摄影机器人跟踪定位控制系统研究与实现

摘要

针对虚拟演播室对摄影机器人的实际需求，设计了地面式及悬挂式摄影机器人的控制系统和光轴跟踪定位系统，完成了摄影机器人关键技术的研发，摄影机器人样机在虚拟演播室的使用中取得了良好的效果。 对当前虚拟演播室的研究现状、摄像机跟踪手段和虚拟演播室场景绘制方式进行了综述。介绍了跟踪定位控制所需的基础理论。选用了合适的镜头跟踪方案。 分析了摄影机器人的运动学，提出了改进的运动学分析算法，通过该改进算法实现了对目标点全自动跟拍的全自动跟拍。提出了模块化轨道拼接修正算法，满足了演播室轨道任意拼接的实际需求，解决了软件设计的通用性问题。为行走部分设计了减少振动和行程误差的调速曲线。并分别对上述算法进行了实验验证。 设计了摄影机器人的动力系统，校核了机器人共计6个轴的运动动力和精度。完成了机器人控制系统的小型化设计。设计了获得镜头数据的检测系统，完成了全部镜头信息的采集。配合场景制作软件实现了虚拟演播室核心功能。 完成了虚拟演播室专用同步信号采集和数据传输装置的设计。设计了对电机进行运动控制和各轴数据采集的控制软件。完成了上位机的机器人操作软件及其配套控制器的设计。软件界面友好，易于用户使用，满足了摄像师对机器人操作软件的需求。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题来源及工程应用价值

1．2虚拟演播技术的国内外发展现状

1．2．1虚拟演播室的沿革

1．2．2摄像机跟踪定位方式简介

1．2．3国外虚拟演播室设备

1．3主要研究内容

2摄影机器人跟踪定位控制目标

2．1摄影机器人跟踪定位方式选择

2．2摄影机器人跟踪定位需求

2．2．1机构分析

2．2．2跟踪定位指标

2．2．3跟踪数据传输要求

2．3摄影机器人控制需求

2．3．1控制性能参数指标

2．3．2摄影机器人控制方式

2．4本章小结

3摄影机器人跟踪定位控制算法

3．1轨道模块化拼接定位算法

3．1．1算法功能需求

3．1．2任意轨道描述

3．1．3轨道坐标位姿求解

3．1．4任意拼接算法验证

3．2摄影机器人随动控制算法

3．2．1摄影机器人运动学坐标系的建立

3．2．2摄影机器人运动学正解

3．2．3摄影机器人运动学反解坐标位置

3．2．4运动学反解验证和误差影响

3．3摄影机器人行走速度修正算法

3．3．1理论速度曲线规划

3．3．2速度补偿方法

3．4本章小结

4摄影机器人控制与跟踪系统设计

4．1摄影机器人动力系统设计

4．1．1底盘电机传动系统设计计算

4．1．2升降电机传动系统设计计算

4．1．3云台电机传动系统设计计算

4．2跟踪系统数据采集

4．2．1电机编码器半闭环检测

4．2．2行走编码器全闭环检测

4．2．3镜头伺服器

4．3控制台设计

4．3．1控制台硬件设计

4．3．2控制台数据输出

4．4本章小结

5摄影机器人软件与通信设计

5．1镜头信息通信模块

5．1．1通信模块功能需求

5．1．2通信模块硬件设计

5．1．3通信模块软件设计

5．1．4实际效果演示

5．2摄影机器人控制软件

5．2．1控制器控制模式

5．2．2控制软件功能

5．3摄影机器人操作软件

5．4本章小结

6工作总结与展望

6．1总结

6．2展望

致谢

参考文献

附录