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【摘 要】 针对青岛上合峰会灯光焰火艺术表演中所用到的三维威亚和飞灯系统的构成及表演形式，分析应用中控制系统 的难点及解决方案。
【关键词】 上合峰会;舞台机械;控制系统;三维威亚;飞灯系统
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.009
1 引言
2018年6月，上海合作组织青岛峰会灯光焰火艺术表演《有朋自远方》在青岛奥帆中心举行，此表演区别于传统的演出形式，将中华传统文化与现代科技相交融，以天为幕，以海为台，以城为景，将舞台搭建在大海之上，通过海上舞台多媒体球面视频、环幕投影与海岸线城市景观楼体相结合，创造性地将青岛的城市夜景融入舞台表演之中。整个舞台由半圆形的投影幕构成舞台背景，中间放置一个由LED条带构成的球体，整个舞台表面可注入几公分深的水。舞台机械装置有一套三维威亚，124路飞灯，一个中心双层升降台，两个侧升降台，一个直行车台。
整个系统表演分为五个篇章：《天涯明月》《齐风鲁韵》《国泰民安》《筑梦未来》《命运共同体》。最终演出中，《天涯明月》节目使用了双层升降台，《国泰民安》节目采用了124路飞灯，《筑梦未来》采用了三维威亚，演出效果见图1。早期节目保留的侧升降台和直行车台均由于节目的更改而未参与演出。
2 三维威亚的系统控制
2.1 三维威亚机械机构的工作状态
三维威亚主要用于《筑梦未来》的表演，通过三维威亚悬挂演员，在球体中完成太空漫步等经典动作，球体视频、环幕、楼体的空间联动效果，配合激光与灯光表演，带来震撼人心的视觉体验。为追求多个表演要素的整体配合效果，需要对演员行走的路线、速度、加速度等进行快速的修改，以满足导演的创意和需求。
三维威亚机械机构采用固定式自排绳卷扬机，水平放置于地面，通过滑轮进行钢丝绳出绳点转向，为了达到系统实时响应的要求，采用德国倍福伺服电机，电机额定功率为7.5 kW，额定转速2 000转，卷筒出绳点速度为2.6 m/s，减速机采用斜齿轮减速机。由于伺服电机只配置了单个制动，并且制动力矩偏小，在卷筒的末端配置了单独的制动器用于提升制动。
2.2 三维威亚的控制系统及难点的解决
三维威亚的系统控制采用分层设计的方式，包括操作层、管理层、执行层三层结构，如图2所示。操作层用于人机交互，编程软件采用高级语言编写，与控制器采用自定义总线进行通信。管理层主要包含控制器，用于接收計算机下发的指令并执行，从而驱动伺服电机按照设定好的位置进行位置、速度的实时调整。
演出中三维威亚有3分多钟的表演时间，演员会在空中进行左右绕行、上下绕行等运动，要求演员在行走过程中平顺，不能有卡顿的情况存在;并且现场需要针对导演的需求进行快速更改，需要对轨迹编辑进行简化，使得系统能在最短的时间快速编程。
为了实现快速编程的功能，系统分为时间编程和速度编程，如图3所示。在时间编程模式下，只需要设置经过点所需的时间即可，内部速度和加减速由速度编程后系统自动规划。在速度加速度编程模式下，只需要设置每个经过点的速度和加速度值即可，时间则由时间编程自动计算。
如图3所示，速度和加速度模式下可设置每个点的时间、延时、加速度、减速度几个值，其中速度值为每段曲线运行到该段曲线结束时的速度，下一段曲线的开始速度。前端系数和后端系数则主要用来手动调节曲线的平滑程度。在时间编程模式下，speed则表示该段曲线运行的时间长短。
系统的控制模式有手动模式、编辑模式、自动模式三种，如图4所示。其中，手动模式主要通过手柄控制设备的运行，同时可记录设备的运行轨迹并进行回放;编辑模式主要用于轨迹编辑，通过编辑速度、加速度等曲线实现设备按轨迹运行，该模式下重要的功能为轨迹分析功能，在轨迹分析模块中，可对编辑好的轨迹进行速度和加速度分析，对每段绳长和坐标进行速度和加速度分析，相当于系统编辑模式下的检测功能;自动模式下则主要用于运行编辑好的曲线和记录的轨迹。
3 124路飞灯控制系统
3.1 飞灯系统构成
124路飞灯主要用于《国泰民安》，舞动的灯具配合着大气磅礴的歌曲，描绘了一幅跨越时空的“盛世中国”画卷。飞灯系统打破了“灯位不动，只有光在运动”的限制，让电脑灯本身也运动起来，自由翱翔，实现从“光的运动”到“运动的光”这巨大的转变。
飞灯系统通过124路单点吊机进行提升，每个单点吊机安装于投影幕顶层空间，如图5所示，单点吊机采用自排绳系统，钢丝绳出绳速度较快，达到3.2 m/s，出绳点为两个，通过复式安装悬挂电脑灯托盘，电脑灯运行速度最大为1.6 m/s。
3.2 系统控制难点及解决方案
由于系统位于海边，灯的固定需要考虑风大导致的摇晃问题，系统最终采用6根钢丝绳来做固定。飞灯系统的另一个难点主要集中在电控系统，系统中分为124路子系统，为了保证各子系统的运行精度和稳定性以及编程的易用性，均需要进行针对性的设计。
系统采用了以太网总线，保证124轴的扫描周期能在1 ms内完成，同时配置了倍福冗余交换机形成环网，保证单轴断开的情况下网络也能正常运行。
对于编程而言，由于轴数量较多，并且需要控制灯具做出分段波浪、分段斜线、异形造型等各种动态造型;同时，设备需要持续动作4分钟，因此，编程工作量巨大。为了简化编程，系统引入了造型、时间序列混合编程的概念。
（1）造型功能
将一系列需要快速编程的设备作为一个造型来进行快速二次编程，如图6所示，如将选出的设备快速地呈现为直线、斜线、波浪线。在此次活动中，飞灯总共分为9个区域，其中8个区域的灯具各为14台，中间第五区为12台。在造型的编辑过程中，可将几个区进行分开编辑，即建立9个造型，针对每个造型进行单独的动作编程，也可将左边1～4区进行整体动作的快速编程，将6～9区进行整体动作的快速编程。在造型的编程中，可对延时、往返、时间、速度等参数进行设置。 如图6所示，在造型交互窗口中，有往返、延时、波浪等功能的设置。其中，往返用于两个造型间往返，即两个造型动作的重复，比如可轻松实现一个类似眼球开合的造型，或者循环飞天的造型。在往返的情况下，系统自动计算两个造型间的时间，保证造型切换同时到达。延时则可轻易完成类似间隔延时、数列延时等功能，让每个设备的启动时间可快速更改。对于波浪等常见的造型，也可快速插入。
（2）时间序列混合编程功能
该功能主要通过时间和动作序列结合的方式来实现，通过时间来完成时间点的卡位，通过动作序列来实现设备编程的连贯性。比如一个设备执行完当前动作后需要马上执行下一个动作，最好的方式是通过序列编程，而一个设备需要在某个时间点进行特殊的动作，为了和其他设备的时间点进行配合，采用时间的编程又会变得简单。
如图7所示，在场景编程中主要分为5种指令：位置、速度、延时、条件、位时。其中，位置指令主要用于以某种速度和加速度、减速度到达某个指定的位置值;速度指令用于指示设备运行多长时间，可用于设备的多段速变化过程;延时指令用于设备的短期延时;条件指令则可与其他设备的条件进行互动触发，也可与自身进行触发，比如吊机1可在吊机2的位置到达某个值后再启动该条指令;位时指令则結合了时间，用于表示场景启动多长时间后启动该条指令，涵盖了时间码的概念。
4 总结
青岛上合峰会灯光焰火艺术表演对于舞台机械提出了很高的要求，特别是机械的可靠性、灵活性要求极高，在系统稳定的大前提下要求能对系统进行快速的调整，改变机械所呈现的状态。系统圆满达到了使用要求。
参考文献：
[1] 汪选要，曹毅，黄真. 并联柔索牵引机构的运动学分析[J]. 机械设计与研究，2007，23（3）：46-48.
[2] 田文超，张小波，朱志红，等. 数控系统中多轴同步技术策略和实现[J]. 华中科技大学学报，2001，29（5）：4-6.
[3] 刘华生，童昕. 两自由度绳牵引并联机构[J]. 华侨大学学报（自然科学版），2004，25（4）：410-414.
[4] 张立勋，刘攀，王克义，等. 绳索牵引并联康复机器人的建模与控制[J]. 哈尔滨工程大学学报，2009，30（1）：81-85.
[5] 杨同辉，高峻岩，郑亚青，林麒，等.立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的位姿运动学分析[J]. 厦门大学学报（自然科学版），2006，45（6）：771-774.
[6]陈栋良. 多火炮伺服系统交叉耦合同步控制及仿真研究[A]. 大连：大连理工大学，2006.
[7]于海生. 多电机同步传动微机控制装置的研制[J]. 青岛大学学报，1999，14（1）：41-44.
[8] 汤奥斐，仇原鹰，赵泽. 索原长求解算法在索驱动并联机构运动学研究中的应用[J].中国机械工程，2008，19（5）：505-509.
【关键词】 上合峰会;舞台机械;控制系统;三维威亚;飞灯系统
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.12.009
1 引言
2018年6月，上海合作组织青岛峰会灯光焰火艺术表演《有朋自远方》在青岛奥帆中心举行，此表演区别于传统的演出形式，将中华传统文化与现代科技相交融，以天为幕，以海为台，以城为景，将舞台搭建在大海之上，通过海上舞台多媒体球面视频、环幕投影与海岸线城市景观楼体相结合，创造性地将青岛的城市夜景融入舞台表演之中。整个舞台由半圆形的投影幕构成舞台背景，中间放置一个由LED条带构成的球体，整个舞台表面可注入几公分深的水。舞台机械装置有一套三维威亚，124路飞灯，一个中心双层升降台，两个侧升降台，一个直行车台。
整个系统表演分为五个篇章：《天涯明月》《齐风鲁韵》《国泰民安》《筑梦未来》《命运共同体》。最终演出中，《天涯明月》节目使用了双层升降台，《国泰民安》节目采用了124路飞灯，《筑梦未来》采用了三维威亚，演出效果见图1。早期节目保留的侧升降台和直行车台均由于节目的更改而未参与演出。
2 三维威亚的系统控制
2.1 三维威亚机械机构的工作状态
三维威亚主要用于《筑梦未来》的表演，通过三维威亚悬挂演员，在球体中完成太空漫步等经典动作，球体视频、环幕、楼体的空间联动效果，配合激光与灯光表演，带来震撼人心的视觉体验。为追求多个表演要素的整体配合效果，需要对演员行走的路线、速度、加速度等进行快速的修改，以满足导演的创意和需求。
三维威亚机械机构采用固定式自排绳卷扬机，水平放置于地面，通过滑轮进行钢丝绳出绳点转向，为了达到系统实时响应的要求，采用德国倍福伺服电机，电机额定功率为7.5 kW，额定转速2 000转，卷筒出绳点速度为2.6 m/s，减速机采用斜齿轮减速机。由于伺服电机只配置了单个制动，并且制动力矩偏小，在卷筒的末端配置了单独的制动器用于提升制动。
2.2 三维威亚的控制系统及难点的解决
三维威亚的系统控制采用分层设计的方式，包括操作层、管理层、执行层三层结构，如图2所示。操作层用于人机交互，编程软件采用高级语言编写，与控制器采用自定义总线进行通信。管理层主要包含控制器，用于接收計算机下发的指令并执行，从而驱动伺服电机按照设定好的位置进行位置、速度的实时调整。
演出中三维威亚有3分多钟的表演时间，演员会在空中进行左右绕行、上下绕行等运动，要求演员在行走过程中平顺，不能有卡顿的情况存在;并且现场需要针对导演的需求进行快速更改，需要对轨迹编辑进行简化，使得系统能在最短的时间快速编程。
为了实现快速编程的功能，系统分为时间编程和速度编程，如图3所示。在时间编程模式下，只需要设置经过点所需的时间即可，内部速度和加减速由速度编程后系统自动规划。在速度加速度编程模式下，只需要设置每个经过点的速度和加速度值即可，时间则由时间编程自动计算。
如图3所示，速度和加速度模式下可设置每个点的时间、延时、加速度、减速度几个值，其中速度值为每段曲线运行到该段曲线结束时的速度，下一段曲线的开始速度。前端系数和后端系数则主要用来手动调节曲线的平滑程度。在时间编程模式下，speed则表示该段曲线运行的时间长短。
系统的控制模式有手动模式、编辑模式、自动模式三种，如图4所示。其中，手动模式主要通过手柄控制设备的运行，同时可记录设备的运行轨迹并进行回放;编辑模式主要用于轨迹编辑，通过编辑速度、加速度等曲线实现设备按轨迹运行，该模式下重要的功能为轨迹分析功能，在轨迹分析模块中，可对编辑好的轨迹进行速度和加速度分析，对每段绳长和坐标进行速度和加速度分析，相当于系统编辑模式下的检测功能;自动模式下则主要用于运行编辑好的曲线和记录的轨迹。
3 124路飞灯控制系统
3.1 飞灯系统构成
124路飞灯主要用于《国泰民安》，舞动的灯具配合着大气磅礴的歌曲，描绘了一幅跨越时空的“盛世中国”画卷。飞灯系统打破了“灯位不动，只有光在运动”的限制，让电脑灯本身也运动起来，自由翱翔，实现从“光的运动”到“运动的光”这巨大的转变。
飞灯系统通过124路单点吊机进行提升，每个单点吊机安装于投影幕顶层空间，如图5所示，单点吊机采用自排绳系统，钢丝绳出绳速度较快，达到3.2 m/s，出绳点为两个，通过复式安装悬挂电脑灯托盘，电脑灯运行速度最大为1.6 m/s。
3.2 系统控制难点及解决方案
由于系统位于海边，灯的固定需要考虑风大导致的摇晃问题，系统最终采用6根钢丝绳来做固定。飞灯系统的另一个难点主要集中在电控系统，系统中分为124路子系统，为了保证各子系统的运行精度和稳定性以及编程的易用性，均需要进行针对性的设计。
系统采用了以太网总线，保证124轴的扫描周期能在1 ms内完成，同时配置了倍福冗余交换机形成环网，保证单轴断开的情况下网络也能正常运行。
对于编程而言，由于轴数量较多，并且需要控制灯具做出分段波浪、分段斜线、异形造型等各种动态造型;同时，设备需要持续动作4分钟，因此，编程工作量巨大。为了简化编程，系统引入了造型、时间序列混合编程的概念。
（1）造型功能
将一系列需要快速编程的设备作为一个造型来进行快速二次编程，如图6所示，如将选出的设备快速地呈现为直线、斜线、波浪线。在此次活动中，飞灯总共分为9个区域，其中8个区域的灯具各为14台，中间第五区为12台。在造型的编辑过程中，可将几个区进行分开编辑，即建立9个造型，针对每个造型进行单独的动作编程，也可将左边1～4区进行整体动作的快速编程，将6～9区进行整体动作的快速编程。在造型的编程中，可对延时、往返、时间、速度等参数进行设置。 如图6所示，在造型交互窗口中，有往返、延时、波浪等功能的设置。其中，往返用于两个造型间往返，即两个造型动作的重复，比如可轻松实现一个类似眼球开合的造型，或者循环飞天的造型。在往返的情况下，系统自动计算两个造型间的时间，保证造型切换同时到达。延时则可轻易完成类似间隔延时、数列延时等功能，让每个设备的启动时间可快速更改。对于波浪等常见的造型，也可快速插入。
（2）时间序列混合编程功能
该功能主要通过时间和动作序列结合的方式来实现，通过时间来完成时间点的卡位，通过动作序列来实现设备编程的连贯性。比如一个设备执行完当前动作后需要马上执行下一个动作，最好的方式是通过序列编程，而一个设备需要在某个时间点进行特殊的动作，为了和其他设备的时间点进行配合，采用时间的编程又会变得简单。
如图7所示，在场景编程中主要分为5种指令：位置、速度、延时、条件、位时。其中，位置指令主要用于以某种速度和加速度、减速度到达某个指定的位置值;速度指令用于指示设备运行多长时间，可用于设备的多段速变化过程;延时指令用于设备的短期延时;条件指令则可与其他设备的条件进行互动触发，也可与自身进行触发，比如吊机1可在吊机2的位置到达某个值后再启动该条指令;位时指令则結合了时间，用于表示场景启动多长时间后启动该条指令，涵盖了时间码的概念。
4 总结
青岛上合峰会灯光焰火艺术表演对于舞台机械提出了很高的要求，特别是机械的可靠性、灵活性要求极高，在系统稳定的大前提下要求能对系统进行快速的调整，改变机械所呈现的状态。系统圆满达到了使用要求。
参考文献：
[1] 汪选要，曹毅，黄真. 并联柔索牵引机构的运动学分析[J]. 机械设计与研究，2007，23（3）：46-48.
[2] 田文超，张小波，朱志红，等. 数控系统中多轴同步技术策略和实现[J]. 华中科技大学学报，2001，29（5）：4-6.
[3] 刘华生，童昕. 两自由度绳牵引并联机构[J]. 华侨大学学报（自然科学版），2004，25（4）：410-414.
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[5] 杨同辉，高峻岩，郑亚青，林麒，等.立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的位姿运动学分析[J]. 厦门大学学报（自然科学版），2006，45（6）：771-774.
[6]陈栋良. 多火炮伺服系统交叉耦合同步控制及仿真研究[A]. 大连：大连理工大学，2006.
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[8] 汤奥斐，仇原鹰，赵泽. 索原长求解算法在索驱动并联机构运动学研究中的应用[J].中国机械工程，2008，19（5）：505-509.