CN110968030B - 基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法 - Google Patents

基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法，至少包括：获取轨道车运动***的行走机构参数，并对轨道车行走机构建立数学模型；将轨道车行进轨道划分为若干区域，在建立的数学模型的基础上，对每一区域的轨道车行进轨道通过最小二乘法进行局部建模；在最小二乘法局部建模的基础上，通过查表法对每一区域的关键点进行差值补偿，并通过S型曲线加减速算法对轨道车行进路线进行补偿，以保证轨道车行走机构的流畅性，以保障轨道车运行轨迹流畅性。该技术方案更进一步降低多轴联动轨道车运行与故事是路线的误差，提高轨道车运动轨迹与故事路线的同步性，增强游乐体感。

Description

基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法
技术领域
本发明涉及轨道车技术领域，尤其涉及一种基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法。
背景技术
黑暗骑乘(DarkRide)是指游客乘坐多自由度动感轨道车，沿着既定的故事路线，在虚实景结合的仿真环境中穿行体验的大型室内娱乐项目，是当今世界上最具有吸引力的娱乐项目。目前，环球影城、迪斯尼乐园、方特神话等国内外顶尖的大型主题乐园都在大力发展黑暗骑乘项目，比如洛杉矶环球影城的变形金刚、大阪环球影城的蜘蛛侠惊魂历险记、香港迪斯尼的迷离庄园、上海迪斯尼的加勒比海盗、宁波方特的女蜗补天，都产生了巨大的经济效益和社会影响。
现有的黑暗骑乘的轨道车运行轨迹至少包括了轨道车旋转轴、六自由度运动轴，以及轨道夹持行走双轴，共计九个运动轴的实时联动所表现出来的运动曲线。黑暗骑乘轨道车的九个运动轴在整个体验过程中，需要任意位置实时联动，即轨道车预设的动作码每一帧的信息至少包含所有轴的运动信息以及时间信息，九个运动轴实时联动，行走机构的动作不能跳帧或漏帧，还要保证精准和流畅，特别是一些关键的体验点，比如行走到一个银幕区，需要轨道车上面的游客从侧面斜向进入银幕区，而银幕区此刻的内容为高空下坠，需要行走、六自由度、旋转等所有运动轴按照预设的动作码高度还原，让游客沉浸到比较刺激的急速下落场景，即运动轨迹(九个运动轴的联动)与既定故事路线(可以等价为动作码数据)之间要保持同步性。但是，黑暗骑乘的控制***非常复杂，特别容易受到运动轨迹的影响而产生虚实结合的不同步，影响游客的体验效果，因而要求轨道车运动轨迹与既定故事路线之间有比较高的同步性。
为了解决轨道车运动轨迹与故事线路同步性的问题，申请人研究并申请了《一种多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法》(申请号为：2019)，通过对轨道车行走轴运行轨迹进行加权平均值建模和行走机构的关键点补偿，将轨道车的行进偏差控制在合理范围之内，降低轨道车运行与故事路线不同步的影响；并采用S型曲线加减速算法保障轨道车运行轨迹的流畅和连贯，增强体验效果。
但是上述方法在进行加权平均值建模和关键点补偿时，是将现场所有区域轨道车运行路线整体进行等比例缩放后建模和补偿。由于现场轨道各区域的弧度情况不一致，整体缩放方法无法兼顾很多区域，特别遇到阻力和打滑的时候，后续运动轨迹更加无法与现场环境同步。
此外，由于行走部分的输入信息序列需要完全按照动作码读取，行走部分的执行与其他六自由度轴和旋转轴之间要协调同步，不能进行单独定位，才能保证行走部分、旋转部分、六自由度部分的执行与现场环境的同步性，最终解决运动轨迹和现场环境的同步性问题。
因此，本领域技术人员致力于开发一种基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法，以提高轨道车行走轨迹与既定故事路线的同步性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法，以解决背景技术中的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法，至少包括：
Step1：获取轨道车运动***的行走机构参数，并对轨道车行走机构建立数学模型；
Step2：将轨道车行进轨道划分为若干区域，在Step1建立的数学模型的基础上，对每一区域的轨道车行进轨道通过最小二乘法单独进行局部建模；
Step3：在Step2最小二乘法局部建模的基础上，通过查表法对每一区域的关键点进行差值补偿，并通过S型曲线加减速算法对轨道车行进路线进行补偿，以保证轨道车行走机构的流畅性，以保障轨道车运行轨迹流畅性。
进一步的，在Step1中，轨道车运动***的行走机构至少包括控制PLC、伺服驱动器、伺服电机、行走减速机、夹持行走轮、导向轨道及辅助元件。
进一步的，在Step2中，轨道车运行轨道的位置信息通过二维码的形式标定并读取。
进一步的，在Step2中，轨道车运行轨道的划分以等分二维码位置的形式划分，通过最小二乘法对划分的每一段二维码位置进行建模。
进一步的，在Step2中，利用最小二乘法局部建模的实现步骤至少包括：
Step20：发送指定控制轨道车匀速全场运行，通过控制PLC实时获取轨道车行走部分伺服驱动器的反馈数据和二维码位置信息，并以TXT文件的方式存储；
Step21：将Step20中存储的TXT文件从控制PLC中导出；
Step22：通过等分二维码位置将数据分段，对每段区域进行最小二乘法辨识，最小二乘法辨识的自变量为行走部分伺服驱动器反馈数据的差值，因变量为对应的二维码位置信息获得每段区域的运动模型；
Step23：将数据分段后，以每段的起始位置值作为关键字，与对应的运动模型参数建立表格，以方便查寻。
进一步的，由于轨道、轨道车，以及其他现场设备的不确定性因素，需要在最小二乘法局部建模的基础上加入关键点补偿，以保证每一段区域的误差将在后续运动中补偿，补偿方法至少包括如下步骤：
Step30：将Step2中最小二乘法局部建模获得的表格导入到控制PLC中，表格的关键字为每段的起始位置值，表格包含有局部建模的模型参数；
Step31：轨道车按照既定动作码运动，并读取实际的二维码数据，如果大于表格中的某段区域的起始位置值，小于等于下一段区域的起始值，则使用本段区域的运动模型参数；
Step32：轨道车运动过程中，实时观察实际效果，待效果稳定后，记录与每一段区域起始位置对应的动作码数据；
Step33：控制PLC的表格中加入记录的每一段起始位置对应的动作码序号和行走部分的位置数据，完成填表；
Step34：轨道车运动过程中，到达每一段起始位置，计算实际动作码序号和表格中的序号是否一致，否则计算既定位置与实际位置数据的差值；
Step35：在一个新的位置段中，将之前的位置差值使用S型曲线加减速算法进行分解，然后以载波的形式叠加到后续运动数据中，保证运动轨迹的同步性。
进一步的，轨道车关键点的二维码位置信息通过读取光学读码器读取。
进一步的，在Step35中，S型曲线加减速算法的实现方法为：
Step350：使用S型曲线加减速算法，公式如下：
Y＝A+B/(1+e-ax+b)
式中，A、B、a、b分别为常量，表示X轴、Y轴方向上的平移和拉升；
Step351：实际使用中，假定配置的系数为固定值，将Xi帧对应的数据Yi全部保存到控制PLC中；
Step352：运动开始后，检测到某一段区域起始位置有位置差值，叠加Yi、Yi+1、Yi+2..Yi+n,直到叠加的值大于等于误差值；
Step353：如果后续的某一段区域起始位置有位置差值，则继续叠加Yi+n+1..
Step354：如果一个循环结束，再次叠加Y1、Y2..
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中存储有程序，该程序被执行时可执行前述基于最小二乘法进行局部建模和查表法进行关键点补偿的轨道车运动轨迹的同步方法。
通过实施上述本发明提供的基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法，具有如下技术效果：
(1)本技术方案中对轨道车行运行轨道进行区域划分，从局部对划分的每一段区域进行建模和补偿，避免整体建模和补偿时轨道局部的不确定因素造成的轨道车运行误差，进一步提高轨道车的运行精度，提高轨道车运行与故事路线的同步性；
(2)本技术方案中通过查表法进行误差对比，并进行实时差值补偿，保证了行走部分与现场环境的同步性，由于行走部分的输入信息序列完全按照动作码读取，进而保证了旋转、六自由度部分的执行与现场环境的同步性，最终解决了运动轨迹和现场环境的同步性问题；
(3)本技术方案通过最小二乘法的局部建模和关键点补偿的方法进行轨道车运行轨迹同步，具有自平衡误差能力，满足了黑暗骑乘的行业要求；
(4)基于本技术方案设计的轨道车行进轨迹同步，有效提高轨道车行进与故事路线的协调一致性，增强体验者的活动观感；
(5)本技术方案中，关键点补偿采用S型曲线加减速算法将差值控制在合理范围内，有效保障轨道车运行轨迹的流畅和连贯，增强体验效果。
附图说明
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明实施例中黑暗骑乘轨道车结构示意图；
图2是图1中轨道车行走导向***结构图；
图3为本发明实施例中读码器读取轨道车位置情况图。
图中：
1、轨道车；10、从动轮；11、导向轨道；12、滑触线；13、夹持轮；14、夹紧气缸；15、主动轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本具体实施方式提供一种基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法，至少包括：
Step1：获取轨道车运动***的行走机构参数，并对传动机构建立数学模型，其中，轨道车运动***的行走机构至少包括控制PLC、伺服驱动器、伺服电机、行走减速机、夹持行走轮、导向轨道及辅助元件；
Step2：将轨道车运行轨道的位置信息通过二维码的形式标定并读取，获取的二维码位置信息等分划分呈若干区域，在Step1建立的数学模型的基础上，对每一区域的轨道车行进轨道通过最小二乘法单独进行局部建模；
Step3：由于轨道、轨道车，以及其他现场设备的不确定性因素，需要在Step2最小二乘法局部建模的基础上加入关键点补偿，以保证每一段区域的误差将在后续运动中补偿，在通过查表法对每一区域的关键点进行差值补偿，并通过S型曲线加减速算法对轨道车行进路线进行补偿，以保证轨道车行走机构的流畅性，以保障轨道车运行轨迹流畅性。
此处，对上述方案当中的技术术语进行说明：
①最小二乘法：通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，主要用于运动曲线拟合。
②局部建模：将实际的轨道按照特定的长度分为许多段，每一段单独建模。
③查表法：将局部建模的每一段运动模型和每一段最后一帧的位置测量数据编辑为表格，方便实时查寻。
基于上述方法，下面采用如下实施例详细描述本发明的技术方案。
黑暗骑乘轨道车1如图1-2所示，轨道车1上具有行走导向***，该行走导向***至少包括控制PLC、夹持轮13、夹紧气缸14、主动轮15、伺服电机、行走减速机、从动轮10、导向轨道11、滑触线12及其他辅助元件组成，轨道车结构属于现有结构，此处不做详细赘述。
对于上述轨道车的运动***的行走机构的建立数学模型，可以用下式表示：
Pi＝G(·)*A(xi) (公式1)
式中，Pi表示行走伺服电机的运动圈数，G(·)表示行走机构参数，xi表示既定故事线的动作文件中第i行的行走轴信息，A(xi)表示动作文件中的行走数据与实际电机的圈数换算模型。
在实际黑暗骑乘轨道车***中，行走***中控制PLC、夹持轮13、伺服电机、减速机都是标准设备，从动轮轮10、主动轮15虽然是非标设备，但是个体间周长差异不会超出±5％；行走轨道随着时间的变化，整个轨道的长度变化可以忽略，所以可以用一元一次方程模型进行分析。
但是，由于夹持行走方案和采用二维码位置信息贴带安装方案的局限性，同时考虑到产品的实际差异，所以需要增加***误差比例系数的平均值来描述轨道车行走的输入输出关系：
Figure GDA0002838960000000051
这里，Pi表示行走伺服电机的运动圈数，xi表示动作文件中行走轴的位置数据，0≤xi≥10000，Lmax表示动作文件的行走轴的实际运动范围，Lmax单位为mm，10000为实际行走系数，S表示夹持行走轮的周长，S的单位为mm，R表示行走减速机的减速比。
由于现场轨道各区域的弧度不一致，对所有体验区统一建模无法有效的体现所有区域的轨道特性，将现场轨道切分成许多等份的小块，每一段区域进行最小二乘法建模，主要步骤为：
第1步，发送命令，让轨道车匀速全场运行，通过控制PLC实时获取行走部分伺服驱动器反馈数据和二维码位置信息，并以TXT文件的方式存储；
第2步，将第1步中的TXT文件从PLC中导出；
第3步，通过等分二维码位置(比如，50cm/段)将数据分段，使用MATLAB的profit(x,y,n)函数进行每段区域的最小二乘法辨识，辨识的自变量为行走部分伺服驱动器反馈数据的差值，因变量为对应的二维码位置信息获得每段区域的运动模型；
第4步，将数据分段后以每段的起始位置值为关键字，与对应的运动模型参数建立表格，方便查寻。
由于轨道、轨道车，以及其他现场设备的不确定性因素，需要在最小二乘法局部建模的基础上加入关键点补偿，以保证每一段区域的误差将在后续运动中补偿，加入补偿后的公式为
Figure GDA0002838960000000061
式中，ω表示关键点补偿值，为动态值。
查表法差值补偿方法的步骤如下：
第1步，将最小二乘法局部建模获得的表格导入到控制PLC中，表格的关键字为每段的起始位置值，表格还包含局部运动模型参数；
第2步，轨道车按照既定动作码运动，通过光学读码器(如图3所示，为光学读码器读取位置示意图)读取到实际的二维码数据，如果大于表格中的某段的起始位置值，小于等于下一段的起始值，则使用本段的运动模型参数；
第3步，轨道车运动过程中，实时观察实际效果，待效果稳定后，记录与每一段起始位置对应的动作码数据；
第4步，控制PLC中的表格中加入每一段起始位置对应的动作码序号和行走部分的位置数据，完成填表；
第5步，轨道车运动过程中，到达每一段起始位置，计算实际动作码序号和表格中的序号是否一致，否则计算既定位置与实际位置数据的差值；
第6步，在一个新的位置段中，将之前的位置差值使用S型曲线加减速算法进行分解，然后以载波的形式叠加到后续运动数据中，保证运动轨迹的同步性。进一步的，轨道车关键点的二维码位置信息通过读取光学读码器读取。
其中，S型曲线加减速算法的实现方法为：
第1步，使用S型曲线加减速算法，公式如下：
Y＝A+B/(1+e-ax+b) (公式4)
式中，A、B、a、b分别为常量，X、Y表示X轴和Y轴方向上的平移和拉升；
第2步，实际使用中，假定配置的系数为固定值，将Xi帧对应的数据Yi全部保存到PLC中；
第3步，运动开始后，检测到某一段起始位置有位置差值，就叠加Yi、Yi+1、Yi+ 2..Yi+n,直到叠加的值大于等于误差值；
第4步，如果后续的某一段起始位置有位置差值，就继续叠加Yi+n+1..
第5步，如果一个循环结束，再次叠加Y1、Y2..
需要补充说明的是，除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何用途或者适应性变化，这些用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求书指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围的前提下进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (5)

1.基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法，其特征在于，至少包括：
Step1：获取轨道车运动***的行走机构参数，并对轨道车行走机构建立数学模型；
Step2：将轨道车行进轨道划分为若干区域，在Step1建立的数学模型的基础上，对每一区域的轨道车行进轨道通过最小二乘法进行局部建模；
在该步骤中，轨道车运行轨道的位置信息通过二维码的形式标定并读取，轨道车运行轨道的划分以等分二维码位置的形式划分，通过最小二乘法对划分的每一段二维码位置进行建模；利用最小二乘法局部建模的实现步骤至少包括：
Step20：发送指定控制轨道车匀速全场运行，通过控制PLC实时获取轨道车行走部分伺服驱动器的反馈数据和二维码位置信息，并以TXT文件的方式存储；
Step21：将Step20中存储的TXT文件从控制PLC中导出；
Step22：通过等分二维码位置将数据分段，对每段区域进行最小二乘法辨识，最小二乘法辨识的自变量为行走部分伺服驱动器反馈数据的差值，因变量为对应的二维码位置信息获得每段区域的运动模型；
Step23：将数据分段后，以每段的起始位置值作为关键字，与对应的运动模型参数建立表格，以方便查寻；
Step3：在Step2最小二乘法局部建模的基础上，通过查表法对每一区域的关键点进行差值补偿，并通过S型曲线加减速算法对轨道车行进路线进行补偿，以保证轨道车行走机构的流畅性，以保障轨道车运行轨迹流畅性；
该步骤中的补偿方法至少包括如下步骤：
Step30：将Step2中最小二乘法局部建模获得的表格导入到控制PLC中，表格的关键字为每段的起始位置值，表格包含有局部建模的模型参数；
Step31：轨道车按照既定动作码运动，并读取实际的二维码数据，如果大于表格中的某段区域的起始位置值，小于等于下一段区域的起始值，则使用本段区域的运动模型参数；
Step32：轨道车运动过程中，实时观察实际效果，待效果稳定后，记录与每一段区域起始位置对应的动作码数据；
Step33：控制PLC的表格中加入记录的每一段起始位置对应的动作码序号和行走部分的位置数据，完成填表；
Step34：轨道车运动过程中，到达每一段起始位置，计算实际动作码序号和表格中的序号是否一致，否则计算既定位置与实际位置数据的差值；
Step35：在一个新的位置段中，将之前的位置差值使用S型曲线加减速算法进行分解，然后以载波的形式叠加到后续运动数据中，保证运动轨迹的同步性。
2.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于，在Step1中，轨道车运动***的行走机构至少包括控制PLC、伺服驱动器、伺服电机、行走减速机、夹持行走轮、导向轨道及辅助元件。
3.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于，轨道车关键点的二维码位置信息通过读取光学读码器读取。
4.如权利要求3所述的同步方法，其特征在于，在Step35中，S型曲线加减速算法的实现方法为：
Step350：使用S型曲线加减速算法，公式如下：
Y＝A+B/(1+e-ax+b)
式中，A、B、a、b分别为常量，表示X轴、Y轴方向上的平移和拉升；
Step351：实际使用中，假定配置的系数为固定值，将Xi帧对应的数据Yi全部保存到控制PLC中；
Step352：运动开始后，检测到某一段区域起始位置有位置差值，叠加Yi、Yi+1、Yi+2..Yi+n,直到叠加的值大于等于误差值；
Step353：如果后续的某一段区域起始位置有位置差值，则继续叠加Yi+n+1..
Step354：如果一个循环结束，再次叠加Y1、Y2..。
5.一种计算机可读存储介质，其中存储有程序，其特征在于，该程序被执行时可执行前述任一项权利要求1-4所述的基于局部建模的多轴联动轨道车运动轨迹的同步方法。
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