移動舞臺運動模式的切換及其控制方法與流程
2023-12-03 13:40:21 1
本發明應用於舞臺控制技術領域，涉及到移動舞臺不同運動模式的切換，尤其是針對移動舞臺不同運動模式的切換，提出了一種簡單有效的控制方法。
背景技術：
現代演出中，為了更好達到藝術效果，需要控制全向移動型舞臺配合演員進行演出。全向移動舞臺是一種四個全向輪耦合而成的全向移動平臺，根據動力與轉向控制需求共有八個電機組成，每個驅動輪上有獨立的動力源，每個軸上均有獨立的轉向機構。這種結構的移動舞臺具有轉向半徑小、轉向穩定容易等特點，尤其適用於演出中複雜場景的布景需求。
但針對現有的移動舞臺，同一時刻只能實現曲線運動或者旋轉運動，運動模式簡單，無法滿足現代舞臺演出多樣化的要求。
技術實現要素：
本發明是為了克服現有技術中的移動舞臺無法滿足曲線運動並同時完成旋轉的需要，提供了移動舞臺運動模式的切換及其控制方法，可有效滿足演出藝術多樣化展示的需要。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案：
移動舞臺運動模式的切換及其控制方法，所述方法包括以下過程：
步驟1)建立移動舞臺的運動學模型：
移動舞臺的結構比較複雜，要想對其實現有效的控制進而實現複雜的運動方式，首先要建立合理的運動學模型。移動舞臺的位姿由三量(x,y,θ)描述。建立移動舞臺的運動學模型，驅動輪的切線方向的速度分量，見表達式(1)
其中
vnt,n＝1、2、3、4--驅動輪切線方向速度分量
x--移動舞臺在世界坐標系x軸的坐標值
y--移動舞臺在世界坐標系y軸的坐標值
θ--移動舞臺在世界坐標系中的旋轉角
θ0--車體對角和側邊的夾角(對於結構固定的車體，θ0為某一定值)
r--車體質心到轉向結構旋轉中心的距離
r--轉向結構的旋轉半徑
wn,n＝1、2、3、4--轉向機構的旋轉角速度
ρn,n＝1、2、3、4--轉向機構與車體坐標系x軸的夾角
驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(2)
vin,i＝1、2、3、4--驅動輪法線方向速度分量
步驟2)設計控制方法，過程包括：
驅動輪為普通輪子，故不管移動舞臺做何種運動，須保證輪子法線方向的速度分量為零。
1)曲線運動
移動舞臺單純做曲線運動時，驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(3)
以第二驅動輪為例，有
其中，(當時，)
只要令
n為任意整數
即可保證v2n恆為零。同理可類推到其他輪子。
這裡(i,n,m,k均為任意整數)即為移動舞臺單獨做曲線運動的控制方法。
2)旋轉運動
移動舞臺單純做旋轉運動時，驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(4)
以第二驅動輪為例，有
只要令
n為任意正數
即可保證v2n恆為零。同理可類推到其他輪子。
這裡(i,n,m,k均為任意整數)即為移動舞臺單獨做旋轉運動的控制方法。
3)曲線+旋轉運動
移動舞臺做曲線+旋轉運動時，驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(3)
以第二驅動輪為例，有
其中，(當時，)
只要滿足
n為任意整數
即可保證v2n恆為零。同理可類推到其他輪子。
這裡以及(i,n,m,k均為任意整數)即為移動舞臺同時做曲線+旋轉運動的控制方法。
與現有技術相比，本發明的優點在於：針對現有技術的移動舞臺只能實現曲線運動或者旋轉運動的模式，使用簡單有效的控制策略擴展了移動舞臺的運動模式，豐富了演出的多樣化。
本發明主要執行部分在移動舞臺控制計算機上運行實施。本方法應用過程可以大致分為3個階段：
1、軌跡設置：在軌跡導入界面中，設定好運動軌跡。導入軌跡確認後，由控制計算機將預設軌跡數據存入flash存儲單元中，通過控制計算機將預設軌跡分解為矩陣(均是時間t的函數)並將數據存入flash存儲單元中保存。
2、參數設置：在參數導入界面中，輸入式(1)中r、r、θ0值。根據預設軌跡分解得到的矩陣設定ρ1，ρ2，ρ3，ρ4的初始值以及w1，w2，w3，w4的值；輸入參數確認後，由控制計算機將設置數據送入計算機存儲單元flash中保存。ρ1，ρ2，ρ3，ρ4的初始值以及w1，w2，w3，w4的值設定規則如下(初始θ＝0)：(1)若則初始時刻
(2)若則初始時刻[w1w2w3w4]t＝[0000]t；(3)若則初始時刻
3、在線運行：點擊組態界面「運行」按鈕，移動舞臺的控制計算機從flash存儲中讀取參數設置時導入的參數，並從flash存儲中讀取經過軌跡分解之後矩陣的數據，執行「移動舞臺運動控制程序」，通過讀取導入的設置參數，控制轉向機構的初始角度及轉向電機的轉速，實現移動舞臺不同運動模式的自動切換。
附圖說明
圖1是移動舞臺結構示意圖；
具體實施方式
為了使本發明的技術方案、設計思路能更加清晰，下面再進行詳盡的描述。
移動舞臺運動模式的切換及其控制方法，所述方法包括以下過程：
步驟1)建立移動舞臺的運動學模型：
移動舞臺的結構比較複雜，要想對其實現有效的控制進而實現複雜的運動方式，首先要建立合理的運動學模型。移動舞臺的位姿由三量(x,y,θ)描述。建立移動舞臺的運動學模型，驅動輪的切線方向的速度分量，見表達式(1)
其中
vnt,n＝1、2、3、4--驅動輪切線方向速度分量
x--移動舞臺在世界坐標系x軸的坐標值
y--移動舞臺在世界坐標系y軸的坐標值
θ--移動舞臺在世界坐標系中的旋轉角
θ0--車體對角和側邊的夾角(對於結構固定的車體，θ0為某一定值)
r--車體質心到轉向結構旋轉中心的距離
r--轉向結構的旋轉半徑
wn,n＝1、2、3、4--轉向機構的旋轉角速度
ρn,n＝1、2、3、4--轉向機構與車體坐標系x軸的夾角
驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(2)
vin,i＝1、2、3、4--驅動輪法線方向速度分量。
步驟2)設計控制方法，過程包括：
驅動輪為普通輪子，故不管移動舞臺做何種運動，須保證輪子法線方向的速度分量為零。
1)曲線運動
移動舞臺單純做曲線運動時，驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(3)
以第二驅動輪為例，有
其中，(當時，)
只要令
n為任意整數
即可保證v2n恆為零。同理可類推到其他輪子。
這裡(i,n,m,k均為任意整數)即為移動舞臺單獨做曲線運動的控制方法。
2)旋轉運動
移動舞臺單純做旋轉運動時，驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(4)
以第二驅動輪為例，有
只要令
n為任意正數
即可保證v2n恆為零。同理可類推到其他輪子。
這裡(i,n,m,k均為任意整數)即為移動舞臺單獨做旋轉運動的控制方法。
3)曲線+旋轉運動
移動舞臺做曲線+旋轉運動時，驅動輪的法線方向速度分量，見表達式(3)
以第二驅動輪為例，有
其中，(當時，)
只要滿足
n為任意整數
即可保證v2n恆為零。同理可類推到其他輪子。
這裡以及(i,n,m,k均為任意整數)即為移動舞臺同時做曲線+旋轉運動的控制方法。
與現有技術相比，本發明的優點在於：針對現有技術的移動舞臺只能實現曲線運動或者旋轉運動的模式，使用簡單有效的控制策略擴展了移動舞臺的運動模式，豐富了演出的多樣化。
實施例1為移動舞做曲線運動的過程，具體操作過程：
1、在軌跡導入界面中，設定好運動軌跡。本實例的設定軌跡為移動舞臺沿世界坐標系x軸以1m/s速度。經過軌跡分解後得到矩陣(均是時間t的函數)，矩陣參數如下：
其中的單位均為m/s，的單位為rad/s。
將軌跡分解得到的矩陣數據存儲在flash存儲中。
2、在參數設置界面中，輸入移動舞臺的運動學模型基本參數，如下：
r＝0.2m，r＝1.0m，
做曲線運動時的控制方法為：(i,n,m,k均為任意整數)
其中，(當時，)
則初始時刻
[w1w2w3w4]t＝[0000]t；
3、在線運行：點擊組態界面「運行」按鈕，移動舞臺的控制計算機從flash存儲中讀取參數設置時導入的參數，並從flash存儲中讀取經過軌跡分解之後矩陣的數據，執行「移動舞臺運動控制程序」，通過讀取導入的設置參數，控制轉向機構的初始角度及轉向電機的轉速，實現移動舞臺不同運動模式的自動切換。
實施例2為移動舞做旋轉運動的過程，具體操作過程：
1、在軌跡導入界面中，設定好運動軌跡。本實例的設定軌跡為移動舞臺沿世界坐標系原點以0.2rad/s做旋轉運動。經過軌跡分解後得到矩陣(均是時間t的函數)，矩陣參數如下：
其中的單位均為m/s，的單位為rad/s。
將軌跡分解得到的矩陣數據存儲在flash存儲中。
2、在參數設置界面中，輸入移動舞臺的運動學模型基本參數，如下：
r＝0.2m，r＝1.0m，
做旋轉運動時的控制方法為：(i,n,m,k均為任意整數)
則初始時刻
[w1w2w3w4]t＝[0000]t；
3、在線運行：點擊組態界面「運行」按鈕，移動舞臺的控制計算機從flash存儲中讀取參數設置時導入的參數，並從flash存儲中讀取經過軌跡分解之後矩陣的數據，執行「移動舞臺運動控制程序」，通過讀取導入的設置參數，控制轉向機構的初始角度及轉向電機的轉速，實現移動舞臺不同運動模式的自動切換。
實施例3為移動舞做旋轉+曲線運動的過程，具體操作過程：
1、在軌跡導入界面中，設定好運動軌跡。本實例的設定軌跡為移動舞臺沿世界坐標系x軸以0.2m/s速度做直線運動，同時以0.2rad/s做旋轉運動。經過軌跡分解後得到矩陣(均是時間t的函數)，矩陣參數如下：
其中的單位均為m/s，的單位為rad/s。
將軌跡分解得到的矩陣數據存儲在flash存儲中。
2、在參數設置界面中，輸入移動舞臺的運動學模型基本參數，如下：
r＝0.2m，r＝1.0m，
做曲線+旋轉運動的控制方法：(i,n,m,k均為任意整數)
則初始時刻
[w1w2w3w4]t＝[-0.1-0.1-0.1-0.1]t；
3、在線運行：點擊組態界面「運行」按鈕，移動舞臺的控制計算機從flash存儲中讀取參數設置時導入的參數，並從flash存儲中讀取經過軌跡分解之後矩陣的數據，執行「移動舞臺運動控制程序」，通過讀取導入的設置參數，控制轉向機構的初始角度及轉向電機的轉速，實現移動舞臺不同運動模式的自動切換。
以上闡述的是本發明給出的三個實施例所表示的不同運動模式下的控制方法。需要指出，上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改，都落入本發明的保護範圍。