轨道摄像机器人控制系统设计

摘要

轨道移动拍摄是影视行业中一种特殊的拍摄手段，由于其能够提供连续的移动拍摄画面，因而可以显著增强一些节目的视觉效果。早期的轨道移动拍摄依靠人力推动轨道车，并由摄像师坐在车上进行人工拍摄，其缺点是对摄像师的操控要求高，且难以提供高稳定性的精准拍摄，尤其是对一些需要重复拍摄的画面，无法保证多次拍摄的一致性。为了满足轨道移动拍摄的特殊需要，近年来诞生了轨道摄像机器人，其通过采用大量的自动化技术，在保证高质量拍摄的同时，能够极大降低对摄像师的操控要求。
　　针对目前市场现有设备的一些应用局限性，本文研究了一种轨道摄像机器人系统，其主要由仿生三脚架、控制柜、轨道车、伸缩柱以及云台等部分组成，操控人员通过仿生三脚架操控轨道车、伸缩柱以及云台的同步运动，从而能够轻易实现各种高质量的拍摄应用。本文主要研究了该轨道摄像机器人控制系统的设计方法，所完成的主要工作如下:
　　(1)在分析轨道摄像机器人应用需求的基础上，给出了其总体结构组成和工作原理，介绍了仿生三脚架、控制柜、轨道车、伸缩柱以及云台等主要部件的内部结构，并对各主要部件的工作模式以及部件之间的协同工作方式进行了说明。
　　(2)给出了轨道摄像机器人控制系统的硬件设计方法，以欧姆龙的N J301运动控制器为主控模块，利用EtherCAT网络实现各个模块间的信号传输，针对应用需求对各个硬件模块进行了具体选型，并设计了视频同步等特殊应用电路。
　　(3)详细分析了基于Sysmac Studio开发环境的控制系统软件设计方法，给出了软件的总体架构以及其中各模块之间的协同工作方式，重点介绍了同步运动控制、预置功能、轨迹设计、坐标计算等模块的梯形图和ST语言设计方法。
　　(4)阐述了基于NB_Designer开发环境的触摸屏界面设计方法，给出了人机交互界面的总体架构以及各个界面之间的切换方式，分析了部分界面的具体设计方法以及其与控制系统之间的信息传输模式。
　　(5)介绍了轨道摄像机器人的调试情况，并针对调试过程中出现的一些问题，给出了控制系统的改进方法。
　　最后，对本文进行了总结，并提出了一些后期的改进意见。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 轨道摄像机器人的发展现状

1．3 论文主要工作

1．4 论文结构安排

2 轨道摄像机器人结构组成及工作原理

2．1 轨道机器人结构组成

2．2 仿生三脚架结构组成

2．3 控制柜结构组成

2．4 轨道摄像机器人工作原理

2．5 本章小结

3 轨道摄像机器人硬件设计

3．1 系统硬件结构

3．2 控制系统的主要硬件设备

3．3 轨道机器人硬件设计

3．3．1 系统硬件设计

3．3．2 视频同步分离电路

3．4 本章小结

4 轨道摄像机器人软件设计

4．1 轨道摄像机器人软件系统的基本配置

4．1．1 EtherCAT网络从站设置

4．1．2 CPU扩展机架和控制器设置

4．1．3 运动控制设置

4．1．4 Cam数据设置

4．2 总体程序设计

4．3 初始化程序设计

4．3．1 检查EtherCAT网络

4．3．2 使能驱动从站

4．4 轨道车移动程序设计

4．4．1 踏板模拟量数据处理

4．4．2 轨道车速度控制

4．4．3 刹车控制

4．5 方位俯仰运动程序设计

4．5．1 同步齿轮位置控制

4．5．2 停止运动控制

4．6 伸缩柱升降运动程序设计

4．6．1 操纵杼模拟量处理

4．6．2 伸缩柱速度控制

4．6．3 停止控制

4．7 摄像镜头通讯程序设计

4．7．1 变／聚焦采样数据处理

4．7．2 富士通讯

4．7．3 佳能通讯

4．7．4 收发数据

4．8 摄像机空间坐标计算与发送

4．8．1 空间坐标计算

4．8．2 数据发送

4．9 预置功能程序设计

4．9．1 凸轮动作

4．9．2 轨道车复位及目标位置保存

4．9．3 预置时间计算

4．9．4 分配变／聚焦虚轴

4．9．5 生成凸轮表

4．9．6 各轴同步凸轮动作

4．10 轨迹功能程序设计

4．10．1 轨迹记录

4．10．2 轨迹复位

4．10．3 轨迹运行

4．11 本章小结

5 触摸屏界面设计

5．1 触摸屏程序设计流程

5．2 具体界面设计方法

5．3 触摸屏主界面设计

5．4 本章小结

6 系统调试与运行

6．1 轨道摄像机器人的装配

6．2 现场软件调试与运行

6．2．1 轨道车移动调试

6．2．2 方位俯仰运动调试

6．2．3 伸缩柱升降运动调试

6．2．4 摄像变／聚焦控制调试

6．3 调试过程中遇到的问题和解决方案

6．4 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的专利成果