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宜之佳:当演播室引进悬吊曲线轨道机器人系统,效果如何?

文章来源:本站人气:131发表时间:2018/10/29 13:55:01

1 概述

机器人摄像机能够有效利用演播室空间,增加多维度镜头表现力,满足节目制作多样化的需求,近年来在国内外电视节目制作中得到了大量应用。

演播室轨道机器人的形态主要有两种,吊装轨道机器人和地装轨道机器人。从全景视觉角度和布局而言,吊装轨道机器人的拍摄效果会优于地装轨道机器人,它的拍摄运动范围可沿着设定轨迹运动,在特定时间和空间的双重要求下,拍摄角度更宽阔,从而可以将全景演播室设计的概念融入节目生产。同时,安装于吊装轨道机器人的摄像机拍摄重复性高,且可以精准定位,丰富了节目创作手段。

目前,国内外电视行业应用的主流轨道机器人价格高昂,一般电视台难以承受。通过多次考察和技术论证,广州市广播电视台(以下简称“广州台”)针对400 ㎡高清演播室自主研发了一套悬吊曲线轨道机器人系统,并于2017年成立了轨道机器人研发组,希望通过自身的技术力量以及珠江三角洲地区成熟的产品加工优势,使该系统既可满足拍摄要求,还能降低设备的成本。
2 悬吊曲线轨道机器人系统的功能要求

悬吊曲线轨道机器人系统装设在400 ㎡高清演播室中,设计为吊装轨道机器人,安装在距离地面6.5 m的高度。区别于常见的直线运行轨道,本次设计采用20 m长的曲线轨道,使得摄像机在拍摄过程中可以曲线行进,提供多样的拍摄角度,增加拍摄画面推进的层次感。

电视节目的拍摄对摄像机的平衡与稳定性要求很高,特别是在直播节目中,一旦出现抖动,会对播出效果产生不良影响。轨道机器人在行进过程中,会产生机械振动;摄像机镜头变换时,也会出现摆动。因此,轨道机器人的研发过程中,对于减振的处理至关重要。

为解决这个问题,设计中采用专业三轴稳定云台作为减振云台,配备加速计和陀螺仪。加速计提供实时的重力加速度方向,进而可以计算出设备姿态角度;陀螺仪提供实时旋转角度,通过积分换算成姿态角度。两者采集的数据进行融合,实时计算出设备倾斜角度,然后通过PID算法得出控制量,再传输给电机进行校正。减振云台的应用能对拍摄过程中的振动及摆动进行实时智能化修正,最终使拍摄效果稳定流畅。
3 曲线轨道设计

广州台400 ㎡高清演播室轨道机器人设计方案,要求轨道机器人运行在长度20 m的曲线轨道上,这种情况较为罕见,设计难度较高。轨道在演播室中的布局见图1。


图1 轨道布局图

技术参数如下:轨道距地面高度6.5 m;曲线轨道长度20 m;行走速度0~0.5 m/s;升降速度0~0.09 m/s;伸缩行程2 m;荷载20 kg;摄像机型号为佳能ME200S-SH摄像机,镜头焦段18 mm~80 mm。
4 系统设备组成

悬吊曲线轨道机器人系统由机械运动系统、减振系统及控制系统组成。控制系统发出指令控制机械运动系统的运动方向及运动速率,减振系统对机械运动系统产生的机械振动进行实时消减。

4.1
机械运动系统

机械运动系统包含轨道、轨道基础、行车、驱动。

4.1.1 轨道

考虑到工艺原因,初期雏形采用单轨设计,结构简单,便于轨道曲面成型。但由于行走轮跨度小,导致轨道机器人行走时摄像机有轻微横向摆动(图2)。


图2 单轨结构图

后期设计将单轨道系统改为双轨道系统(图3),较好地改善了轨道机器人横向摆动问题。


图3 双轨结构图

双轨轨道中心距为560 mm,使用标准规格Φ40 mm×3 mm的无缝钢管设计,轨道弯曲部分使用专业圆管弯曲机械加工而成,由轨道托板支撑,轨道托板通过连接板与桁架相连(图4)。


图4 轨道加工工艺图

轨道设计采用平行双轨道,要求水平高度一致,轨道表面光滑,加工精度和安装精度极高,参照火车轨道加枕木的安装方式,把轨道平行精度偏差控制在最小范围。但行车对轨道要求绝对平行,为此在一边轮系加了偏心自动微调机构修正偏差(图5)。


图5 偏心自动微调结构图

4.1.2 轨道基础

机器人在高速移动时会产生很大的动能,要求轨道基础有一定的强度及稳定性。由于灯栅层原设计无法满足承重要求,固定轨道基础成了棘手的问题,必须重新考虑吊装轨道机器人的方式。通过计算,从天花上引下5个吊点,从墙壁上引出6个三角架。桁架固定在三角架底部,每个三角架通过膨胀螺栓固定在墙壁上,桁架固定点均匀分布,三角架用75#角钢,刚性连接(图6)。


图6 轨道基础安装

桁架采用高强度铝合金管焊接而成,按目前演出市场上常用桁架的规格,中心距400 mm×400 mm设计,以便借用其工装模具,降低成本。

4.1.3 行车

行车由水平行走和升降机构两部分构成。采用伺服电机驱动闭环柔性同步带,牵引行车沿曲线轨道运行,柔性同步带可降低动力传递过程中附带的噪声、振动等缺陷(图7)。


图7 驱动原理

轨道车上安装了8个天然橡胶轮。由于天然橡胶轮既有一定的硬度,又有一定的弹性,还有一定的缓振性,可以吸收掉振动能量的20%~60%,这是其他材料所不能比拟的。天然橡胶轮里面镶嵌动摩擦系数小的精密轴承,最大限度减少能耗损失,最大程度降低机械运行中的噪声及振动。行走机构安装轴采用偏心轴设计,当矢量角发生变化时,产生的作用力反馈到偏心轴上,使行走机构产生一定角度微调,保证行走机构在弯轨处转弯顺畅。

行走安全机构包括一个电子限位和两级机械限位。电子限位采用精密多圈编码器作为传感元件,小车正常运行在电子限位限定的范围内。机械限位设置在轨道两端的固定位置,共两级限位装置,第一级限位为缓冲限位,防止机械在高速运行时因电机直接断电造成机械摆动,第二级限位为绝对保护限位,当机械运行触发第二级限位时,会切断电机电源,停止机械运行,保证运行安全。

升降机构采用三节伸缩,每段长度1 m,管与管之间通过滑块精密配合,既不会因间隙发生摆动,同时又能保证升降顺滑。提升安全机构包括电子限位和机械限位。电子限位采用精密多圈编码器作为传感元件,升降机构正常运行在电子限位限定的范围内,当触发机械限位时,会切断电机电源,保证运行安全。

4.2
减振系统

减振系统包含斜面减振机构与减振云台。

4.2.1 斜面减振机构

传统平面减振器只对单一轴向减振有效果,对二维空间减振效果差,斜面减振机构吸收了X轴和Y轴两个方向的主要振动能量,综合减振效果明显(图8)。


图8 斜面减振机构

4.2.2 减振云台

在吊轨机器人之上,采用减振云台,搭配安装摄像机,见图9。在该项目中,选取专业三轴稳定云台作为减振云台,保证绕X轴、Y轴、Z轴旋转,每个轴采用伺服电机,通过加速计及陀螺仪,计算出设备姿态角度及旋转角度,通过PID算法得出控制量,再传输给电机进行校正。在此基础上,减振云台与行车连接处加装专用橡胶减振球,加强减振效果。根据惯性分析(见图10):


图9 摄像机云台安装


图10 云台惯性分析

把机械运动加速时间设为0~5 s,这期间速度达到0.5 m/s;
机械匀加运动时:加速度



式中:H表示伸缩杆最大长度,Q表示负载的重力,m为负载的质量,g为重力加速度,取10 m/s2。

由上面的计算数据可知,摄像机的摆动量和机械运行时的加速时间大小有关。而摄像机云台抗摆动效果有一定的范围,超出云台范围则无法消除摆动。为了减少机械自身的摆动幅度,需要降低加速度,轨道机器人运行采用缓起缓停方式,将启动时间调整到最合适的范围,减少抖动。

4.3
控制系统

控制系统由控制台、驱动部分、检测部分、摄像机云台接口组成。

4.3.1 工作原理

控制系统综合应用单片机技术、网络通信技术、伺服控制技术、编码器等控制技术。

水平运动:控制台给伺服电机驱动器发送控制命令,伺服电机驱动器对接收到的控制台命令进行解释,控制伺服电机运行,伺服电机运行时驱动减速机运行,同步带随着减速机运动驱动轨道机器人水平运动。伺服电机运行时,通过自身安装的编码器,将位置变化反馈给控制台,控制台通过软件计算当前位置,实现水平方向位置控制。运行过程实时检测是否到限位位置,若到达,及时停止运行。

升降运动:控制台给伺服电机驱动器发送控制命令,伺服电机驱动器对接收到的控制台命令进行解释,控制伺服电机运行,伺服电机运行时通过减速机驱动滚筒转动,缠绕在滚筒上的钢丝绳随着滚筒运动驱动轨道机器人升降运动。伺服电机运行时,通过自身安装的编码器,将位置变化反馈给控制台,控制台通过软件计算当前位置,实现升降方向位置控制。运行过程实时检测是否到限位位置,若到达,及时停止运行。

4.3.2 主要功能

控制系统具备的主要功能有:精确定位,运行平稳;实时升降,平移控制;场景录制;场景重放;与摄像机云台相连,控制摄像机调焦、旋转、俯仰运动等。

5 减噪措施

由于轨道机器人应用于电视节目制作,为保证拍摄效果,噪声的控制极为重要。在此应用场景下,噪声来源通常有两类:机械噪声,即摄像机在轨道行进过程中固定振动产生的噪音;电磁性噪声,由电动机内的电磁振动产生的噪声。

针对机械噪声,采用减振手法,从源头上消除或减弱噪声。在轨道车上面安装橡胶轮,橡胶具有高弹性,拥有更强的阻尼系数,降低噪声效果非常理想。

本项目中驱动电机采用伺服电动机,其运行平稳,噪声小。同时又在电机上增加了隔声吸声措施,最大程度地降低噪声。
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