CN112057883A - 一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，包括：在舞台表演空间，确定悬挂平台的四个悬挂点；建立三维空间坐标系；手动拖动悬挂平台沿需求轨迹移动，各编码器实时记录各绳索长度值；对于得到的每组对应某个位置点的四吊点绳索长度值，解算到悬挂平台的三维位置；对各个三维位置点进行数据拟合，得到轨迹拟合曲线；根据轨迹拟合曲线，实现对悬挂平台的空间姿态控制。本发明通过移动轨迹曲线，对悬挂平台进行姿态控制，使其精确的按照移动轨迹曲线移动，满足表演需求。具有悬挂平台姿态控制精确，实现过程简单快速的优点。

Description

一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法
技术领域
本发明属于舞台表演创新技术研发技术领域，具体涉及一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法。
背景技术
在目前的舞台表演过程中，智能舞台设备与高科技设施等等都增加了舞台与科技融合的创意性。随着时代的进步和科技的发展，观众的需求也有了更高层次的精神关注。于此，不同的研发公司或者研究组织都在研究更能切合实际表演需求的舞台衍生物，以此丰富舞台表演效果。
目前市面上出现的一些可拖动悬挂平台的表演设施，主要具有以下不足：该类设施适用范围比较窄，遇到不规则舞台或者空间时，表演效果相对来说比较弱。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在舞台表演空间，确定悬挂平台E的四个悬挂点，其中，四个悬挂点位于同一水平面，距离地面的高度均是h；四个悬挂点按逆时针排列，依次表示为：悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D；悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D首尾相连，形成矩形；悬挂点A到悬挂点B之间的连线AB，与悬挂点C到悬挂点D之间的连线CD长度相等，均为矩形长度a；悬挂点B到悬挂点C之间的连线BC，与悬挂点D到悬挂点A之间的连线DA长度相等，均为矩形宽度b；
步骤2，悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D，在地面的投影点分别为投影点A’、投影点B’、投影点C’和投影点D’；以投影点A’为原点O，以投影点A’到投影点B’的方向为x方向，以投影点A’到投影点D’的方向为y方向，以投影点A’到悬挂点A的方向为z方向，建立三维空间坐标系x-y-z；
步骤3，悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D分别安装配置有编码器A的卷绳机A、配置有编码器B的卷绳机B、配置有编码器C的卷绳机C和配置有编码器D的卷绳机D；
悬挂平台E通过第1绳索与卷绳机A相连，并可通过编码器A实时记录第1绳索的长度L1；悬挂平台E通过第2绳索与卷绳机B相连，并可通过编码器B实时记录第2绳索的长度L2；悬挂平台E通过第3绳索与卷绳机C相连，并可通过编码器C实时记录第3绳索的长度L3；悬挂平台E通过第4绳索与卷绳机D相连，并可通过编码器D实时记录第4绳索的长度L4；
步骤4，手动拖动悬挂平台E沿需求轨迹移动，在悬挂平台E移动过程中，编码器A、编码器B、编码器C和编码器D按采样步长实时记录各绳索长度值，因此，对于每个编码器，均采样到绳索长度值序列数据包，其中，每个绳索长度值均对应采样时间；
步骤5，对各个编码器采样到的绳索长度值序列数据包进行综合分析，得到需求轨迹上，不同位置点对应的四吊点绳索长度值，即：同一采样时间对应的四吊点绳索长度值，即为对应某个位置点的四吊点绳索长度值；
对于得到的每组对应某个位置点的四吊点绳索长度值，根据下式，解算到该组四吊点绳索长度值对应的悬挂平台E在三维空间坐标系x-y-z中的三维位置坐标(x,y,z)：
Figure BDA0002672397900000031
Figure BDA0002672397900000032
Figure BDA0002672397900000033
因此，通过对所有位置点对应的四吊点绳索长度值进行计算，可换算得到悬挂平台E的多个三维位置坐标，得到空间位置数据包；
步骤6，对空间位置数据包中的各个三维位置坐标标记于三维空间坐标系上面，并对各个三维位置点进行数据拟合，确定以下拟合方程的拟合系数，从而得到最终的需求轨迹拟合曲线：
x＝a1*t6+a2*t5-a3*t4+a4*t3-a5*t2+a6*t+AA
y＝-b1*t6-b2*t5+b3*t4-b4*t3+b5*t2+b6*t+BB
z＝-c1*t6+c2*t5-c3*t4+c4*t3-c5*t2+c6*t+CC
其中：a1、a2、a3、a4、a5、a6、AA、b1、b2、b3、b4、b5、b6、BB、c1、c2、c3、c4、c5、c6、CC为拟合方程的拟合系数；
步骤7，根据步骤6确定的需求轨迹拟合曲线，生成对卷绳机A、卷绳机B、卷绳机C和卷绳机D的控制指令，进而控制各个卷绳机自动动作，控制悬挂平台E按需求轨迹拟合曲线进行运动，实现对悬挂平台E的空间姿态控制。
优选的，步骤6中，采用正交多项式最小二乘法，对各个三维位置点进行数据拟合。
本发明提供的一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法具有以下优点：
本发明提供的四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，手动拖动柔索牵引的悬挂平台E沿需求轨迹移动，在悬挂平台E移动过程中，各吊点位置的编码器读取对应绳索长度值，并记录保存；然后通过曲线拟合，得到悬挂平台移动轨迹的曲线方程；因此，在正式表演过程中，通过移动轨迹曲线，对悬挂平台进行姿态控制，使其精确的按照移动轨迹曲线移动，满足表演需求。
附图说明
图1为本发明提供的舞台范围三维空间尺寸的几何简图；
图2为空间位置点的离散位置数据示意图；
图3为一种轨迹拟合曲线的示意图；
图4为本发明提供的一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法的流程示意图。
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。
作为舞台设施的需求性产物，本发明提供一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，该方法可灵活将悬挂平台置于非标准舞台空间或者任意复杂空间的理想位置处，并且，可简单、高效、精准的实现对悬挂平台进行空间姿态控制，极大的促进了表演需求，达到更好的表演效果。
具体的，参考图4，本发明提供的四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，包括以下步骤：
步骤1，在舞台表演空间，确定悬挂平台E的四个悬挂点，其中，四个悬挂点位于同一水平面，距离地面的高度均是h；四个悬挂点按逆时针排列，依次表示为：悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D；悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D首尾相连，形成矩形；悬挂点A到悬挂点B之间的连线AB，与悬挂点C到悬挂点D之间的连线CD长度相等，均为矩形长度a；悬挂点B到悬挂点C之间的连线BC，与悬挂点D到悬挂点A之间的连线DA长度相等，均为矩形宽度b；
步骤2，悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D，在地面的投影点分别为投影点A’、投影点B’、投影点C’和投影点D’；以投影点A’为原点O，以投影点A’到投影点B’的方向为x方向，以投影点A’到投影点D’的方向为y方向，以投影点A’到悬挂点A的方向为z方向，建立三维空间坐标系x-y-z；
步骤3，悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D分别安装配置有编码器A的卷绳机A、配置有编码器B的卷绳机B、配置有编码器C的卷绳机C和配置有编码器D的卷绳机D；
悬挂平台E通过第1绳索与卷绳机A相连，并可通过编码器A实时记录第1绳索的长度L1；悬挂平台E通过第2绳索与卷绳机B相连，并可通过编码器B实时记录第2绳索的长度L2；悬挂平台E通过第3绳索与卷绳机C相连，并可通过编码器C实时记录第3绳索的长度L3；悬挂平台E通过第4绳索与卷绳机D相连，并可通过编码器D实时记录第4绳索的长度L4；
步骤4，手动拖动悬挂平台E沿需求轨迹移动，在悬挂平台E移动过程中，编码器A、编码器B、编码器C和编码器D按采样步长实时记录各绳索长度值，因此，对于每个编码器，均采样到绳索长度值序列数据包，其中，每个绳索长度值均对应采样时间；
例如：各个编码器可分别记录得到以下绳索长度值序列：
Figure BDA0002672397900000061
步骤5，对各个编码器采样到的绳索长度值序列数据包进行综合分析，得到需求轨迹上，不同位置点对应的四吊点绳索长度值，即：同一采样时间对应的四吊点绳索长度值，即为对应某个位置点的四吊点绳索长度值；
对于得到的每组对应某个位置点的四吊点绳索长度值，根据下式，解算到该组四吊点绳索长度值对应的悬挂平台E在三维空间坐标系x-y-z中的三维位置坐标(x,y,z)：
Figure BDA0002672397900000062
Figure BDA0002672397900000063
Figure BDA0002672397900000071
因为，某个位置点对应的三维坐标表示为：
Figure BDA0002672397900000072
因此，通过对所有位置点对应的四吊点绳索长度值进行计算，可换算得到悬挂平台E的多个三维位置坐标，得到空间位置数据包；
例如，得到以下空间位置数据包：
Figure BDA0002672397900000073
Figure BDA0002672397900000081
步骤6，对空间位置数据包中的各个三维位置坐标标记于三维空间坐标系上面，得到图2所示的空间位置点的离散位置数据示意图，并对各个三维位置点进行数据拟合，其中，可采用现有技术中任何曲线拟合方式进行拟合，例如，采用正交多项式最小二乘法，对各个三维位置点进行数据拟合，确定以下拟合方程的拟合系数，从而得到最终的需求轨迹拟合曲线，如图3所示，即为一种轨迹拟合曲线的示意图。
x＝a1*t6+a2*t5-a3*t4+a4*t3-a5*t2+a6*t+AA
y＝-b1*t6-b2*t5+b3*t4-b4*t3+b5*t2+b6*t+BB
z＝-c1*t6+c2*t5-c3*t4+c4*t3-c5*t2-c6*t+CC
其中：a1、a2、a3、a4、a5、a6、AA、b1、b2、b3、b4、b5、b6、BB、c1、c2、c3、c4、c5、c6、CC为拟合方程的拟合系数；
作为一种具体示例，可得到以下拟合系数：
Figure BDA0002672397900000082
Figure BDA0002672397900000083
Figure BDA0002672397900000091
步骤7，根据步骤6确定的需求轨迹拟合曲线，生成对卷绳机A、卷绳机B、卷绳机C和卷绳机D的控制指令，进而控制各个卷绳机自动动作，控制悬挂平台E按需求轨迹拟合曲线进行运动，实现对悬挂平台E的空间姿态控制。
本发明提供的四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，主要思路为：首先按照表演需求轨迹，手动拖动柔索牵引的悬挂平台E沿需求轨迹移动，在悬挂平台E移动过程中，各吊点位置的编码器读取对应绳索长度值，并记录保存；然后通过保存的四吊点绳索长度值数据包，去除数据包中的重复值与无效值，解算出悬挂平台沿需求轨迹移动时的各个空间位置值，再对离散的各个空间位置值进行曲线拟合，得到悬挂平台移动轨迹的曲线方程；因此，在正式表演过程中，通过移动轨迹曲线，对悬挂平台进行姿态控制，使其精确的按照移动轨迹曲线移动，满足表演需求。
而如何采用传统的悬挂平台的姿态控制方法，主要方式为：
在软件中首先确定悬挂平台的运动轨迹，然后，根据运动轨迹和各吊点的位置数据，生成对各吊点卷绳机的控制参数，再根据控制参数对各卷绳机进行控制，以使悬挂平台按期望的运动轨迹运动。此种方式具有以下不足：(1)在生成悬挂平台的运动轨迹时，如果舞台或者表演空间不规则，则运动轨迹的生成算法复杂，导致生成的运动轨迹方程常常偏离目标轨迹；另外，在采用模型计算得到对各个卷绳机的控制参数时，由于卷绳机常常存在安装误差，因此，卷绳机的位置参数与模型计算时使用的位置参数之间存在偏离，由此引入误差。以上各因素叠加，导致悬挂平台的的最终运行轨迹偏离目标轨迹较大，降低表演效果。
而本发明中，直接在真实表演空间中，拖动悬挂平台按任意表演需求移动，此时悬挂平台可以按照任意需求的复杂轨迹移动，再通过移动过程中记录的绳索长度数据解算和拟合出轨迹移动曲线，此时得到的轨迹移动曲线非常接近目标轨迹，并且，轨迹移动曲线的得到过程简单。最后，根据精确的轨迹移动曲线，对各个卷绳机进行控制，保证悬挂平台移动轨迹的精确性。另外，在整体实现过程中，算法简单，非常适合应用于不规则舞台或者空间。
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 (2)

1.一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在舞台表演空间，确定悬挂平台E的四个悬挂点，其中，四个悬挂点位于同一水平面，距离地面的高度均是h；四个悬挂点按逆时针排列，依次表示为：悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D；悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D首尾相连，形成矩形；悬挂点A到悬挂点B之间的连线AB，与悬挂点C到悬挂点D之间的连线CD长度相等，均为矩形长度a；悬挂点B到悬挂点C之间的连线BC，与悬挂点D到悬挂点A之间的连线DA长度相等，均为矩形宽度b；
步骤2，悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D，在地面的投影点分别为投影点A’、投影点B’、投影点C’和投影点D’；以投影点A’为原点O，以投影点A’到投影点B’的方向为x方向，以投影点A’到投影点D’的方向为y方向，以投影点A’到悬挂点A的方向为z方向，建立三维空间坐标系x-y-z；
步骤3，悬挂点A、悬挂点B、悬挂点C和悬挂点D分别安装配置有编码器A的卷绳机A、配置有编码器B的卷绳机B、配置有编码器C的卷绳机C和配置有编码器D的卷绳机D；
悬挂平台E通过第1绳索与卷绳机A相连，并可通过编码器A实时记录第1绳索的长度L1；悬挂平台E通过第2绳索与卷绳机B相连，并可通过编码器B实时记录第2绳索的长度L2；悬挂平台E通过第3绳索与卷绳机C相连，并可通过编码器C实时记录第3绳索的长度L3；悬挂平台E通过第4绳索与卷绳机D相连，并可通过编码器D实时记录第4绳索的长度L4；
步骤4，手动拖动悬挂平台E沿需求轨迹移动，在悬挂平台E移动过程中，编码器A、编码器B、编码器C和编码器D按采样步长实时记录各绳索长度值，因此，对于每个编码器，均采样到绳索长度值序列数据包，其中，每个绳索长度值均对应采样时间；
步骤5，对各个编码器采样到的绳索长度值序列数据包进行综合分析，得到需求轨迹上，不同位置点对应的四吊点绳索长度值，即：同一采样时间对应的四吊点绳索长度值，即为对应某个位置点的四吊点绳索长度值；
对于得到的每组对应某个位置点的四吊点绳索长度值，根据下式，解算到该组四吊点绳索长度值对应的悬挂平台E在三维空间坐标系x-y-z中的三维位置坐标(x,y,z)：
Figure FDA0002672397890000021
Figure FDA0002672397890000022
Figure FDA0002672397890000023
因此，通过对所有位置点对应的四吊点绳索长度值进行计算，可换算得到悬挂平台E的多个三维位置坐标，得到空间位置数据包；
步骤6，对空间位置数据包中的各个三维位置坐标标记于三维空间坐标系上面，并对各个三维位置点进行数据拟合，确定以下拟合方程的拟合系数，从而得到最终的需求轨迹拟合曲线：
x＝a1*t6+a2*t5-a3*t4+a4*t3-a5*t2+a6*t+AA
y＝-b1*t6-b2*t5+b3*t4-b4*t3+b5*t2+b6*t+BB
z＝-c1*t6+c2*t5-c3*t4+c4*t3-c5*t2-c6*t+CC
其中：a1、a2、a3、a4、a5、a6、AA、b1、b2、b3、b4、b5、b6、BB、c1、c2、c3、c4、c5、c6、CC为拟合方程的拟合系数；
步骤7，根据步骤6确定的需求轨迹拟合曲线，生成对卷绳机A、卷绳机B、卷绳机C和卷绳机D的控制指令，进而控制各个卷绳机自动动作，控制悬挂平台E按需求轨迹拟合曲线进行运动，实现对悬挂平台E的空间姿态控制。
2.根据权利要求1所述的一种四吊点柔索表演悬挂平台的姿态控制方法，其特征在于，步骤6中，采用正交多项式最小二乘法，对各个三维位置点进行数据拟合。
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