CN105549422A - 基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了提出了一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，包括建模步骤、目标函数构建步骤、计算步骤及规划步骤。本发明实施例通过在规划机构运动轨迹时，采用线性运动与五次多项式插值运动交替混合的方式，实现了在两种运动方式过渡时速度与加速度的连续性，并且实现了在整个运动过程中加速度变化的连续性，避免机构运动过程中产生抖动，具有运行平稳，用户体验佳的技术效果。

Description

基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及运动轨迹规划领域，尤其涉及一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法。

背景技术

机械机构如游乐场的游乐设施往往既有平移又有旋转运动，为顺利达到目标位置，机构在运动过程中需要沿预定的轨道避开障碍物运动，因而通常需要预先对机构的运动轨迹进行规划。请参照图1，按照现有的运动轨迹规划方法，机构的加速度的变化在某些地方存在不连续的情况，导致机构按照规划的轨迹运动时，某些位置产生抖动，影响运动效果和客户体验。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，以使机构按照规划的运动轨迹运动时无抖动，具有运行平稳，用户体验佳的技术效果。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，包括以下步骤：

建模步骤：在Maya软件中，建立机构及其运动环境的三维模型，通过关键帧动画设置关键帧，生成机构的运动曲线；

目标函数构建步骤：采用一次多项式和五次多项式交替混合的方式对运动曲线进行参数化描述以构建目标函数，并以建模步骤中的关键帧作为输入，插值得到机构在每一帧的运动数据；

计算步骤：对目标函数求一阶导数、二阶导数，以分别得到机构在每一帧的速度、加速度；及

规划步骤：根据预设的速度及加速度限制，判断计算步骤得到的速度及加速度是否超过限制，若均未超过，目标函数构建步骤得到运动数据即作为机构的目标运动曲线数据，否则，增加超过部分所对应关键帧的时间，再重复目标函数构建步骤、计算步骤及规划步骤，直到得到不超限的速度及加速度。

进一步地，关键帧由时间t_k,k＝1,…,n及其对应的帧值x_k,k＝1,…,n来确定，其中，x为角位移或线位移。

进一步地，运动曲线中相邻两个关键帧构成运动段，对于运动段k中的线性运动段构造第一目标函数f(x)＝x_k，k＝1,…,n，按照所述运动段k的运动距离与时间，即相邻两关键帧的帧值之差x_k+1-x_k,k＝1,…n-1及对应的时间差t_k+1-t_k,k＝1,…n-1，计算得到平均速度，并将其作为该运动段线性运动的速度 ${\stackrel{\·}{x}}_{k+1},k=1,...n-1.$

进一步地，对相邻两个运动段即运动段k和运动段k+1中的线性运动段的衔接过渡段，按照设定的加速时间t_acc，构造第二目标函数其中的待定系数A、B、C、D、E及F由起始位置起始速度起始加速度0，终止位置终止速度终止加速度0来计算确定，其中，t表示时间。

进一步地，计算步骤与规划步骤之间，或者规划步骤之后还包括：

检验步骤：对计算步骤得到的加速度求导，得到机构在每一帧的角加加速度，并生成横轴为时间，纵轴为角加加速度的角加加速度变化图，若图中不存在角加加速度正负值的突变，则运动轨迹规划成功。

进一步地，所述机构为组成车体的旋转座、第一旋转臂、第二旋转臂及座椅中的一种或多种，其中，旋转座旋转地安装于基座上，基座底部设有运行于轨道上的轮子，旋转座、第一旋转臂、第二旋转臂及座椅依次活动连接。

进一步地，第一旋转臂的速度范围为-16m/s～16m/s，加速度范围为-45m/s^2～45m/s^2。

本发明实施例通过在规划机构运动轨迹时，采用线性运动与五次多项式插值运动交替混合的方式，实现了在两种运动方式过渡时速度与加速度的连续性，并且实现了在整个运动过程中加速度变化的连续性，避免机构运动过程中产生抖动。

附图说明

图1是按照现有运动轨迹规划方法生成的机构对应的加速度变化示意图。

图2是本发明实施例的车体结构示意图。

图3是本发明实施例的基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法流程示意图。

图4是本发明实施例的通过Maya软件关键帧动画生成的第一旋转臂运动轨迹图。

图5是本发明实施例一次多项式和五次多项式拟合生成的运动曲线示意图。

图6是本发明实施例的第一旋转臂对应的速度变化示意图。

图7是本发明实施例的第一旋转臂对应的加速度变化示意图。

图8是本发明实施例的第一旋转臂对应的加加速度变化示意图。

附图标号说明

旋转座10

第一旋转臂20

第二旋转臂30

座椅40

基座50

轨道100

建模步骤S1

目标函数构建步骤S2

计算步骤S3

检验步骤S4

规划步骤S5。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需要说明的是，本说明书中所有曲线图的横轴表示时间，单位为帧，运动帧率为100f/s。

请参照图2，本发明实施例所提到的机构为组成娱乐载人车的车体的旋转座10、第一旋转臂20、第二旋转臂30及座椅40中的一种或多种(本说明书的机构以第一旋转臂20为例进行说明)。具体地，所述旋转座10旋转地安装于所述娱乐载人车的基座50上，基座50底部设有运行于轨道100上的轮子，旋转座10、第一旋转臂20、第二旋转臂30及座椅40依次活动连接。其中，第一旋转臂20可沿垂直于纸面的旋转轴旋转，运动行程为-12deg～7deg，速度范围为-16m/s～16m/s，加速度范围为-45m/s^2～45m/s^2。

本发明实施例在规划机构运动轨迹时，先利用Maya软件对机构及运动环境建模，再用关键帧动画的方法得到机构的运动曲线，动态仿真机构按运动曲线运动的视觉效果，利用曲线编辑器交互修改关键位置，通过采用一次多项式与五次多项式运动交替混合的方式，实现在两种运动方式过渡时速度与加速度的连续性，并且实现在整个运动过程中加速度变化的连续性，以使机构按照规划的运动轨迹运动时无抖动，具有运行平稳，客户体验佳的技术效果。

请参照图3，本发明实施例的基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法包括以下几个步骤：

建模步骤S1：在Maya软件中，建立机构及运动环境的三维模型，根据设计要求通过关键帧动画设置关键帧，生成机构的运动曲线。

具体地，利用关键帧动画方法，对第一旋转臂20属性设置关键帧，生成第一旋转臂20运动曲线，关键帧由时间t_k,k＝1,…,n及其对应的帧值x_k,k＝1,…,n来确定。如图4所示，其中，图中的所有黑点标识为关键帧，曲线由Maya软件内置算法自动生成，纵轴表示旋转角度，单位为deg。用关键帧动画的方法，可根据设计的需要随时调整关键帧的位置或值，直到得到所需要的关键帧的帧值x_k,k＝1,…,n及对应的时间t_k,k＝1,…,n，在本说明书中以n＝11为例进行说明。在本说明书中，x为角位移或线位移；优选地，x为角位移。

目标函数构建步骤S2：采用一次多项式和五次多项式交替混合的方式对运动曲线进行参数化描述以构建目标函数，并以建模步骤S1中的关键帧作为输入，插值得到机构在每一帧的运动数据。所述运动数据包括帧值及其对应的时间等。

计算步骤S3：根据数值微分方法，对目标函数求一阶导数、二阶导数，以分别得到机构在每一帧的速度、加速度。

请参照图5，运动曲线中相邻两个关键帧构成运动段，机构的运动曲线由n个关键帧值分为n-1个运动段，每一运动段k由关键帧的帧值x_k，x_k+1，k＝1,…,n及对应的时间t_k，t_k+1，k＝1,…,n确定。在每个运动段，均由线性运动和五次多项式插值运动两种运动模式混合而成。

对于运动段k中的线性运动段构造第一目标函数f(x)＝x_k，k＝1,…,n，按照所述运动段k的运动距离与时间，即相邻两关键帧的值之差x_k+1-x_k,k＝1,…n-1及对应的时间差t_k+1-t_k,k＝1,…n-1，计算得到平均速度，将其作为该运动段线性运动的速度 ${\stackrel{\·}{x}}_{k+1},k=1,...n-1.$

对相邻两个运动段即运动段k和运动段k+1中的线性运动段的衔接过渡段(即如图5中弯曲的虚线所示的五次多项式插值运动段)，按照设定的加速时间t_acc，构造第二目标函数其中，A、B、C、D、E及F是待定系数，t表示时间，x是角位移或线位移，可由起始位置起始速度起始加速度0，终止位置终止速度终止加速度0来计算确定。

规划步骤S5：请参照图6(纵轴表示角速度，单位为deg/s)和图7(纵轴表示角加速度，单位为deg/s^2)，根据对机构预设的速度及加速度限制，判断计算步骤S3得到的速度及加速度是否超过限制，若均未超过，目标函数构建步骤S2得到运动数据即作为机构的目标运动曲线数据，否则，采用逐步尝试增加的方式，增加超过部分所对应关键帧的时间，再重复目标函数构建步骤S2、计算步骤S3及规划步骤S5，直到得到的速度及加速度均在限制内。

作为一种实施方式，计算步骤S3与规划步骤S5之间，或者规划步骤S5之后还包括：检验步骤S4：将计算步骤S3得到的机构的运动速度求导，得到机构在每一帧的角加速度，如图8所示，并生成横轴为时间，纵轴为角加加速度(单位为deg/s^3)的角加加速度变化图，从图中可以看出，角加加速度不存在正负值的突变即力的方向突然发生变化，也即角加加速度突然地而不是有缓冲过渡地由正值变为负值，或由负值变为正值，表明按照这种曲线运行，第一旋转臂20在运动过程中不会出现由路径规划不恰当而导致的机械抖动问题。

另外，本发明的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本发明的方法和/或技术方案。而调用本发明的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本发明的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本发明的多个实施例的方法和/或技术方案。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (7)

1.一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

建模步骤：在Maya软件中，建立机构及其运动环境的三维模型，通过关键帧动画设置关键帧，生成机构的运动曲线；

目标函数构建步骤：采用一次多项式和五次多项式交替混合的方式对运动曲线进行参数化描述以构建目标函数，并以建模步骤中的关键帧作为输入，插值得到机构在每一帧的运动数据；

计算步骤：对目标函数求一阶导数、二阶导数，以分别得到机构在每一帧的速度、加速度；及

规划步骤：根据预设的速度及加速度限制，判断计算步骤得到的速度及加速度是否超过限制，若均未超过，目标函数构建步骤得到运动数据即作为机构的目标运动曲线数据，否则，增加超过部分所对应关键帧的时间，再重复目标函数构建步骤、计算步骤及规划步骤，直到得到不超限的速度及加速度。

2.根据权利要求1所述的基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，关键帧由时间t_k,k＝1,…,n及其对应的帧值x_k,k＝1,…,n来确定，其中，x为角位移或线位移。

3.根据权利要求2所述的基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，运动曲线中相邻两个关键帧构成运动段，对于运动段k中的线性运动段构造第一目标函数f(x)＝x_k，k＝1,…,n，按照所述运动段k的运动距离与时间，即相邻两关键帧的帧值之差x_k+1-x_k,k＝1,…n-1及对应的时间差t_k+1-t_k,k＝1,…n-1，计算得到平均速度，并将其作为该运动段线性运动的速度k＝1,…n-1。

4.根据权利要求3所述的基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，对相邻两个运动段即运动段k和运动段k+1中的线性运动段的衔接过渡段，按照设定的加速时间t_acc，构造第二目标函数其中的待定系数A、B、C、D、E及F由起始位置起始速度起始加速度0，终止位置终止速度终止加速度0来计算确定，其中，t表示时间。

5.根据权利要求1所述的基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，计算步骤与规划步骤之间，或者规划步骤之后还包括：

检验步骤：对计算步骤得到的加速度求导，得到机构在每一帧的角加加速度，并生成横轴为时间，纵轴为角加加速度的角加加速度变化图，若图中不存在角加加速度正负值的突变，则运动轨迹规划成功。

6.根据权利要求1所述的基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，所述机构为组成车体的旋转座、第一旋转臂、第二旋转臂及座椅中的一种或多种，其中，旋转座旋转地安装于基座上，基座底部设有运行于轨道上的轮子，旋转座、第一旋转臂、第二旋转臂及座椅依次活动连接。

7.根据权利要求6所述的，基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，第一旋转臂的速度范围为-16m/s～16m/s，加速度范围为-45m/s^2～45m/s^2。