移动舞台运动模式的切换及其控制方法与流程

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。

技术实现要素：

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)

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)

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)

以第二驱动轮为例，有

其中，(当时，)

只要令

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(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)

以第二驱动轮为例，有

只要令

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(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)

以第二驱动轮为例，有

其中，(当时，)

只要满足

n为任意整数

即可保证v2n恒为零。同理可类推到其他轮子。

这里以及(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矩阵(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)若则初始时刻

(2)若则初始时刻[w1w2w3w4]^t＝[0000]^t；(3)若则初始时刻

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)

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)

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)

以第二驱动轮为例，有

其中，(当时，)

只要令

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(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)

以第二驱动轮为例，有

只要令

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(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)

以第二驱动轮为例，有

其中，(当时，)

只要满足

n为任意整数

即可保证v2n恒为零。同理可类推到其他轮子。

这里以及(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矩阵(均是时间t的函数)，矩阵参数如下：

其中的单位均为m/s，的单位为rad/s。

将轨迹分解得到的矩阵数据存储在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，

做曲线运动时的控制方法为：(i,n,m,k均为任意整数)

其中，(当时，)

则初始时刻

[w1w2w3w4]^t＝[0000]^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矩阵(均是时间t的函数)，矩阵参数如下：

其中的单位均为m/s，的单位为rad/s。

将轨迹分解得到的矩阵数据存储在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，

做旋转运动时的控制方法为：(i,n,m,k均为任意整数)

则初始时刻

[w1w2w3w4]^t＝[0000]^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矩阵(均是时间t的函数)，矩阵参数如下：

其中的单位均为m/s，的单位为rad/s。

将轨迹分解得到的矩阵数据存储在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，

做曲线+旋转运动的控制方法：(i,n,m,k均为任意整数)

则初始时刻

[w1w2w3w4]^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。