CN107169176B - 移动舞台运动模式的切换及其控制方法 - Google Patents

移动舞台运动模式的切换及其控制方法 Download PDF

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CN107169176B CN201710286679.9A CN201710286679A CN107169176B CN 107169176 B CN107169176 B CN 107169176B CN 201710286679 A CN201710286679 A CN 201710286679A CN 107169176 B CN107169176 B CN 107169176B
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Abstract

本发明公开了一种移动舞台运动模式的切换及其控制方法，包括以下步骤：1)根据欧拉运动学方程及运动学原理建立移动舞台的运动学模型；2)其次，对应不同的运动模式，设计不同的控制方法。本发明是为了克服现有技术中的移动舞台无法满足曲线运动并同时完成旋转的需要，提供了移动舞台运动模式的切换及其控制方法，可有效满足演出艺术多样化展示的需要。

Description

移动舞台运动模式的切换及其控制方法
技术领域
本发明应用于舞台控制技术领域，涉及到移动舞台不同运动模式的切换，尤其是针对移动舞台不同运动模式的切换，提出了一种简单有效的控制方法。
背景技术
现代演出中，为了更好达到艺术效果，需要控制全向移动型舞台配合演员进行演出。全向移动舞台是一种四个全向轮耦合而成的全向移动平台，根据动力与转向控制需求共有八个电机组成，每个驱动轮上有独立的动力源，每个轴上均有独立的转向机构。这种结构的移动舞台具有转向半径小、转向稳定容易等特点，尤其适用于演出中复杂场景的布景需求。
但针对现有的移动舞台，同一时刻只能实现曲线运动或者旋转运动，运动模式简单，无法满足现代舞台演出多样化的要求。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的移动舞台无法满足曲线运动并同时完成旋转的需要，提供了移动舞台运动模式的切换及其控制方法，可有效满足演出艺术多样化展示的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
移动舞台运动模式的切换及其控制方法，所述方法包括以下过程：
步骤1)建立移动舞台的运动学模型：
移动舞台的结构比较复杂，要想对其实现有效的控制进而实现复杂的运动方式，首先要建立合理的运动学模型。移动舞台的位姿由三量(x,y,θ)描述。建立移动舞台的运动学模型，驱动轮的切线方向的速度分量，见表达式(1)
Figure BDA0001280857790000011
其中
vnT,n＝1、2、3、4--驱动轮切线方向速度分量
x--移动舞台在世界坐标系X轴的坐标值
y--移动舞台在世界坐标系Y轴的坐标值
θ--移动舞台在世界坐标系中的旋转角
θ0--车体对角和侧边的夹角(对于结构固定的车体，θ0为某一定值)
R--车体质心到转向结构旋转中心的距离
r--转向结构的旋转半径
wn,n＝1、2、3、4--转向机构的旋转角速度
ρn,n＝1、2、3、4--转向机构与车体坐标系X轴的夹角
驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(2)
Figure BDA0001280857790000021
viN,i＝1、2、3、4--驱动轮法线方向速度分量
步骤2)设计控制方法，过程包括：
驱动轮为普通轮子，故不管移动舞台做何种运动，须保证轮子法线方向的速度分量为零。
1)曲线运动
移动舞台单纯做曲线运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(3)
Figure BDA0001280857790000022
以第二驱动轮为例，有
Figure BDA0001280857790000023
其中，
Figure BDA0001280857790000024
(当
Figure BDA0001280857790000025
时，
Figure BDA0001280857790000026
)
只要令
Figure BDA0001280857790000027
n为任意整数
即可保证v2N恒为零。同理可类推到其他轮子。
这里
Figure BDA0001280857790000031
(i,n,m,k均为任意整数)即为移动舞台单独做曲线运动的控制方法。
2)旋转运动
移动舞台单纯做旋转运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(4)
Figure BDA0001280857790000032
以第二驱动轮为例，有
Figure BDA0001280857790000033
只要令
Figure BDA0001280857790000034
n为任意正数
即可保证v2N恒为零。同理可类推到其他轮子。
这里
Figure BDA0001280857790000035
(i,n,m,k均为任意整数)即为移动舞台单独做旋转运动的控制方法。
3)曲线+旋转运动
移动舞台做曲线+旋转运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(3)
Figure BDA0001280857790000041
以第二驱动轮为例，有
Figure BDA0001280857790000042
其中，
Figure BDA0001280857790000043
(当
Figure BDA0001280857790000044
时，
Figure BDA0001280857790000045
)
只要满足
Figure BDA0001280857790000046
Figure BDA0001280857790000047
n为任意整数
即可保证v2N恒为零。同理可类推到其他轮子。
这里
Figure BDA0001280857790000048
以及
Figure BDA0001280857790000049
(i,n,m,k均为任意整数)即为移动舞台同时做曲线+旋转运动的控制方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：针对现有技术的移动舞台只能实现曲线运动或者旋转运动的模式，使用简单有效的控制策略扩展了移动舞台的运动模式，丰富了演出的多样化。
本发明主要执行部分在移动舞台控制计算机上运行实施。本方法应用过程可以大致分为3个阶段：
1、轨迹设置：在轨迹导入界面中，设定好运动轨迹。导入轨迹确认后，由控制计算机将预设轨迹数据存入Flash存储单元中，通过控制计算机将预设轨迹分解为
Figure BDA00012808577900000410
矩阵(
Figure BDA0001280857790000051
均是时间t的函数)并将数据存入Flash存储单元中保存。
2、参数设置：在参数导入界面中，输入式(1)中r、R、θ0值。根据预设轨迹分解得到的
Figure BDA0001280857790000052
矩阵设定ρ1，ρ2，ρ3，ρ4的初始值以及w1，w2，w3，w4的值；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元Flash中保存。ρ1，ρ2，ρ3，ρ4的初始值以及w1，w2，w3，w4的值设定规则如下(初始θ＝0)：(1)若
Figure BDA0001280857790000053
则初始时刻
Figure BDA0001280857790000054
(2)若
Figure BDA0001280857790000055
则初始时刻
Figure BDA0001280857790000056
[w1 w2 w3 w4]T＝[0 0 0 0]T；(3)若
Figure BDA0001280857790000057
则初始时刻
Figure BDA0001280857790000058
Figure BDA0001280857790000059
3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，移动舞台的控制计算机从Flash存储中读取参数设置时导入的参数，并从Flash存储中读取经过轨迹分解之后矩阵
Figure BDA00012808577900000510
的数据，执行“移动舞台运动控制程序”，通过读取导入的设置参数，控制转向机构的初始角度及转向电机的转速，实现移动舞台不同运动模式的自动切换。
附图说明
图1是移动舞台结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明的技术方案、设计思路能更加清晰，下面再进行详尽的描述。
移动舞台运动模式的切换及其控制方法，所述方法包括以下过程：
步骤1)建立移动舞台的运动学模型：
移动舞台的结构比较复杂，要想对其实现有效的控制进而实现复杂的运动方式，首先要建立合理的运动学模型。移动舞台的位姿由三量(x,y,θ)描述。建立移动舞台的运动学模型，驱动轮的切线方向的速度分量，见表达式(1)
Figure BDA0001280857790000061
其中
vnT,n＝1、2、3、4--驱动轮切线方向速度分量
x--移动舞台在世界坐标系X轴的坐标值
y--移动舞台在世界坐标系Y轴的坐标值
θ--移动舞台在世界坐标系中的旋转角
θ0--车体对角和侧边的夹角(对于结构固定的车体，θ0为某一定值)
R--车体质心到转向结构旋转中心的距离
r--转向结构的旋转半径
wn,n＝1、2、3、4--转向机构的旋转角速度
ρn,n＝1、2、3、4--转向机构与车体坐标系X轴的夹角
驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(2)
Figure BDA0001280857790000062
viN,i＝1、2、3、4--驱动轮法线方向速度分量。
步骤2)设计控制方法，过程包括：
驱动轮为普通轮子，故不管移动舞台做何种运动，须保证轮子法线方向的速度分量为零。
1)曲线运动
移动舞台单纯做曲线运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(3)
Figure BDA0001280857790000071
以第二驱动轮为例，有
Figure BDA0001280857790000072
其中，
Figure BDA0001280857790000073
(当
Figure BDA0001280857790000074
时，
Figure BDA0001280857790000075
)
只要令
Figure BDA0001280857790000076
n为任意整数
即可保证v2N恒为零。同理可类推到其他轮子。
这里
Figure BDA0001280857790000077
(i,n,m,k均为任意整数)即为移动舞台单独做曲线运动的控制方法。
2)旋转运动
移动舞台单纯做旋转运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(4)
Figure BDA0001280857790000078
以第二驱动轮为例，有
Figure BDA0001280857790000079
只要令
Figure BDA00012808577900000710
n为任意正数
即可保证v2N恒为零。同理可类推到其他轮子。
这里
Figure BDA0001280857790000081
(i,n,m,k均为任意整数)即为移动舞台单独做旋转运动的控制方法。
3)曲线+旋转运动
移动舞台做曲线+旋转运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(3)
Figure BDA0001280857790000082
以第二驱动轮为例，有
Figure BDA0001280857790000083
其中，
Figure BDA0001280857790000084
(当
Figure BDA0001280857790000085
时，
Figure BDA0001280857790000086
)
只要满足
Figure BDA0001280857790000087
Figure BDA0001280857790000088
n为任意整数
即可保证v2N恒为零。同理可类推到其他轮子。
这里
Figure BDA0001280857790000089
以及
Figure BDA00012808577900000810
(i,n,m,k均为任意整数)即为移动舞台同时做曲线+旋转运动的控制方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：针对现有技术的移动舞台只能实现曲线运动或者旋转运动的模式，使用简单有效的控制策略扩展了移动舞台的运动模式，丰富了演出的多样化。
实施例1为移动舞做曲线运动的过程，具体操作过程：
1、在轨迹导入界面中，设定好运动轨迹。本实例的设定轨迹为移动舞台沿世界坐标系x轴以1m/s速度。经过轨迹分解后得到
Figure BDA0001280857790000091
矩阵(
Figure BDA0001280857790000092
均是时间t的函数)，
Figure BDA0001280857790000093
矩阵参数如下：
Figure BDA0001280857790000094
其中
Figure BDA0001280857790000095
的单位均为m/s，
Figure BDA0001280857790000096
的单位为rad/s。
将轨迹分解得到的矩阵
Figure BDA0001280857790000097
数据存储在Flash存储中。
2、在参数设置界面中，输入移动舞台的运动学模型基本参数，如下：
r＝0.2m，R＝1.0m，
Figure BDA0001280857790000098
做曲线运动时的控制方法为：
Figure BDA0001280857790000099
(i,n,m,k均为任意整数)
其中，
Figure BDA00012808577900000910
(当
Figure BDA00012808577900000911
时，
Figure BDA00012808577900000912
)
则初始时刻
Figure BDA00012808577900000913
[w1 w2 w3 w4]T＝[0 0 0 0]T；
3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，移动舞台的控制计算机从Flash存储中读取参数设置时导入的参数，并从Flash存储中读取经过轨迹分解之后矩阵
Figure BDA00012808577900000914
的数据，执行“移动舞台运动控制程序”，通过读取导入的设置参数，控制转向机构的初始角度及转向电机的转速，实现移动舞台不同运动模式的自动切换。
实施例2为移动舞做旋转运动的过程，具体操作过程：
1、在轨迹导入界面中，设定好运动轨迹。本实例的设定轨迹为移动舞台沿世界坐标系原点以0.2rad/s做旋转运动。经过轨迹分解后得到
Figure BDA00012808577900000915
矩阵(
Figure BDA00012808577900000916
均是时间t的函数)，
Figure BDA0001280857790000101
矩阵参数如下：
Figure BDA0001280857790000102
其中
Figure BDA0001280857790000103
的单位均为m/s，
Figure BDA0001280857790000104
的单位为rad/s。
将轨迹分解得到的矩阵
Figure BDA0001280857790000105
数据存储在Flash存储中。
2、在参数设置界面中，输入移动舞台的运动学模型基本参数，如下：
r＝0.2m，R＝1.0m，
Figure BDA0001280857790000106
做旋转运动时的控制方法为：
Figure BDA0001280857790000107
(i,n,m,k均为任意整数)
则初始时刻
Figure BDA0001280857790000108
[w1 w2 w3 w4]T＝[0 0 0 0]T；
3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，移动舞台的控制计算机从Flash存储中读取参数设置时导入的参数，并从Flash存储中读取经过轨迹分解之后矩阵
Figure BDA0001280857790000109
的数据，执行“移动舞台运动控制程序”，通过读取导入的设置参数，控制转向机构的初始角度及转向电机的转速，实现移动舞台不同运动模式的自动切换。
实施例3为移动舞做旋转+曲线运动的过程，具体操作过程：
1、在轨迹导入界面中，设定好运动轨迹。本实例的设定轨迹为移动舞台沿世界坐标系x轴以0.2m/s速度做直线运动，同时以0.2rad/s做旋转运动。经过轨迹分解后得到
Figure BDA00012808577900001010
矩阵(
Figure BDA00012808577900001011
均是时间t的函数)，
Figure BDA00012808577900001012
矩阵参数如下：
Figure BDA00012808577900001013
其中
Figure BDA00012808577900001014
的单位均为m/s，
Figure BDA00012808577900001015
的单位为rad/s。
将轨迹分解得到的矩阵
Figure BDA00012808577900001016
数据存储在Flash存储中。
2、在参数设置界面中，输入移动舞台的运动学模型基本参数，如下：
r＝0.2m，R＝1.0m，
Figure BDA00012808577900001017
做曲线+旋转运动的控制方法：
Figure BDA0001280857790000111
(i,n,m,k均为任意整数)
则初始时刻
Figure BDA0001280857790000112
[w1 w2 w3 w4]T＝[-0.1 -0.1 -0.1 -0.1]T；
3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，移动舞台的控制计算机从Flash存储中读取参数设置时导入的参数，并从Flash存储中读取经过轨迹分解之后矩阵
Figure BDA0001280857790000113
的数据，执行“移动舞台运动控制程序”，通过读取导入的设置参数，控制转向机构的初始角度及转向电机的转速，实现移动舞台不同运动模式的自动切换。
以上阐述的是本发明给出的三个实施例所表示的不同运动模式下的控制方法。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.移动舞台运动模式的切换及其控制方法，所述方法包括以下过程：
步骤1)建立移动舞台的运动学模型：
首先要建立合理的运动学模型；移动舞台的位姿由三量(x,y,θ)描述，建立移动舞台的运动学模型，驱动轮的切线方向的速度分量，见表达式(1)：
Figure FDA0002393784190000011
其中
vnT,n＝1、2、3、4--驱动轮切线方向速度分量
x--移动舞台在世界坐标系X轴的坐标值
y--移动舞台在世界坐标系Y轴的坐标值
θ--移动舞台在世界坐标系中的旋转角
θ0--车体对角和侧边的夹角，对于结构固定的车体，θ0为某一定值
R--车体质心到转向结构旋转中心的距离
r--转向结构的旋转半径
wn,n＝1、2、3、4--转向机构的旋转角速度
ρn,n＝1、2、3、4--转向机构与车体坐标系X轴的夹角
驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(2)
Figure FDA0002393784190000012
viN,i＝1、2、3、4--驱动轮法线方向速度分量
步骤2)设计控制方法，过程包括：
驱动轮为普通轮子，故不管移动舞台做何种运动，须保证轮子法线方向的速度分量为零；
1)曲线运动
移动舞台单纯做曲线运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(3)
Figure FDA0002393784190000021
第二驱动轮表示如下：
Figure FDA0002393784190000022
其中，
Figure FDA0002393784190000023
(当
Figure FDA0002393784190000024
时，
Figure FDA0002393784190000025
)
只要令
Figure FDA0002393784190000026
n为任意整数
即可保证v2N恒为零，同理可类推到其他轮子；
这里
Figure FDA0002393784190000027
i,n,m,k均为任意整数，即为移动舞台单独做曲线运动的控制方法；
2)旋转运动
移动舞台单纯做旋转运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(4)
Figure FDA0002393784190000028
第二驱动轮表示如下：
Figure FDA0002393784190000031
只要令
Figure FDA0002393784190000032
n为任意正数
即可保证v2N恒为零，同理可类推到其他轮子；
这里
Figure FDA0002393784190000033
i,n,m,k均为任意整数，即为移动舞台单独做旋转运动的控制方法；
3)曲线+旋转运动
移动舞台做曲线+旋转运动时，驱动轮的法线方向速度分量，见表达式(5)
Figure FDA0002393784190000034
第二驱动轮表示如下：
Figure FDA0002393784190000035
其中，
Figure FDA0002393784190000036
(当
Figure FDA0002393784190000037
时，
Figure FDA0002393784190000038
)
只要满足
Figure FDA0002393784190000039
Figure FDA00023937841900000310
n为任意整数
即可保证v2N恒为零，同理可类推到其他轮子；
这里
Figure FDA0002393784190000041
以及
Figure FDA0002393784190000042
i,n,m,k均为任意整数，即为移动舞台同时做曲线+旋转运动的控制方法。
2.根据权利要求1所述的移动舞台运动模式的切换及其控制方法，其特征在于：移动舞台控制计算机上的实施过程由主要执行部分运行，主要包括以下步骤：
1)轨迹设置：在轨迹导入界面中，设定好运动轨迹；导入轨迹确认后，由控制计算机将预设轨迹数据存入Flash存储单元中，通过控制计算机将预设轨迹分解为
Figure FDA0002393784190000043
矩阵，
Figure FDA0002393784190000044
均是时间t的函数，并将数据存入Flash存储单元中保存；
2)参数设置：在参数导入界面中，输入式(1)中r、R、θ0值；根据预设轨迹分解得到的
Figure FDA0002393784190000045
矩阵设定ρ1，ρ2，ρ3，ρ4的初始值以及w1，w2，w3，w4的值；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元Flash中保存；ρ1，ρ2，ρ3，ρ4的初始值以及w1，w2，w3，w4的值设定规则如下，初始θ＝0：(1)若
Figure FDA0002393784190000046
则初始时刻
Figure FDA0002393784190000047
[w1 w2 w3 w4]T＝[0 0 0 0]T；(2)若
Figure FDA0002393784190000048
初始
Figure FDA0002393784190000049
[w1 w2 w3w4]T＝[0 0 0 0]T；(3)若
Figure FDA00023937841900000410
则初始时刻
Figure FDA00023937841900000411
Figure FDA00023937841900000412
3)在线运行：点击组态界面“运行”按钮，移动舞台的控制计算机从Flash存储中读取参数设置时导入的参数，并从Flash存储中读取经过轨迹分解之后矩阵
Figure FDA00023937841900000413
的数据，执行“移动舞台运动控制程序”，通过读取导入的设置参数，控制转向机构的初始角度及转向电机的转速，实现移动舞台不同运动模式的自动切换。
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