傅天宇　武云江　惠文豪

摘? ?要：21世紀(jì)，人們的娛樂生活更加豐富多彩，動感影院也逐漸進(jìn)入了人們的視野，由于觀眾在觀看4D影片時能夠獲得視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位的感受，近年來4D影院的發(fā)展非常迅猛。但是傳統(tǒng)的動感影院通過網(wǎng)絡(luò)通信接口傳送指令，存在占有帶寬、指令延遲引起動感座椅姿態(tài)跟蹤效果不佳的問題，針對這些問題，文章提出了一種全新的控制方式。首先，利用影片的鏡頭姿態(tài)，求出動感影院六自由度平臺的姿態(tài);其次，對六自由度平臺的姿態(tài)進(jìn)行逆解，求出六自由度6個臂舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度;最后，將逆解后的舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度存儲到MCU的內(nèi)存中，與控制服務(wù)器同步啟動影視片播放及座椅的位置調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：六自由度平臺;運動學(xué)逆解;動感影院;座椅

1? ? 六自由度平臺

六自由度平臺在游樂設(shè)備領(lǐng)域主要用于動感影院、駕駛賽車模擬等，而文章要講述的是關(guān)于動感影院方面的問題，動感影院正處在發(fā)展階段，常見的項目有黑暗乘騎、飛行影院、影視懸掛過山車等。

由于六自由度平臺的運動復(fù)雜性，要讓游客有身臨其境的感受，必須要讓運動與影片同步。為了使動感影院的效果更加逼真，完善的智能控制系統(tǒng)尤為重要。動感影院的控制實際上就是六自由度平臺的姿態(tài)控制，是該系統(tǒng)最重要的一個技術(shù)問題。首先動感影院六自由度平臺的運動姿態(tài)參數(shù)，來源于影片中鏡頭的姿態(tài)。研究人員提出一種獲取姿態(tài)的方式：將影片導(dǎo)入MAYA工具軟件，將六自由度平臺座椅與影片鏡頭相結(jié)合，設(shè)定運動比例參數(shù)，按幀計算并輸出座椅的姿態(tài)，將姿態(tài)信息發(fā)送至單片機(jī)從而控制六自由度平臺的運動。

2? ? 六自由度平臺概述

2.1? 六自由度平臺的組成

由于條件限制，不可能做成影院式的六自由度平臺，因此，工作人員設(shè)計了小型的六自由度平臺，由底座、平臺、6個舵機(jī)、6個舵機(jī)臂、6根球形拉桿及控制系統(tǒng)組成?？刂贫鏅C(jī)的轉(zhuǎn)動角度即可完成上平臺在空間的平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜等空間6個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，從而模擬出各種空間運動姿態(tài)。座椅固定在六自由度平臺上。圖1是在家搭建的模型，圖2是在實驗室由電動推桿所搭建的模型。

2.2? 六自由度平臺姿態(tài)解算—運動學(xué)逆解

六自由度平臺的基底作為參考坐標(biāo)系XYZ，上平臺為動坐標(biāo)系XYZ，假設(shè)初始狀態(tài)兩坐標(biāo)系相重合，固定z軸與Z軸不動，動坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)ψ度，如圖3所示。

3? ? 六自由度平臺的數(shù)據(jù)輸入

3.1? 通過MAYA軟件生成六自由度平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)

座椅的動作要和影片的進(jìn)行同步，就是說六自由度平臺的動作由影片決定。在MAYA中，影片技術(shù)人員生成相機(jī)視角曲線，導(dǎo)出連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2? 將連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞫鏅C(jī)轉(zhuǎn)動的角度數(shù)據(jù)

由MAYA導(dǎo)出的姿態(tài)數(shù)據(jù)是連續(xù)變化的空間六自由度數(shù)據(jù)：各個坐標(biāo)和各個旋轉(zhuǎn)角度。這完美對應(yīng)了前面推出的公式，只需要將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行計算處理，即可進(jìn)行控制。

4? ? 執(zhí)行步驟

綜上所述，只要按照下述的步驟執(zhí)行，即可完成影片與座椅動作的同步。

（1）輸入平臺的位置信息bi，pi，s，a，βi，這些量都由人為給定的，可以直接測量出。

（2）運用MAYA軟件收到的姿態(tài)信息，求解出六自由度平臺中心點對應(yīng)基底的坐標(biāo)和ψ，θ，?等角度。

（3）運用以上數(shù)據(jù)計算出舵機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度，將信息發(fā)送至單片機(jī)，用單片機(jī)控制PWM波形的高低電平時間從而控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，完成控制。

5? ? 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了六自由度平臺的組成，運動學(xué)的逆解，并給出了完整的公式推導(dǎo)，并且將六自由度平臺應(yīng)用到了動感影院當(dāng)中，利用了MAYA軟件進(jìn)行姿態(tài)提取，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)完成控制處理。文中所涉及的一些研究思路和方法，特別是六自由度平臺運動學(xué)逆解的公式原理，可為今后六自由度平臺應(yīng)用于類似項目提供理論借鑒和實踐經(jīng)驗。