CN107728911A - 用于多轴数控飞行表演的手绘2d/3d运行轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，包括：当在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在X‑Y平面坐标系上绘制水平投影曲线时；以及，当徒手在Z‑W立面坐标系上绘制水平曲线展开线的垂直高度曲线时，实时将已绘制的水平投影曲线与已绘制的垂直高度曲线合成为3D空间曲线，并实时将合成的3D空间曲线显示在X‑Y‑Z 3D坐标系上。优点为：可使导演或操作人员在触摸屏上随心所欲的用手指或触摸笔徒手绘制2D/3D空间运行轨迹，通过在平面上手绘空间运行轨迹，通过在2D/3D坐标实时显示空间轨迹曲线，极大地满足了导演的艺术创意，并实时将手绘的轨迹曲线在空间进行实时显示。

Description

用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法

技术领域

本发明属于数控飞行表演系统技术领域，具体涉及一种用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法。

背景技术

文艺演艺、影视摄制等行业，特别是旅游秀场、杂技场等演出时，采用2D二轴数控飞行表演装置和3D四轴数控飞行表演装置，从而吊挂演员或舞美装置在2D/3D演出空间作任意直线/曲线的飞行表演，是当下演艺界所追求的全新的表现方式。

然而，在实现本发明的过程中，发明人发现，现有技术至少存在以下不足：

导演的创意要求飞行曲线是随心所欲的艺术创造，而现有的技术方案，无法实现灵活、快速、简单的设置所需要的直线/曲线，从而极大地限制了该系统的普遍推广应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，可使导演或操作人员在触摸屏上随心所欲的用手指或触摸笔徒手绘制2D/3D空间运行轨迹。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立X-Y平面坐标系、Z-W立面坐标系以及X-Y-Z 3D坐标系；其中，X代表表演空间正面宽度；Y代表表演空间纵深；Z代表表演空间高度；W代表沿水平曲线展开的长度；

步骤2，当在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在X-Y平面坐标系上绘制目标空间曲线在水平面的投影形成的水平投影曲线时；以及，当在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在Z-W立面坐标系上绘制水平曲线展开线的高度值曲线，形成垂直高度曲线时，实时将已绘制的水平投影曲线与已绘制的垂直高度曲线合成为3D空间曲线，并实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系上。

优选的，步骤2具体为：

步骤2.1，采用第1监听模块实时对X-Y平面坐标系进行监听；采用第2监听模块实时对Z-W立面坐标系进行监听；

步骤2.2，当所述第1监听模块监听到X-Y平面坐标系中出现新绘制的第1段水平面曲线时，立即向处理模块发送第1次通知消息，其中，第1次通知消息中携带有第1段水平面曲线的起点坐标和终点坐标；然后，第1监听模块再继续对X-Y平面坐标系进行监听，当在设定时间内未监听到第1段水平面曲线的延长曲线时，则监听结束；如果在设定时间内监听到第1段水平面曲线的某段延长曲线时，将该延长曲线记为第2段水平面曲线，再向处理模块发送第2次通知消息，其中，第2次通知消息中携带有第2段水平面曲线的起点坐标和终点坐标；依此类推，实现对X-Y平面坐标系的实时监听；

步骤2.3，所述处理模块采用多线程机制；每当所述处理模块接收到所述第1监听模块发送的第i次通知消息时，所述处理模块即分配一个第i线程，该第i线程根据第i次通知消息中携带的第i段水平面曲线的起点坐标和终点坐标，在X-Y平面坐标系中定位到第i段水平面曲线；

然后，第i线程将所述第i段水平面曲线按采样间隔自动生成若干个按次序排列的离散样点，每个所述离散样点为2D(X、Y)坐标；然后，将各个离散样点显示到所述X-Y-Z 3D坐标系上，再按次序连接各个3D坐标系上的离散样点，使所述X-Y-Z 3D坐标系形成0高度的第i’段水平面曲线；

通过步骤2.2-步骤2.3，实现实时快速的将X-Y平面坐标系的水平面曲线映射到X-Y-Z 3D坐标系，形成0高度的水平面曲线；

步骤2.4，第2监听模块实时对Z-W立面坐标系进行监听，每当监听到Z-W立面坐标系被绘制新的高度样点时，所述第2监听模块按采样间隔，实时读取新绘制的高度样点的2D(Z，W)坐标；然后，判断X-Y-Z 3D坐标系在水平曲线展开的W位置是否存在水平面样点，如果不存在，则继续监听；如果存在，则定位到3D坐标系中水平曲线展开的W位置的水平面样点，并将该水平面样点从0高度拉至Z高度；如此不断循环，使X-Y-Z 3D坐标系形成若干个3D离散样点，每个3D离散样点的坐标为(X，Y，Z)；最后，将3D离散样点按次序连接起来，即合成得到3D空间曲线。

优选的，还包括高度控件和第3监听模块；所述高度控件与所述X-Y-Z 3D坐标系绑定；

当实时快速的将X-Y平面坐标系的水平面曲线映射到X-Y-Z 3D坐标系，形成0高度的水平面曲线时，手控控制高度控件，进而使动点在X-Y-Z 3D坐标系中以设定的速度在0高度水平曲线上方从曲线起点到曲线终点按设定高度轨迹移动；

因此，在动点移动过程中，所述第3监听模块可实时监听到动点所在的实时高度值以及动点在每个实时高度值所对应的水平曲线样点，因此，所述第3监听模块实时将动点所在的实时高度值、所对应的水平曲线样点的关系发送给处理器；所述处理器实时将水平曲线样点从0高度拉至对应的动点所在的高度值，如此不断循环，使X-Y-Z 3D坐标系形成若干个3D离散样点，每个3D离散样点的坐标为(X，Y，Z)；最后，将3D离散样点按次序连接起来，即合成得到3D空间曲线。

优选的，还包括：

步骤3，在实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系时，实时获取每个3D空间曲线的3D离散样点所对应的速度值，控制动点沿3D空间曲线按设定速度移动，形成4D的动态空间曲线。

优选的，步骤3具体为：

步骤3.1，建立U-W坐标系；其中，U为纵坐标，代表运行速度；W为横坐标，代表沿以设定的水平曲线展开的长度；

步骤3.2，采用第4监听模块实时对U-W坐标系进行监听，每当监听到U-W坐标系被绘制新的目标速度曲线样点时，所述第4监听模块按采样间隔，实时读取新绘制的目标速度曲线样点的2D(U，W)坐标；然后，判断X-Y-Z 3D坐标系在水平曲线展开的W位置是否存在水平面样点，如果不存在，则继续监听；如果存在，则定位到3D坐标系中水平曲线展开的W位置的水平面样点，向该水平面样点标记对应的速度值，并控制动点从该水平面样点按对应的速度值运动到下一个水平面样点；如此不断循环，形成动点沿3D空间曲线按设定速度移动的4D动态空间曲线。

优选的，步骤3具体为：

步骤3.3，当实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系时，手控控制速度控件，进而使速度控件在X-Y-Z 3D坐标系中以设定的速度从曲线起点到曲线终点移动；

因此，在速度控件移动过程中，第5监听模块可实时监听到速度控件实时速度值以及速度控件在每个实时速度值所对应的曲线样点，因此，所述第5监听模块实时将速度控件实时速度值、所对应的曲线样点的关系发送给处理器；所述处理器向该曲线样点标记对应的实时速度值，并控制动点从该曲线样点按对应的速度值运动到下一个曲线样点。

优选的，还包括：

步骤4，4D空间曲线的编码与传输部分：

为空间曲线的采样点序列进行编码，即：在实时生成4D的动态空间曲线时，实时按采样间隔获得每个采样点在空间的位置值(X、Y、Z)和该采样点与下一个采样点的运行速度值(U)，X、Y、Z和U四组数字为一个采样点编码组；将采样点编码组按采样点由0-n序列存储；然后通过网络下载至数字控制器内；

数字控制器根据采样点编码组，控制伺服机构按4D的动态空间曲线控制吊点的位置和速度。

优选的，还包括：

步骤5，离线仿真部分：

在实时生成4D动态空间曲线时，基于4D动态空间曲线进行离线仿真，控制吊点离线仿真运动，并且，在吊点离线仿真运动过程中，采集吊点离线仿真时的实时位置和实时速度值，并根据吊点实时位置和实时速度值，生成仿真3D空间曲线；检测仿真3D空间曲线与4D动态空间曲线的覆盖重合度，从而检验仿真3D空间曲线与4D动态空间曲线的偏差度。

优选的，还包括：

步骤6，在线运行检验部分：

启动控制系统，使控制系统初始化，控制吊点运行至原始位即0位；

计算机将目标3D空间曲线的检测点编码组序列下载至数控飞行表演装置，数控飞行表演装置基于检测点编码组序列对吊点进行控制，使吊点运动；

在吊点运动过程中，实时检测吊点实时位置值，并将吊点实时位置值实时传送到计算机；

计算机在3D坐标系上实时显示吊点实际运行空间轨迹，并判断目标3D空间曲线和吊点实际运行的空间轨迹的覆盖重合度；覆盖重合度反映目标3D空间曲线和吊点实际运行空间轨迹的偏差度。

优选的，还包括：

特定空间曲线软件包：所述特定空间曲线软件包是按需求编制的常用的空间曲线，所述特定空间曲线软件包可直接调用，包括：水平圆垂直正向/反向旋转曲线软件包；垂直圆水平正向/反向旋转曲线软件包；水平圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包；水平正宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包；水平负宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包。

本发明提供的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法具有以下优点：

通过本发明提供的手绘2D/3D空间运行轨迹的方法，可使导演或操作人员在触摸屏上随心所欲的用手指或触摸笔徒手绘制2D/3D空间运行轨迹，通过在平面上手绘空间运行轨迹，通过在2D/3D坐标实时显示空间轨迹曲线，极大地满足了导演的艺术创意，并实时将手绘的轨迹曲线在空间进行实时显示，并可通过离线仿真和在线运行快速检验手绘空间曲线的实际表演效果。

附图说明

图1为本发明提供的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法的流程示意图；

图2为本发明提供的一种水平面手绘曲线图；

图3为本发明提供的一种垂直面曲线手绘示意图；

图4为本发明提供的一种垂直面即时手控高度曲线图；

图5为本发明提供的一种速度手绘曲线及手控即时速度线的示意图；

图6为本发明提供的一种4D的动态空间曲线的示意图；

图7为本发明提供的一种水平圆垂直正向/反向旋转曲线图；

图8为本发明提供的一种水平圆垂直正向/反向旋转曲线图；

图9为本发明提供的一种垂直圆水平正向/反向旋转曲线图；

图10为本发明提供的一种垂直圆水平正向/反向旋转曲线图；

图11为本发明提供的一种水平圆垂直螺旋上升/下降曲线图；

图12为本发明提供的一种水平负宝塔圆垂直螺旋上升曲线图；

图13为本发明提供的一种水平负宝塔圆垂直螺旋下降曲线图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，可应用于文化演艺、影视行业，各类剧场、旅游场馆、体育场馆、演播室、影视摄制2D/3D威亚设备、展览展示、科技馆、游乐场等各类演出、摄制、展示等技术领域。

通过本发明提供的手绘2D/3D空间运行轨迹的方法，可使导演或操作人员在触摸屏上随心所欲的用手指或触摸笔徒手绘制2D/3D空间运行轨迹，通过在平面上手绘空间运行轨迹，通过在2D/3D坐标实时显示空间轨迹曲线，极大地满足了导演的艺术创意，并实时将手绘的轨迹曲线在空间进行实时显示，并可通过离线仿真和在线运行快速检验手绘空间曲线的实际表演效果。

本发明提供的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，主要包括手绘2D/3D空间曲线方法、4D空间曲线的数字化、4D空间曲线的编码与传输、离线仿真、在线运行检验、特定空间曲线软件包等六大部分，下面对各部分分别详细介绍：

(一)手绘2D/3D空间曲线和速度曲线，合成4D空间曲线

具体的，用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立X-Y平面坐标系、Z-W立面坐标系以及X-Y-Z 3D坐标系；其中，X代表表演空间正面宽度；Y代表表演空间纵深；Z代表表演空间高度；W代表沿水平曲线展开的长度；

步骤2，当在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在X-Y平面坐标系上绘制目标空间曲线在水平面的投影形成的水平投影曲线时；以及，当在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在Z-W立面坐标系上绘制水平曲线展开线的高度值曲线，形成垂直高度曲线时，实时将已绘制的水平投影曲线与已绘制的垂直高度曲线合成为3D空间曲线，并实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系上。

因此，手绘的创意是在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在X(表演空间正面宽度)－Y(表演空间纵深)平面坐标系上绘制水平投影曲线与在Z(表演空间高度)－W(沿水平曲线展开的长度)立面坐标系上绘制垂直高度曲线，经软件合成3D空间曲线，实时显示在X-Y-Z(3D)坐标系上。括水平面曲线手绘的方法部分；垂直面曲线手绘的方法部分；运行速度曲线手绘的方法部分；四维(X、Y、Z、U)动态空间曲线的合成(4D)部分。

(1)水平面曲线手绘的方法

在X－Y平面坐标系上徒手绘制目标空间曲线在水平面的投影形成的水平面曲线，X为横坐标即表演空间正面的宽度，Y为纵坐标即表演空间的深度，已绘制完成的水平曲线系统将自动生成离散节点并实时在3D坐标系中自动生成显示0高度的水平面曲线，见附图2，即为一种水平面手绘曲线，共选取了26个离散点。

(2)垂直面曲线手绘的方法

垂直面曲线有两种设定方法：

第一种：在Z－W立面坐标系上徒手绘制水平曲线展开的线的高度值曲线，形成垂直面曲线，Z为纵坐标即表演空间高度，W为横坐标即沿以设定的水平曲线展开的长度。手绘的垂直高度将自动在3D坐标系中实时将已绘制完成的水平面曲线从0高度拉至设定位置，参见附图3，为垂直面曲线手绘示意图。

第二种：不通过手绘，而是通过屏幕上设置的推拉杆或外部直线电位器手控操作设定高度，手控操作设定是通过动点以设定的速度在0高度水平曲线从起点到终点移动，移动是在3D坐标系中进行，动点的移动实时将已绘制完成的水平面曲线从0高度拉至手控即时设定的位置，速度快慢可设定，手动实时高度值将被记忆。参见附图4，为垂直面即时手控高度曲线。

然后，可将水平面曲线与垂直面曲线合成为3D的静止空间曲线。为实现水平面曲线与垂直面曲线实时合成为3D的静止空间曲线，此处的实时性尤其重要，因此，发明人经探索研究发现，可优选采用以下方法实现：

步骤2.1，采用第1监听模块实时对X-Y平面坐标系进行监听；采用第2监听模块实时对Z-W立面坐标系进行监听；

步骤2.2，当所述第1监听模块监听到X-Y平面坐标系中出现新绘制的第1段水平面曲线时，立即向处理模块发送第1次通知消息，其中，第1次通知消息中携带有第1段水平面曲线的起点坐标和终点坐标；然后，第1监听模块再继续对X-Y平面坐标系进行监听，当在设定时间内未监听到第1段水平面曲线的延长曲线时，则监听结束；如果在设定时间内监听到第1段水平面曲线的某段延长曲线时，将该延长曲线记为第2段水平面曲线，再向处理模块发送第2次通知消息，其中，第2次通知消息中携带有第2段水平面曲线的起点坐标和终点坐标；依此类推，实现对X-Y平面坐标系的实时监听；

步骤2.3，所述处理模块采用多线程机制；每当所述处理模块接收到所述第1监听模块发送的第i次通知消息时，所述处理模块即分配一个第i线程，该第i线程根据第i次通知消息中携带的第i段水平面曲线的起点坐标和终点坐标，在X-Y平面坐标系中定位到第i段水平面曲线；

然后，第i线程将所述第i段水平面曲线按采样间隔自动生成若干个按次序排列的离散样点，每个所述离散样点为2D(X、Y)坐标；然后，将各个离散样点显示到所述X-Y-Z 3D坐标系上，再按次序连接各个3D坐标系上的离散样点，使所述X-Y-Z 3D坐标系形成0高度的第i’段水平面曲线；

通过步骤2.2-步骤2.3，实现实时快速的将X-Y平面坐标系的水平面曲线映射到X-Y-Z 3D坐标系，形成0高度的水平面曲线；

步骤2.4，第2监听模块实时对Z-W立面坐标系进行监听，每当监听到Z-W立面坐标系被绘制新的高度样点时，所述第2监听模块按采样间隔，实时读取新绘制的高度样点的2D(Z，W)坐标；然后，判断X-Y-Z 3D坐标系在水平曲线展开的W位置是否存在水平面样点，如果不存在，则继续监听；如果存在，则定位到3D坐标系中水平曲线展开的W位置的水平面样点，并将该水平面样点从0高度拉至Z高度；如此不断循环，使X-Y-Z 3D坐标系形成若干个3D离散样点，每个3D离散样点的坐标为(X，Y，Z)；最后，将3D离散样点按次序连接起来，即合成得到3D空间曲线。

上述过程描述的为通过在Z－W立面坐标系上徒手绘制垂直面曲线，最终合成的3D空间曲线。

当采用即时手控操作设定垂直高度时，可采用以下方法实现：

还包括高度控件和第3监听模块；所述高度控件与所述X-Y-Z 3D坐标系绑定；其中，高度控件即为推拉杆或直线电位器。

当实时快速的将X-Y平面坐标系的水平面曲线映射到X-Y-Z 3D坐标系，形成0高度的水平面曲线时，手控控制高度控件，进而使动点在X-Y-Z 3D坐标系中以设定的速度在0高度水平曲线上方从曲线起点到曲线终点按设定高度轨迹移动；

因此，在动点移动过程中，所述第3监听模块可实时监听到动点所在的实时高度值以及动点在每个实时高度值所对应的水平曲线样点，因此，所述第3监听模块实时将动点所在的实时高度值、所对应的水平曲线样点的关系发送给处理器；所述处理器实时将水平曲线样点从0高度拉至对应的动点所在的高度值，如此不断循环，使X-Y-Z 3D坐标系形成若干个3D离散样点，每个3D离散样点的坐标为(X，Y，Z)；最后，将3D离散样点按次序连接起来，即合成得到3D空间曲线。

(3)运行速度曲线手绘的方法

运行速度曲线有两种设定方法：

第一种：在U－W坐标系上徒手绘制目标速度曲线，U为纵坐标即运行速度，W为横坐标即沿以设定的水平曲线展开的长度。

第二种：不通过手绘，而是通过屏幕上设置的推拉杆或外部直线电位器手控操作速度设定，手控操作设定是通过动点在3D坐标系中以时间轴实时将已绘制完成的空间曲线从起点位置向终点位置按即时手控速度移动手动实时速度值将被记忆。参见附图5，为速度手绘曲线及手控即时速度线的示意图。

(4)四维(X、Y、Z、U)动态空间曲线的合成

水平面曲线与垂直面曲线可合成为3D的静止空间曲线，随着速度值得加入，在X-Y-Z(3D)立体坐标系中可合成为4D的动态空间曲线。参见附图6，为4D的动态空间曲线的示意图。

4D的动态空间曲线可通过以下方法合成得到：在实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系时，实时获取每个3D空间曲线的3D离散样点所对应的速度值，控制动点沿3D空间曲线按设定速度移动，形成4D的动态空间曲线。

其中，当按在U－W坐标系上徒手绘制目标速度曲线，得到速度曲线时，4D动态空间曲线具体通过以下方法得到：

步骤3.1，建立U-W坐标系；其中，U为纵坐标，代表运行速度；W为横坐标，代表沿以设定的水平曲线展开的长度；

步骤3.2，采用第4监听模块实时对U-W坐标系进行监听，每当监听到U-W坐标系被绘制新的目标速度曲线样点时，所述第4监听模块按采样间隔，实时读取新绘制的目标速度曲线样点的2D(U，W)坐标；然后，判断X-Y-Z 3D坐标系在水平曲线展开的W位置是否存在水平面样点，如果不存在，则继续监听；如果存在，则定位到3D坐标系中水平曲线展开的W位置的水平面样点，向该水平面样点标记对应的速度值，并控制动点从该水平面样点按对应的速度值运动到下一个水平面样点；如此不断循环，形成动点沿3D空间曲线按设定速度移动的4D动态空间曲线。

当按手控即时速度线的方法得到速度曲线时，4D动态空间曲线具体通过以下方法得到：

步骤3.3，当实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系时，手控控制速度控件，进而使速度控件在X-Y-Z 3D坐标系中以设定的速度从曲线起点到曲线终点移动；其中，速度控制可通过推拉杆或直线电位器实现。

因此，在速度控件移动过程中，第5监听模块可实时监听到速度控件实时速度值以及速度控件在每个实时速度值所对应的曲线样点，因此，所述第5监听模块实时将速度控件实时速度值、所对应的曲线样点的关系发送给处理器；所述处理器向该曲线样点标记对应的实时速度值，并控制动点从该曲线样点按对应的速度值运动到下一个曲线样点。

(二)3D空间曲线的数字化

空间曲线绘制完成后，须进行数字化处理。其过程为，在沿水平的曲线设置采样点，采样点由软件自动生成并按运行顺序自动为0-n采用点编号，采样点的间隔即离散周期可人为设定，采样点之间的间隔用直线取代曲线，中间不做插补。采样点的间隔越小，由直线段取代曲线的近似程度就越高，也就是说曲线的精度就越高。但总采样点的数量决定系统设备存储量和传输量的增加，即降低了系统的反应速度，采样间隔可进行设置，但最高采样点数由系统限定，采样点由软件自动投射到X-Y-Z立体坐标系上的3D空间曲线上。

(三)4D空间曲线的编码与传输

计算机为空间曲线的采样点序列进行编码，每个采样点在空间的位置值(X、Y、Z)和该采样点与下一个采样点的运行速度值(U)的四组数字为一个采样点编码组，编码组按采样点由0-n序列存储，通过网络下载至数字控制器内，由数字控制器进行实施计算控制伺服机构起点机械运动。

(四)软件编辑

软件编辑功能具有【存储】、【删除】、【调用】、【复制】、【粘贴】、【绘制】、【擦除】、【拖曳】、【圆滑】、【放大】、【缩小】、【拉伸】、【设置】等功能。

(五)离线仿真功能

手绘的空间曲线可以在3D坐标系上作离线仿真，手绘的带有采样点的空间曲线的运行速度可以预先设置，也可以实时操控，系统软件自动计算生成运行所需时间，也可以实时手控，手控通过屏幕上设置的推拉杆或外部直线电位器手动操作。

在作离线仿真时的另一种方式是在3D坐标系上只显示水平面曲线，垂直曲线的实时高度值可以通过屏幕上设置的高度推拉杆或外部直线电位器手动操作。

在作离线仿真时，手绘的曲线为绿色，仿真运行时的曲线为红色，仿真启动后，红色曲线按设定的速度曲线或手动实时速度值运行，红色曲线在运行中逐步覆盖绿色曲线，覆盖重合度为检验运行与设定曲线的偏差度。

3D坐标系下端设有实时动态时间码和实时3D坐标，仿真运行时动态时间码进行累加计数。

(六)在线运行检验功能

启动控制系统设备，使设备初始化，吊点运行至原始位即0位，计算机将检测点编码组序列下载至数控飞行表演装置吊点运行。实际吊点运行的检测数据(吊点位置)将实时传送至计算机，并在3D坐标系上实时显示实际吊点运行的空间轨迹。红色轨迹在实时运行中逐步覆盖绿色曲线，覆盖重合度为检验运行与设定曲线的偏差度。

(七)特定空间曲线软件包功能

特定空间曲线是按需求编制的几种常用的空间曲线，不需绘制，只需调用软件包编号，经相关参数设置及可完成复杂的编制过程，省时快速，运行准确。特定空间曲线软件包包括：水平圆垂直正向/反向旋转曲线软件包；垂直圆水平正向/反向旋转曲线软件包；水平圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包；水平正宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包；水平负宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包。

(1)水平圆垂直正向/反向旋转曲线软件包

水平圆垂直正向/反向旋转曲线的设置：定位圆心(X、Y、Z)，设置半径d，设置垂直旋转角度r，设置垂直旋转位置数量K。

例1：水平圆垂直正向/反向旋转曲线(设置参数1)(见附图7)

圆心(X＝0、Y＝0、Z＝50)；圆半径d＝40；正向旋转r＝60度；旋转数K＝3。

例2：水平圆垂直正向/反向旋转曲线(设置参数2)(见附图8)

圆心(X＝0、Y＝0、Z＝50)；圆半径d＝40；正向旋转r＝30度；旋转数K＝6。

(2)垂直圆水平正向/反向旋转曲线软件包

垂直圆水平正向/反向旋转曲线的设置：定位圆心(X、Y、Z)，设置半径d，设置水平旋转角度r，设置水平旋转位置数量K。

例3：垂直圆水平正向/反向旋转曲线(设置参数1)(见附图9)

圆心(X＝0、Y＝0、Z＝50)；圆半径d＝40；正向旋转r＝60度；旋转数K＝3。

例:4：垂直圆水平正向/反向旋转曲线(设置参数2)(见附图10)

圆心(X＝0、Y＝0、Z＝50)；圆半径d＝40；正向旋转r＝30度；旋转数K＝6。

(3)水平圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包

水平圆垂直螺旋上升/下降曲线的设置：定位圆心(X、Y、Z)，设置半径d，设置螺距h，设置螺旋数量K。

例5：水平圆垂直螺旋上升/下降曲线(圆心(X＝0、Y＝0、Z＝50)；圆半径d＝40；螺旋上升螺距h＝10；螺旋数K＝4)(见附图11)。

(4)水平正宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包

水平正宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线的设置：定位圆心(X、Y、Z)，设置半径d，设置螺距h，设置螺旋数量K。

例6：水平正宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线(圆心(X＝0、Y＝0、Z＝50)；圆半径d1＝40；d2＝30；d3＝20；d4＝10；螺旋上升螺距h＝10；螺旋数K＝4)。

(5)水平负宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包

水平负宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线的设置：定位圆心(X、Y、Z)，设置半径d，设置螺距h，设置螺旋数量K。

例7：水平负宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线(圆心(X＝0、Y＝0、Z＝50)；圆半径d1＝10；d2＝20；d3＝30；d4＝40；螺旋上升螺距h＝10；螺旋数K＝4)(见附图12和图13)。

因此，本发明提供的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，将2D或3D空间飞行轨迹创新的采用在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手绘制(简称手绘)，手绘的轨迹曲线通过计算机软件离散处理后的移动点2D(X、Z)或3D(X、Y、Z)坐标及速度值(U)数据编码组集合按序列下载到数字控制器处理，经数字控制器计算控制伺服系统驱动吊点作2D/3D空间机械运动，保证了实时将手绘的轨迹曲线在空间进行实时显示，极大地满足了导演的艺术创意。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立X-Y平面坐标系、Z-W立面坐标系以及X-Y-Z 3D坐标系；其中，X代表表演空间正面宽度；Y代表表演空间纵深；Z代表表演空间高度；W代表沿水平曲线展开的长度；

步骤2，当在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在X-Y平面坐标系上绘制目标空间曲线在水平面的投影形成的水平投影曲线时；以及，当在触摸屏上通过人的手指或触摸笔徒手在Z-W立面坐标系上绘制水平曲线展开线的高度值曲线，形成垂直高度曲线时，实时将已绘制的水平投影曲线与已绘制的垂直高度曲线合成为3D空间曲线，并实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系上。

2.根据权利要求1所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，步骤2具体为：

步骤2.1，采用第1监听模块实时对X-Y平面坐标系进行监听；采用第2监听模块实时对Z-W立面坐标系进行监听；

步骤2.2，当所述第1监听模块监听到X-Y平面坐标系中出现新绘制的第1段水平面曲线时，立即向处理模块发送第1次通知消息，其中，第1次通知消息中携带有第1段水平面曲线的起点坐标和终点坐标；然后，第1监听模块再继续对X-Y平面坐标系进行监听，当在设定时间内未监听到第1段水平面曲线的延长曲线时，则监听结束；如果在设定时间内监听到第1段水平面曲线的某段延长曲线时，将该延长曲线记为第2段水平面曲线，再向处理模块发送第2次通知消息，其中，第2次通知消息中携带有第2段水平面曲线的起点坐标和终点坐标；依此类推，实现对X-Y平面坐标系的实时监听；

步骤2.3，所述处理模块采用多线程机制；每当所述处理模块接收到所述第1监听模块发送的第i次通知消息时，所述处理模块即分配一个第i线程，该第i线程根据第i次通知消息中携带的第i段水平面曲线的起点坐标和终点坐标，在X-Y平面坐标系中定位到第i段水平面曲线；

然后，第i线程将所述第i段水平面曲线按采样间隔自动生成若干个按次序排列的离散样点，每个所述离散样点为2D(X、Y)坐标；然后，将各个离散样点显示到所述X-Y-Z 3D坐标系上，再按次序连接各个3D坐标系上的离散样点，使所述X-Y-Z 3D坐标系形成0高度的第i’段水平面曲线；

通过步骤2.2-步骤2.3，实现实时快速的将X-Y平面坐标系的水平面曲线映射到X-Y-Z3D坐标系，形成0高度的水平面曲线；

步骤2.4，第2监听模块实时对Z-W立面坐标系进行监听，每当监听到Z-W立面坐标系被绘制新的高度样点时，所述第2监听模块按采样间隔，实时读取新绘制的高度样点的2D(Z，W)坐标；然后，判断X-Y-Z 3D坐标系在水平曲线展开的W位置是否存在水平面样点，如果不存在，则继续监听；如果存在，则定位到3D坐标系中水平曲线展开的W位置的水平面样点，并将该水平面样点从0高度拉至Z高度；如此不断循环，使X-Y-Z 3D坐标系形成若干个3D离散样点，每个3D离散样点的坐标为(X，Y，Z)；最后，将3D离散样点按次序连接起来，即合成得到3D空间曲线。

3.根据权利要求2所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，还包括高度控件和第3监听模块；所述高度控件与所述X-Y-Z 3D坐标系绑定；

当实时快速的将X-Y平面坐标系的水平面曲线映射到X-Y-Z 3D坐标系，形成0高度的水平面曲线时，手控控制高度控件，进而使动点在X-Y-Z 3D坐标系中以设定的速度在0高度水平曲线上方从曲线起点到曲线终点按设定高度轨迹移动；

因此，在动点移动过程中，所述第3监听模块可实时监听到动点所在的实时高度值以及动点在每个实时高度值所对应的水平曲线样点，因此，所述第3监听模块实时将动点所在的实时高度值、所对应的水平曲线样点的关系发送给处理器；所述处理器实时将水平曲线样点从0高度拉至对应的动点所在的高度值，如此不断循环，使X-Y-Z 3D坐标系形成若干个3D离散样点，每个3D离散样点的坐标为(X，Y，Z)；最后，将3D离散样点按次序连接起来，即合成得到3D空间曲线。

4.根据权利要求1所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，还包括：

步骤3，在实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系时，实时获取每个3D空间曲线的3D离散样点所对应的速度值，控制动点沿3D空间曲线按设定速度移动，形成4D的动态空间曲线。

5.根据权利要求4所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，步骤3具体为：

步骤3.1，建立U-W坐标系；其中，U为纵坐标，代表运行速度；W为横坐标，代表沿以设定的水平曲线展开的长度；

步骤3.2，采用第4监听模块实时对U-W坐标系进行监听，每当监听到U-W坐标系被绘制新的目标速度曲线样点时，所述第4监听模块按采样间隔，实时读取新绘制的目标速度曲线样点的2D(U，W)坐标；然后，判断X-Y-Z 3D坐标系在水平曲线展开的W位置是否存在水平面样点，如果不存在，则继续监听；如果存在，则定位到3D坐标系中水平曲线展开的W位置的水平面样点，向该水平面样点标记对应的速度值，并控制动点从该水平面样点按对应的速度值运动到下一个水平面样点；如此不断循环，形成动点沿3D空间曲线按设定速度移动的4D动态空间曲线。

6.根据权利要求4所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，步骤3具体为：

步骤3.3，当实时将合成的3D空间曲线显示在X-Y-Z 3D坐标系时，手控控制速度控件，进而使速度控件在X-Y-Z 3D坐标系中以设定的速度从曲线起点到曲线终点移动；

因此，在速度控件移动过程中，第5监听模块可实时监听到速度控件实时速度值以及速度控件在每个实时速度值所对应的曲线样点，因此，所述第5监听模块实时将速度控件实时速度值、所对应的曲线样点的关系发送给处理器；所述处理器向该曲线样点标记对应的实时速度值，并控制动点从该曲线样点按对应的速度值运动到下一个曲线样点。

7.根据权利要求4所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，还包括：

步骤4，4D空间曲线的编码与传输部分：

为空间曲线的采样点序列进行编码，即：在实时生成4D的动态空间曲线时，实时按采样间隔获得每个采样点在空间的位置值(X、Y、Z)和该采样点与下一个采样点的运行速度值(U)，X、Y、Z和U四组数字为一个采样点编码组；将采样点编码组按采样点由0-n序列存储；然后通过网络下载至数字控制器内；

数字控制器根据采样点编码组，控制伺服机构按4D的动态空间曲线控制吊点的位置和速度。

8.根据权利要求4所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，还包括：

步骤5，离线仿真部分：

在实时生成4D动态空间曲线时，基于4D动态空间曲线进行离线仿真，控制吊点离线仿真运动，并且，在吊点离线仿真运动过程中，采集吊点离线仿真时的实时位置和实时速度值，并根据吊点实时位置和实时速度值，生成仿真3D空间曲线；检测仿真3D空间曲线与4D动态空间曲线的覆盖重合度，从而检验仿真3D空间曲线与4D动态空间曲线的偏差度。

9.根据权利要求4所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，还包括：

步骤6，在线运行检验部分：

启动控制系统，使控制系统初始化，控制吊点运行至原始位即0位；

计算机将目标3D空间曲线的检测点编码组序列下载至数控飞行表演装置，数控飞行表演装置基于检测点编码组序列对吊点进行控制，使吊点运动；

在吊点运动过程中，实时检测吊点实时位置值，并将吊点实时位置值实时传送到计算机；

计算机在3D坐标系上实时显示吊点实际运行空间轨迹，并判断目标3D空间曲线和吊点实际运行的空间轨迹的覆盖重合度；覆盖重合度反映目标3D空间曲线和吊点实际运行空间轨迹的偏差度。

10.根据权利要求1所述的用于多轴数控飞行表演的手绘2D/3D运行轨迹的方法，其特征在于，还包括：

特定空间曲线软件包：所述特定空间曲线软件包是按需求编制的常用的空间曲线，所述特定空间曲线软件包可直接调用，包括：水平圆垂直正向/反向旋转曲线软件包；垂直圆水平正向/反向旋转曲线软件包；水平圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包；水平正宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包；水平负宝塔圆垂直螺旋上升/下降曲线软件包。