个维度的移动，无法实现倾斜等功能。八轴飞行器从顶部连有4条绳索，从底部也连有4条绳索，通过这种张力，能够在变换方向的同时，既保证系统的高强度性、高精度性，还能自由摆动。实现平板或者其他更为复杂的物体飞行，保持水平的同时还能控制倾斜。
目前，拥有5D八轴飞行器技术的主要有国外的瓦格纳比罗公司。瓦格纳比罗飞行控制系统“飞毯”的研发，实现了物体在复杂几何空间的自由移动，以及控制物体在空间里的位置及沿任意轴线的倾斜（图4）。
相比国外系统，本文介绍的5D八轴飞行器软件系统，采用三维视图进行设计，可实现三维仿真功能，通过计算机软件的编程，可实现轨迹编程、记录、回放等功能。系统采用多种算法，如基于样条曲线的轨迹生成算法、基于s曲线的加减速控制算法、基于轨迹球控制的三维视图控制算法等。
2系统构成
舞台机械控制系统采用分布式架构（图5），主要由三层构成，分别是控制层、管理层、执行层。
控制层：指上位机或操作台，通过上位机或操作台，操作人员可选择单个设备或执行对应的轨迹操作。
管理层：主要包含PLC控制器，主要用于接收计算机下发的控制指令，通过指令解析后下发控制指令给伺服驱动，同时接收伺服驱动传来的设备状态等数据，上传给操作层。
执行层：主要用于执行控制层或管理层传来的控制命令，通过对命令的解析，完成控制功能。
2.1操作台
操作台基于17英寸触摸屏的显示操作系统，采用工业以太网（Ethercat）通信协议。两个调速手柄，一组支持x、Y方向运行，一组支持z方向运行。调速手柄带有安全操作功能，以防误操作。具有紧急停止按钮，系统可以在紧急情况下切断主电源。基于手柄的单轴、多轴操作方式，可以容易地实现系统的单控、组合运行等功能。软件死机应急处理，可以通过软件设计防止系统失控。具有设备应急操作，如针对开关损坏等的临时应急操作。采用设备图形显示与文字显示结合的显示方式。系统三维和二维显示结合，方便运行轨迹编辑。可以实现特殊轨迹生成，轻松生成螺旋线、正余弦、直线等轨迹。
2.2主控PLC
系统采用德国倍福系列的PLC，稳定可靠，相比同类型PLC，有以下特点。
（1）运行速度快，对于常规PLC，系统的扫描周期一般在5ms以上，而倍福的PLC运行速度能达到500us甚至更短，方便进行飞行器轨迹运算，实时性高。
（2）总线速度快，倍福PLC主要采用倍福Ethercat总线，总线速度扫描4个设备能控制在100us以内，对于底层驱动设备调节速度快，设备响应精度高。
（3）应用范围广，倍福目前广泛应用于需要运动控制的行业，包括最新的迪士尼等秀场全部采用其控制系统。
2.3伺服驱动及电机
伺服驱动和伺服电机采用德国倍福产品，有以下特点。
（1）单通道或双通道伺服驱动。
（2）高NEthercat通信。
（3）各种额定电流类型，最大170A。
（4）电机类型选择灵活。
（5）优化用于多轴应用场合，适用于对动态性和性能要求较高的定位任务。
（6）三相永磁无刷电机。
3软件功能
软件的操作方式借鉴国外控制风格，操作方式通过计算机选择，配合操作台上手柄进行控制，安全可靠。通八组单点吊机可组合使用构成飞行器，也可拆开使用作为普通单点吊机。操作方式也可灵活选择，分为编辑模式、手动模式、自动模式等。通过计算机软件编程可实现下列功能。
（1）通用曲线编辑：编辑模式主要用于完成设备运行曲线的编程，可任意定义曲线运行的轨迹以及每段曲线运行的时间，采用类似cAD的绘图方式，设置关键点后，曲线会自动进行平滑处理，同时采用分段定义时间的方式，可针对每小段曲线进行时间单独编程。
（2）特殊曲线编辑：在特殊曲线编辑模式下，系统提供多种曲线进行快速编程，包括直线、正弦曲线、余弦曲线、螺旋线等曲线进行选择，方便用户快速演示和实际使用。
（3）轨迹记录：在手动模式下，设备可手动运行设备，并记录手动运行设备的曲线，完成设备的曲线记忆功能。
（4）轨迹回放：用户可选择记录的轨迹进行回放，实现曲线回放功能。
（5）设备管理：设备管理可灵活设置设备的软限位、清零位置、当前位置等设备参数。
（6）系统状态、设备状态：可查看系统状态和设备状态，包括设备每个开关的状态信息。
（7）日志管理：可查看系统的报警日志、操作记录等信息。
图6为软件系统的几个主要功能的界面截图。图6（a）为软件手动运行界面，三维视图和棒状图结合显示设备的运行状态，该界面下可通过操作台配置的手柄进行任意方向自由动作，并且可记录物体的运行轨迹，并保存和编辑记录的轨迹。图6（b）为系统整体轨迹编辑整体界面，界面左侧主要为手动绘制图形区域，右侧为属性区域，每个点可通过类似CAD的方式，手动选取坐标点，也可在右边区域手动输入对应的具体坐标。图6（c）为内置图形区域，软件不仅可通过鼠标点击自动绘制平滑曲线，也可通过特殊图形插入特殊的轨迹，如直线、螺旋线、波浪线等。图6（d）为轨迹分析界面，可针对编辑好的轨迹进行速度和加速度分析，并可调整对应的平滑程度。图6（e）和图6（f）为轨迹编辑的具体界面。
4控制算法
通过上述公式，即可根据坐标得出每条绳的长度，进而可以推算绳索的速度信息。
5系统的应用
5D八轴飞行器作为四轴飞行器的技术升级产品，可用于舞台表演，也可用于展览展示（图8）。同时，作为柔索并联机器人的一种方式，可应用于其他物体空间的位姿调整。
对于大多数现有的剧院来说，没有必要进行复杂的更改或变动。绳索绕在现有的标准单点吊机上，特殊的换向滑轮保证准确的运行路线。这种滑轮设计既可以被固定在马道，又可以固定于舞台地板，通过分布式总线型伺服来实现卷扬机的控制。通过固定于物体的8条绳索实现运行自由度的改进;使用复杂的算法，计算出实时要达到所需位置和倾斜度的绳索的恰当长度。绳索的布局对于物体在飞行过程中的稳定性起决定性作用。
目前，本系统在空间仅支持一套八轴飞行器，对于多套飞行器技术仍需要进一步研发。
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