索牵引摄像机器人的运动速度控制方法

摘要

本发明公开一种索牵引摄像机器人的运动速度控制方法，包括初始化控制装置，选择控制模式，处理接收数据，控制摄像机移动，停止移动等步骤。本发明对摄像机器人采用点动控制和手柄控制两种模式来控制摄像机器人的移动速度。所述点动控制模式通过控制点动旋钮将摄像机器人的移动速度从零开始增加到一个恒定速度并以该恒定速度移动；所述手柄控制模式通过控制手柄使摄像机器人的移动速度随着手柄摇动角度的变化而变化，摄像机器人执行机构的控制程序根据发送来的速度矢量控制牵引摄像机器人的四根绳索的伸缩速度和伸缩长度，控制摄像机器人在指定空间内以规定的速度矢量实现三维平稳运动。

说明书

技术领域

本发明属于机械技术领域，更进一步涉及机械运动控制领域中的一种索牵引摄像 机器人的运动速度控制方法。本发明可实现对索牵引摄像机器人在指定的空间范围内 以任意的速度在任意方向平稳移动。

背景技术

传统的空中拍摄通过摇臂摄像机、直升飞机航拍系统、曲臂升降车摄像系统等设 备来实现。这些拍摄方法在拍摄角度和区域上都受到一定的条件限制。摇臂摄像机的 提升高度十分有限，而且只能固定在半径很小的范围内进行拍摄。直升机航拍时，由 于噪音和震动的影响，只能进行远距离的拍摄，无法反映拍摄对象的细节，且航拍的 成本较高。轨道拍摄是对长距离运动对象进行拍摄的重要手段，但它只能依托地面的 支撑，在一个平面上运动，无法在空间中对拍摄对象进行描述，同时由于运动速度不 易精确掌控，轨道拍摄对摄像师的个人技术要求很高。索牵引摄像机器人的运动速度 控制方法的设计和实现能有效地弥补以上提到的传统空中拍摄的不足。

控制物体进行三维运动的方法有位移控制方法。该方法是控制装置根据预定的物 体运动量控制受控物体到达指定的位置。该方法的优点是受控物体移动距离恒定，到 达指定位置产生的位移偏差会比较小。但这种方法的缺点是物体在从当前位置移动到 目标位置的过程中速度难以控制，受控物体在移动过程中可能速度不稳定，容易产生 振动，尤其将该方法用于摄像机的控制中会产生摄像机图像捕捉不稳定的问题。

北京佳视互动科技股份有限公司在其申请的专利“控制受控物体进行三维运动的 控制方法及装置”(申请号201010153658.8，申请日2010.04.20，申请公布号 CN102270033A)申请公开控制受控物体进行三维运动的控制方法及装置。该专利申请 说明书文件中在描述控制受控物体进行三维运动时，涉及到一种控制受控物体运动方 法，在物体移动时，控制模块得到靶标的移动偏移量后，根据该偏移量控制物体进行 移动。该专利申请提供的控制方法存在的不足是：在控制受控物体移动的过程中，移 动速度没有有效的控制，受控物体在移动的过程中可能会产生冲击与运动不稳定的问 题。

索尼株式会社在其申请的专利“摄像机系统、控制装置和控制方法”(申请号 200910203852.X，申请日2006.08.21，公开号CN101568020A)公开摄像机系统、控 制装置和控制方法。该专利申请说明书文件中在描述控制摄像机移动的过程中，涉及 到一种控制摄像机移动的方法：通过拖动鼠标来指定摄像机从一个位置到另一个位置 的运动方向，根据控制显示器上鼠标拖动的两点之间的距离改变摄像机移动的速度。 该专利公开的控制方法存在的不足是：在用鼠标控制摄像机移动过程中，鼠标只能进 行平面二维运动，所以在控制摄像机进行空间三维运动时就会产生局限性。

Garrett W.Brown在其申请的专利“用于支撑和传输悬索系统的装置，如摄像机 (SUSPENSION SYSTEM FOR SUPPORTING AND CONVEYING EQUIPMENT，SUCH AS A CAMERA)” (申请号760390，申请日1985.07.30，专利号4710819)的说明书文件中在描述控制摄 像机移动的过程中，涉及到一种控制摄像机移动的方法：通过控制柔索长度的速度变 化来实现摄像机器人的速度变化。该专利中的不足是：没有具体给出一种控制摄像机 移动速度变化的实现方法，以及如何实现摄像机速度平稳变化。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种索牵引摄像机器人 的运动速度控制方法。

为实现上述目的，本发明的具体思路是：通过控制柜上的手柄和点动按钮向PC 机发送摄像机器人的速度矢量，PC机将上述速度矢量经过分析处理后发送给执行机 构，由执行机构控制摄像机器人按指定的速度和方向移动，从而实现摄像机器人能以 任意速度在三维空间内平稳运动的目的。

本发明的具体实现步骤如下：

(1)初始化控制装置：

1a)启动控制装置：安装摄像机器人的控制装置，控制装置安装完后，用户打 开摄像机器人控制柜上的控制锁，启动控制装置，根据控制速度需求选择点动或手柄 控制模式；

1b)设定摄像机器人的初始位置：用户在控制摄像机器人移动前，通过控制柜 上的点动按钮或手柄将摄像机器人调整到标定的初始位置；

(2)选择控制模式：

2a)点动控制模式：将控制柜上的控制模式开关拨到点动控制模式，用户将以 点动控制模式控制摄像机器人的移动，该模式下摄像机器人的移动速度从零开始增加 到一个恒定速度并以该恒定速度移动，移动方向为点动按钮代表的方向；

2b)手柄控制模式：将控制柜上的控制模式开关拨到手柄控制模式，用户以手 柄控制模式控制摄像机器人的移动，该模式下摄像机器人的移动速度和移动方向将根 据手柄偏移角度的大小和偏移方向而实时改变；

(3)处理接收数据：

PC机中的控制程序将步骤(2)中各个控制模式下发送来的数据转换成摄像机器 人各个方向的速度矢量值，并将转换的速度矢量值发送给摄像机器人的执行机构；

(4)控制摄像机移动：

摄像机器人执行机构的控制程序将步骤(3)发送来的速度矢量数据转换成控制 电机旋转的脉冲数，电机根据得到的脉冲个数决定其带动缠绕机构旋转的圈数，进而 控制绕在缠绕机构上的柔索长度的变化来实现摄像机器人的移动控制；

(5)停止移动：

摄像机器人若是在点动控制模式下，用户按下控制柜上的停止按钮使摄像机器 人停止移动；摄像机器人若在手柄控制模式下，则用户将手柄移动到中位即停止摄像 机器人的移动。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明采用速度控制的方法移动摄像机器人，摄像机器人从一个位置 移动到目标位置的过程中，其运动速度是平稳可控的，克服了现有技术中用位移控制 在实现摄像机器人的运动过程中速度产生突变，运动不平稳的缺点，使得本发明具有 控制过程简单、运动速度平稳可控的优点。

第二，由于本发明采用摇动手柄方法来控制摄像机器人的移动，使得摄像机器人 可以在三维空间自由运动，在指定的空间中可以方便地移动到任何位置，解决了现有 技术采用鼠标控制摄像机器人移动时三维运动难以实现的问题，使得本发明具有控制 方法简单、移动范围广阔的优点。

附图说明

图1为本发明的控制流程图；

图2为本发明的控制柜示意图；

图3为本发明的执行机构示意图。

具体实施方式

本发明通过索控制装置牵引摄像机器人实现空间三维运动。该装置主要由用户控 制柜、PC机和执行机构组成。控制柜与PC机相连，用于将用户在摇动方向手柄或按 下点动按钮时产生的速度矢量发送给PC机；PC机与执行机构相连，PC机将控制柜发 送来的速度矢量转换成执行机构的执行指令，发送给执行机构，执行机构控制摄像机 器人按指定的速度和方向移动。

本发明中摄像机器人有两种控制模式：点动控制模式和手柄控制模式。根据控 制速度需求选择点动或手柄控制模式；若选择点动控制模式，则将控制模式旋钮切换 到点动控制模式，该模式下摄像机器人的移动速度将从零开始增加到一个恒定速度并 以该恒定速度移动；若选择手柄控制模式，则将控制模式旋钮切换到手柄控制模式， 该模式下摄像机器人的移动速度将随着手柄摇动角度的变化而变化，能实现变速控制 摄像机器人移动。在执行机构开始控制摄像机器人运动时，必须先选择摄像机器人的 控制模式。

下面结合附图1，对本发明做进一步的详细描述。

步骤1，初始化控制装置

启动控制装置：安装摄像机器人的控制装置，将控制柜、PC机和执行机构连接， 保证控制柜和PC机及PC机和执行机构能够进行正常通信，在将摄像机器人的控制 装置安装完毕后，用户可以打开摄像机器人控制柜上的控制锁，启动控制装置，此时 控制柜上的控制装置指示灯将变亮；

设定摄像机器人的初始位置：根据摄像机器人所处场地的大小和用户控制方便的 原则，用户在控制摄像机器人移动前，通过控制柜上的点动按钮和手柄将摄像机器人 调整到标定的初始位置。

步骤2，选择控制模式

点动控制模式：若想以一个恒定的速度控制摄像机器人运动，用户将控制柜上 的控制模式开关拨到点动控制模式，此时控制柜上的六个点动按钮将处于可运行状 态，用户按下代表不同方向的点动按钮控制摄像机器人向该按钮所代表的方向移动， 该模式下摄像机器人的移动速度从零开始增加到一个恒定速度并以该恒定速度移动。

手柄控制模式：若想以一个实时可变的速度控制摄像机器人运动，用户可将控 制柜上的控制模式开关拨到手柄控制模式，此时控制柜上的方向手柄将处于可运行状 态，用户可以向各个方向摇动手柄，手柄偏移的角度大小将代表摄像机器人的运动速 度大小，偏移的方向代表摄像机器人的移动方向，该模式下摄像机器人的移动速度将 根据手柄偏移角度的大小而实时改变。

步骤3，处理接收数据

当摄像机器人的控制模式为点动控制模式时，为防止摄像机器人在运动初始时刻 速度突变，产生结构冲击，必须采用一种缓起并快速达到一个恒定的速度值的控制方 法。该方法应满足的边界条件：首先，摄像机器人缓起时刻的速度和加速度的初始边 界条件设置为零；随后摄像机器人的速度快速增加，当达到加速时间时使加速度降为 零，并继续保持这个速度，这里加速时间为0.5秒；即得如下表达式：

v(0)＝0，v′(0)＝0，v′(0.5)＝0

其中，v(0)表示摄像机器人缓起时刻的运动速度，v′(0)表示摄像机器人缓起时刻 的运动加速度，v′(0.5)表示摄像机器人到指定加速时间时的加速度值，t表示摄像机 器人的运行时间。

根据上述边界条件，可以得到下述速度方程来控制摄像机器人的移动速度：

v₁＝-40St³+30St²    (0＜t＜0.5)

v₂＝2.5S           (t≥0.5)

其中，v₁，v₂表示摄像机器人在t时刻的实时移动速度，t表示摄像机器人的 运动时间，S表示摄像机器人的运动速度调节系数，在具体实现过程中，v₁，v₂的 单位是米/秒，t的单位是秒，当t小于0.5秒时，摄像机的实时移动速度为v₁；当t 大于等于0.5秒时，摄像机的实时移动速度为v₂，v₂是一个恒定的速度，S的取值范 围控制在1～5之间，根据控制速度的需求来选择S的取值，当需要控制速度大时，S 的取值可选择大些，反之，S的取值可选择小些。

用户按下控制柜上代表摄像机器人向各个方向移动的点动按钮后，控制柜中的单 片机处理程序将上述速度方程中得到的摄像机器人移动速度矢量发送给PC机，PC机 中的控制程序将该速度矢量分析处理后发送给摄像机器人的执行机构，摄像机器人执 行机构的控制程序根据发送来的速度矢量控制牵引摄像机器人的四根绳索的伸缩速 度和伸缩长度，最终实现摄像机器人以规定的速度矢量移动，该过程每隔20ms执行 一次；该控制过程可以确保摄像机器人移动速度从零增加到恒定值的过程中，速度和 加速度的变化曲线都连续，且速度与加速度均从零开始，摄像机器人速度平稳过渡， 结构不会有冲击。

当摄像机器人的控制模式为手柄控制模式时，为了是实现摄像机器人的移动速度 可根据手柄移动角度变化而变换的目的，采用下述速度方程控制摄像机器人水平和铅 垂方向的移动速度：

v＝0.4SU-S

其中，v表示摄像机器人水平或铅垂方向的实时移动速度，U表示手柄发送给单 片机处理程序的电压值，S表示摄像机器人的运动速度调节系数，在具体的实现过程 中，v的单位是米每秒，S的取值范围控制在1～12之间，根据控制速度的需求来选 择S的取值，当需要控制速度大时，S的取值可选择大些，反之，S的取值可选择小 些。

用户摇动控制柜上的两个方向手柄时，根据各个手柄偏移角度的大小和偏移方 向，控制柜中的单片机处理程序将得到三个0～5v之间的电压值，单片机处理程序将 这三个电压值发送给PC机，PC机中的控制程序按照上述速度方程将这三个电压值转 换成摄像机器人水平和铅垂移动的三个速度分量并将这三个速度分量合成空间三维 运动的一个速度矢量后发送给摄像机器人的执行机构，摄像机器人执行机构的控制程 序根据发送来的速度矢量控制牵引摄像机器人的四根绳索的伸缩速度和伸缩长度，最 终实现摄像机器人以两个方向手柄规划的速度矢量移动，该过程每隔20ms执行一次； 该控制过程可以确保摄像机机器人的移动速度和移动方向可以根据手柄偏移角度和 偏移方向的改变而改变，摄像机器人的速度平稳可控。

步骤4，控制摄像机移动

摄像机器人执行机构中的控制程序将步骤3中发送来的速度矢量数据转换成控 制各个电机旋转的脉冲数，各个电机根据得到的脉冲个数决定其带动缠绕机构旋转的 圈数，进而控制绕在缠绕机构上的柔索长度的变化来实现摄像机器人的移动控制。

步骤5，停止移动

摄像机器人若是在点动控制模式下，用户按下控制柜上的停止按钮使摄像机器人 停止移动；摄像机器人若在手柄控制模式下，则用户将手柄移动到中位即可停止摄像 机器人的移动。

下面结合图2和图3对本发明的控制装置做进一步的详细描述。

图2为本发明的摄像机器人控制柜示意图，控制柜上设置有开关锁1，控制模式 旋钮2，数据连接线3，控制装置指示灯4，方向手柄5和11，点动按钮6、7、8、10、 12、14，点动停止按钮9、13，其中，控制柜的开关锁1用于摄像机控制系统的开关； 控制模式旋钮2用于选择摄像机器人的控制模式；数据连接线3用于控制柜与PC机 进行通信；控制装置指示灯4用于显示摄像机控制装置是否处于运行状态；方向手柄 5、11分别用于控制摄像机器人的水平与铅垂移动方向和移动速度；点动按钮6、7、 8、10用于点动模式时控制摄像机器人的水平移动方向，点动按钮12、14用于点动控 制模式时控制摄像机器人的铅垂移动方向；点动停止按钮9、13分别用于停止水平和 铅垂方向的点动控制模式。

图3为本发明的摄像机器人的执行机构示意图，执行机构由柔索15，塔架16， 电机17，摄像机18，缠绕机构19，数据连接线20组成，其中，柔索15与缠绕机构 19相连，用于控制摄像机器人在空间运动的位移和速度；塔架16用于支撑摄像机器 人的柔索15；电机17与缠绕机构19相连，用于控制缠绕机构的运动圈数；摄像机 18被四根可变长度的柔索悬挂于场地内；数据连接线20用于PC机与执行机构间的 指令通信。