CN110427055A - 一种舞台追光灯自动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种舞台追光灯自动控制系统，包括一个以上的追光灯控制装置、一个以上的UWB定位标签、八个UWB定位锚点、定位服务器以及控制终端；八个UWB定位锚点与一个以上的UWB定位标签构成三维定位系统，所述定位服务器能够获取定位标签的坐标，并根据定位标签的坐标与追光灯控制装置的坐标控制追光灯控制装置把LED聚光灯光投向目标。本发明采用多传感器融合的方法，具有更高的定位精度，同时能够采用较小的计算量保证定位的实时性。

Description

一种舞台追光灯自动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及舞台追光灯设计领域，特别是一种舞台追光灯自动控制系统及方法。

背景技术

“追光灯”是用于展现舞台艺术中必不可少的重要照明灯具，传统“追光灯”的主要功能是在导演的指挥下，由工作人员控制在舞台上产生一个明亮的“一个硬而实的光圈”，在舞台上随着演员移动而移动。追光灯的使用可以根据节目的需要展现各种舞台艺术和体验，从而达到突出舞台重点、烘托环境气氛灯等目的。

市场上大多数的追光灯都必须由专业人员，根据的演出的需求，实现灯光追随；同时追光灯是高功率射灯，其散热系统可能涉及操作人员的安全问题。因此，操作追光灯是专业且有一定风险的工作。

目前市场上出现了一些追光灯的控制系统、追踪系统，试图解决追光灯的风险问题，如，有人采用超声波技术设计的舞台自动追光灯系统设计成功地解决人工控制灯光跟踪舞台演员的问题。另有人在室内的情况下激光测距对目标的距离精确测量，从而调节对目标光照度。此外还有人通过3D摄像头对舞台上的目标位置进行测定，从而控制舞台的追光自动调整角度实现舞台灯光的自动追随。

然而这些控制和追踪系统的提出从一定程度上解决了控制了操作人员的风险的问题，但是，使用都存在一定的缺陷，超声波具有比较强的方向性，会出现接收节点无法接收的情况，导致测距失效；基于激光测距的方法，只能测出和目标的距离，并无法进行目标定位；使用双目3D摄像头的，容易受到舞台灯光变化的影响，同时，摄像头视野受限容易产生死角，导致无法跟踪。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种舞台追光灯自动控制系统及方法，具有更高的定位精度，同时能够采用较小的计算量保证定位的实时性。

本发明采用以下方案实现：一种舞台追光灯自动控制系统，包括一个以上的追光灯控制装置、一个以上的UWB定位标签、八个UWB定位锚点、定位服务器以及控制终端；

所述八个UWB定位锚点分别设置在舞台边缘的八个顶点上；

每个追光灯控制装置均包括第一UWB定位模块、LED聚光灯、2.4G通信模块、与LED聚光灯配设的云台以及追光灯控制器，用以根据定位服务器发送的指令控制LED聚光灯追踪目标转动；

每个UWB定位标签均包括第二UWB定位模块、IMU模块、微处理器及电源模块，所述UWB定位标签设置在目标上并跟随目标移动；

所述定位服务器与UWB定位标签、追光灯控制装置通信相连，根据目标的位置控制追光灯控制装置实现追光。

进一步地，还包括协调器，所述协调器是定位服务器控制和收发数据的接口；协调器的USB接口与定位服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口与UWB定位标签、追光灯控制装置进行通信。

本发明还提供了一种基于上文所述舞台追光灯自动控制系统的方法，具体为：所述八个UWB定位锚点与一个以上的UWB定位标签构成三维定位系统，所述UWB定位标签内的微处理器采用UWB与IMU传感器的融合定位算法，计算自己的空间坐标，并将获得的坐标发送至定位服务器；所述追关灯控制装置定位将自己的空间坐标也发送给定位服务器；所述定位服务器通过协调器接收汇总UWB定位标签坐标和追光灯控制装置的定位坐标，并计算出由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息；定位服务器将计算得到的方向信息发送给追光灯控制装置，追光灯控制装置通过转动云台把LED聚光灯光投向演员。

较佳的，本发明采用UWB与IMU传感器的融合定位技术，克服单独采用UWB定位精度低，鲁棒性差的缺点，在三维空间中实现目标定位与跟踪(例如，可以用于杂技等空中表演)，实现对目标路径的记录，实现多个光源对多个目标的跟踪。

进一步地，所述UWB与IMU传感器的融合定位算法具体为：为所述的八个UWB定位锚点AN₀-AN₇分配8个时隙并进行时隙同步，每个锚点分别在自己对应的时隙向外广播定位数据包；在时隙n(n＝0-7)，所述UWB定位标签计算自己与AN_n、AN_n-1锚点之间TDOA值Δt_n，并计算定位标签与AN_n、AN_n-1基站的距离差值，称为TDOA测量值：

d_n＝Δt_n*c；

式中，c是电磁波在真空中的传播速度，约为3×10⁸m/s；

设需要估计的状态量为待定位的UWB定位标签在x、y、z三个方向上t_n时刻的位置与速度，分别用列向量p_n＝(p_x，P_y，p_z)^T和v_n＝(v_x，v_y，v_z)^T表示，并设三个方向上的加速度a_n＝(a_x，a_y，a_z)^T在极小的时间间隔[t_n-1，t_n]保持不变，则UWB测量方程为：

d_n＝||p_n-p_a1||-||p_n-p_a0||+ε_n；

式中，d_n是时隙n时测量得到的TDOA测量值，p_a1＝(x_a1，y_a1，z_a1)、p_a0＝(x_a0，y_a0，z_a0)分别表示在时隙n时与定位标签测量TDOA值的两个定位锚点的位置坐标，||*||表示矩阵的二范数即两个矩阵在空间上的直线距离，这里用来表示待定位UWB定位标签与定位基站的距离；ε_n是方差为R的UWB子系统的传感器带来的测量噪声；

将定位标签的状态空间方程表示为：

令则把状态方程和测量方程分别表示为：

式中，I是3×3的单位矩阵，σ_x ²、σ_y ²、σ_z ²为三轴方向上加速度的方差，w_n-1表示IMU惯性测量单元带来的测量误差，E表示求均值；因为上述表达式是根据IMU来预测运动状态方程，用UWB来进行更新校正数据，在测量中加速度传感器和UWB传感器都存在噪声，所以在方程中会有个噪声项。

根据上述状态方程和预测方程，得到以下预测过程：

更新过程为：

P_n←(I-G_nH_n)P_n；

式中，P_n表示后验估计误差协方差矩阵，度量估计值的精确程度，由状态方程导出。G_n表示卡尔曼增益(度量应该更相信由IMU推测出来的状态还是UWB的测量结果的程度)，H_n表示测量方程的Jacobian矩阵(偏导矩阵，用于将非线性的函数在当前估计值处线性化)

本发明采用UWB与IMU传感器融合的定位技术，提高了定位精度和鲁棒性，防止只采用UWB定位方差大而造成追光灯抖动幅度大的缺点。所述算法计算采用简单的矩阵乘法和加法，方便部署在嵌入式开发板上，较小的运算量保证了定位的实时性和降低系统功耗。通过上述UWB与IMU融合的三维坐标解算，得到定位标签的当前的位置坐标。

较佳的，所述的追光灯控制装置上的第一UWB定模块，功能与定位标签类似，通过追光灯控制装置上的微处理器可以解算出定位坐标。所述的追光灯控制位置一般来说是固定的，所以所得的解算坐标也是固定的。

进一步地，所述计算出由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息具体为：设所述追光灯控制装置位于A点(x_a，y_a，z_a)，AB为当前光线方向，B点(x_b，y_b，z_b)是光线方向上的任意一点，C点(x_c，y_c，z_c)是目标所在的位置信息；由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息就是把光线从AB方向旋转到AC方向上；

令矢量则，到的旋转向量为n^T＝(n_x，n_y，n_z)，令如下式：

对n′进行单位化得到n，再求旋转角度θ：

根据罗德里格斯公式得到旋转矩阵：

R(θ，n)＝cosθI+(1-cosθ)nn^T+sinθn^；

式中，^表示反对称矩阵；

采用四元数表示：

q＝(cos(θ/2)，n_x sin(θ/2)，n_y sin(θ/2)，n_z sin(θ/2))；

根据旋转矩阵或者四元数将灯光进行旋转进而跟踪目标。

进一步地，所述控制终端通过局域网接入定位服务器，能够预先设计好跟踪目标的策略，并通过编程的方式控制聚光时间、颜色和亮度。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明采用UWB与IMU传感器融合的定位技术，克服单独采用UWB定位精度低，鲁棒性差的缺点，在三维空间中实现目标定位与跟踪(例如，可以用于杂技等空中表演)，实现对目标路径的记录，实现多个光源对多个目标的跟踪。UWB与IMU传感器融合算法只需较少的计算量(主要是矩阵乘法和加法)，方便在嵌入式开发板上运行，能够采用较小的计算量保证定位的实时性，降低系统功耗。

2、本发明的追光灯设备配备两轴云台，可以随意控制追光方向。

3、本发明的系统具有容易安装调试的特点，可以用于室内和室外小型的舞台，同时也降低了系统成本。

附图说明

图1为本发明实施例的原理框图。

图2为本发明实施例的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1以及图2所示，本实施例提供了一种舞台追光灯自动控制系统，包括一个以上的追光灯控制装置、一个以上的UWB定位标签、八个UWB定位锚点、定位服务器以及控制终端；

所述八个UWB定位锚点分别设置在舞台边缘的八个顶点上；

每个追光灯控制装置均包括第一UWB定位模块、LED聚光灯、2.4G通信模块、与LED聚光灯配设的云台以及追光灯控制器，用以根据定位服务器发送的指令控制LED聚光灯追踪目标转动；

每个UWB定位标签均包括第二UWB定位模块、IMU模块、微处理器及电源模块，所述UWB定位标签设置在目标上并跟随目标移动；

所述定位服务器与UWB定位标签、追光灯控制装置通信相连，根据目标的位置控制追光灯控制装置实现追光。

在本实施例中，还包括协调器，所述协调器是定位服务器控制和收发数据的接口；协调器的USB接口与定位服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口与UWB定位标签、追光灯控制装置进行通信。

本发明还提供了一种基于上文所述舞台追光灯自动控制系统的方法，具体为：所述八个UWB定位锚点与一个以上的UWB定位标签构成三维定位系统，所述UWB定位标签内的微处理器采用UWB与IMU传感器的融合定位算法，计算自己的空间坐标，并将获得的坐标发送至定位服务器；所述追关灯控制装置定位将自己的空间坐标也发送给定位服务器；所述定位服务器通过协调器接收汇总UWB定位标签坐标和追光灯控制装置的定位坐标，并计算出由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息；定位服务器将计算得到的方向信息发送给追光灯控制装置，追光灯控制装置通过转动云台把LED聚光灯光投向演员。

较佳的，本实施例采用UWB与IMU传感器的融合定位技术，克服单独采用UWB定位精度低，鲁棒性差的缺点，在三维空间中实现目标定位与跟踪(例如，可以用于杂技等空中表演)，实现对目标路径的记录，实现多个光源对多个目标的跟踪。

在本实施例中，所述UWB与IMU传感器的融合定位算法具体为：为所述的八个UWB定位锚点AN₀-AN₇分配8个时隙并进行时隙同步，每个锚点分别在自己对应的时隙向外广播定位数据包；在时隙n(n＝0-7)，所述UWB定位标签计算自己与AN_n、AN_n-1锚点之间TDOA值Δt_n，并计算定位标签与AN_n、AN_n-1基站的距离差值，称为TDOA测量值：

d_n＝Δt_n*c；

式中，c是电磁波在真空中的传播速度，约为3×10⁸m/s；

设需要估计的状态量为待定位的UWB定位标签在x、y、z三个方向上t_n时刻的位置与速度，分别用列向量p_n＝(p_x，p_y，p_z)^T和v_n＝(v_x，v_y，v_z)^T表示，并设三个方向上的加速度a_n＝(a_x，a_y，a_z)^T在极小的时间间隔[t_n-1，t_n]保持不变，则UWB测量方程为：

d_n＝||p_n-p_a1||-||p_n-p_a0||+ε_n；

式中，d_n是时隙n时测量得到的TDOA测量值，p_a1＝(x_a1，y_a1，z_a1)、p_a0＝(x_a0，y_a0，z_a0)分别表示在时隙n时与定位标签测量TDOA值的两个定位锚点的位置坐标，||*||表示矩阵的二范数即两个矩阵在空间上的直线距离，这里用来表示待定位UWB定位标签与定位基站的距离；ε_n是方差为R的UWB子系统的传感器带来的测量噪声；

将定位标签的状态空间方程表示为：

令则把状态方程和测量方程分别表示为：

式中，I是3×3的单位矩阵，σ_x ²、σ_y ²、σ_z ²为三轴方向上加速度的方差，w_n-1表示IMU惯性测量单元带来的测量误差，E表示求均值；因为上述表达式是根据IMU来预测运动状态方程，用UWB来进行更新校正数据，在测量中加速度传感器和UWB传感器都存在噪声，所以在方程中会有个噪声项。

根据上述状态方程和预测方程，得到以下预测过程：

更新过程为：

P_n←(I-G_nH_n)P_n；

式中，P_n表示后验估计误差协方差矩阵，度量估计值的精确程度，由状态方程导出。G_n表示卡尔曼增益(度量应该更相信由IMU推测出来的状态还是UWB的测量结果的程度)，H_n表示测量方程的Jacobian矩阵(偏导矩阵，用于将非线性的函数在当前估计值处线性化)

本实施例采用UWB与IMU传感器融合的定位技术，提高了定位精度和鲁棒性，防止只采用UWB定位方差大而造成追光灯抖动幅度大的缺点。所述算法计算采用简单的矩阵乘法和加法，方便部署在嵌入式开发板上，较小的运算量保证了定位的实时性和降低系统功耗。通过上述UWB与IMU融合的三维坐标解算，得到定位标签的当前的位置坐标。

较佳的，在本实施例中，所述的追光灯控制装置上的第一UWB定模块，功能与定位标签类似，通过追光灯控制装置上的微处理器可以解算出定位坐标。所述的追光灯控制位置一般来说是固定的，所以所得的解算坐标也是固定的。

在本实施例中，所述计算出由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息具体为：设所述追光灯控制装置位于A点(x_a，y_a，z_a)，AB为当前光线方向，B点(x_b，y_b，z_b)是光线方向上的任意一点，C点(x_c，y_c，z_c)是目标所在的位置信息；由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息就是把光线从AB方向旋转到AC方向上；

令矢量则，到的旋转向量为n^T＝(n_x，n_y，n_z)，令如下式：

对n′进行单位化得到n，再求旋转角度θ：

根据罗德里格斯公式得到旋转矩阵：

R(θ，n)＝cosθI+(1-cosθ)nn^T+sinθn^；

式中，^表示反对称矩阵；

采用四元数表示：

q＝(cos(θ/2)，n_x sin(θ/2)，n_y sin(θ/2)，n_z sin(θ/2))；

根据旋转矩阵或者四元数将灯光进行旋转进而跟踪目标。

在本实施例中，所述控制终端通过局域网接入定位服务器，能够预先设计好跟踪目标的策略，并通过编程的方式控制聚光时间、颜色和亮度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种舞台追光灯自动控制系统，其特征在于，包括一个以上的追光灯控制装置、一个以上的UWB定位标签、八个UWB定位锚点、定位服务器以及控制终端；

所述八个UWB定位锚点分别设置在舞台边缘的八个顶点上；

每个追光灯控制装置均包括第一UWB定位模块、LED聚光灯、2.4G通信模块、与LED聚光灯配设的云台以及追光灯控制器，用以根据定位服务器发送的指令控制LED聚光灯追踪目标转动；

每个UWB定位标签均包括第二UWB定位模块、IMU模块、微处理器及电源模块，所述UWB定位标签设置在目标上并跟随目标移动；

所述定位服务器与UWB定位标签、追光灯控制装置通信相连，根据目标的位置控制追光灯控制装置实现追光。

2.根据权利要求1所述的一种舞台追光灯自动控制系统，其特征在于，还包括协调器，所述协调器是定位服务器控制和收发数据的接口；协调器的USB接口与定位服务器连接；协调器的2.4Ghz无线接口与UWB定位标签、追光灯控制装置进行通信。

3.一种基于权利要求1所述舞台追光灯自动控制系统的方法，其特征在于：所述八个UWB定位锚点与一个以上的UWB定位标签构成三维定位系统，所述UWB定位标签内的微处理器采用UWB与IMU传感器的融合定位算法，计算自己的空间坐标，并将获得的坐标发送至定位服务器；所述追关灯控制装置定位将自己的空间坐标也发送给定位服务器；所述定位服务器通过协调器接收汇总UWB定位标签坐标和追光灯控制装置的定位坐标，并计算出由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息；定位服务器将计算得到的方向信息发送给追光灯控制装置，追光灯控制装置通过转动云台把LED聚光灯光投向目标。

4.根据权利要求3所述的一种舞台追光灯自动控制系统的方法，其特征在于：所述UWB与IMU传感器的融合定位算法具体为：所述的八个UWB定位锚点AN₀-AN₇分配8个时隙并进行时隙同步，每个锚点分别在自己对应的时隙向外广播定位数据包；在时隙n，所述UWB定位标签计算自己与AN_n、AN_n-1锚点之间TDOA值Δt_n，并计算定位标签与AN_n、AN_n-1基站的距离差值，称为TDOA测量值：

d_n＝Δt_n*c；

式中，c是电磁波在真空中的传播速度；

设需要估计的状态量为待定位的UWB定位标签在x、y、z三个方向上t_n时刻的位置与速度，分别用列向量p_n＝(p_x，p_y，p_z)^T和v_n＝(v_x，v_y，v_z)^T表示，并设三个方向上的加速度a_n＝(a_x，a_y，a_z)^T在极小的时间间隔[t_n-1，t_n]保持不变，则UWB测量方程为：

d_n＝||p_n-p_a1||-||p_n-p_a0||+ε_n；

式中，d_n是时隙n时测量得到的TDOA测量值，p_a1＝(x_a1，y_a1，z_a1)、p_a0＝(x_a0，y_a0，z_a0)分别表示在时隙n时与定位标签测量TDOA值的两个定位锚点的位置坐标，||*||表示矩阵的二范数；ε_n是方差为R的UWB子系统的传感器带来的测量噪声；

将定位标签的状态空间方程表示为：

令则把状态方程和测量方程分别表示为：

式中，I是3×3的单位矩阵，σ_x ²、σ_y ²、σ_z ²为三轴方向上加速度的方差，w_n-1表示IMU惯性测量单元带来的测量误差，E表示求均值；

根据上述状态方程和预测方程，得到以下预测过程：

更新过程为：

P_n←(I-G_nH_n)P_n；

式中，P_n表示后验估计误差协方差矩阵，度量估计值的精确程度，由状态方程导出。G_n表示卡尔曼增益，H_n表示测量方程的Jacobian矩阵。

5.根据权利要求3所述的一种舞台追光灯自动控制系统的方法，其特征在于：所述计算出由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息具体为：设所述追光灯控制装置位于A点(x_a，y_a，z_a)，AB为当前光线方向，B点(x_b，y_b，z_b)是光线方向上的任意一点，C点(x_c，y_c，z_c)是目标所在的位置信息；由追光灯控制装置指向指定目标的方向信息就是把光线从AB方向旋转到AC方向上；

令矢量则，到的旋转向量为n^T＝(n_x,n_y,n_z)，令如下式：

对n'进行单位化得到n，再求旋转角度θ：

根据罗德里格斯公式得到旋转矩阵：

R(θ,n)＝cosθI+(1-cosθ)nn^T+sinθn^；

式中，^表示反对称矩阵；

采用四元数表示：

q＝(cos(θ/2)，n_x sin(θ/2)，n_y sin(θ/2)，n_z sin(θ/2))；

根据旋转矩阵或者四元数将灯光进行旋转进而跟踪目标。

6.根据权利要求3所述的一种舞台追光灯自动控制系统的方法，其特征在于：所述控制终端通过局域网接入定位服务器，能够预先设计好跟踪目标的策略，并通过编程的方式控制聚光时间、颜色和亮度。