[發明專利]一種演員燈光實時自動跟蹤系統和方法

有效

• 申請號: 201610157852.0
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN105700565B
• 公開（公告）日: 2018-08-07
• 發明（設計）人: 樊炳輝;賈朝川;王傳江;柏山清;韓云飛;曲彩梅;王昌
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;H05B37/02
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 段毅凡

1.一種演員燈光實時自動跟蹤系統，其特征在于，它包含云臺運動模塊、舞臺燈光設備、移動目標定位模塊、電機驅動模塊、遙控器模塊、控制器模塊和無線通訊模塊；其中：

所述的云臺運動模塊可設有多套，每套云臺運動模塊結構是：在其云臺基座上安裝有俯仰旋轉驅動電機，俯仰旋轉云臺架，水平旋轉驅動電機，水平旋轉云臺架，通過俯仰旋轉驅動電機和水平旋轉驅動電機的驅動，可分別實現俯仰旋轉云臺架和水平旋轉云臺架的轉動；

所述的舞臺燈光設備安裝在各自云臺運動模塊的俯仰旋轉云臺架上，通過驅動云臺運動模塊中的俯仰旋轉驅動電機和水平旋轉驅動電機的轉動，分別帶動俯仰旋轉云臺架和水平旋轉云臺架轉動，從而調整舞臺燈光設備的燈光指向；

所述的移動目標定位模塊，采用無線定位系統來實現，通過定位系統可實現對多目標3D或2D定位的需求，通過為不同的移動目標佩戴不同的微標簽，可實現對各個目標的實時定位，從而獲得舞臺上任意多個演員的三維坐標定位信息；

所述的電機驅動模塊，分別安裝在各自對應的云臺運動模塊上，通過輸出電機的控制信號實現對各自云臺運動模塊中俯仰旋轉驅動電機和水平旋轉驅動電機的轉動控制；

所述的遙控器模塊，一方面，可以任意選擇一套或多套云臺運動模塊編號,使其受控，同時，對所有受控云臺運動模塊設置對應的跟蹤目標演員的微標簽編號，設置時，既可以不同云臺運動模塊對應不同的微標簽編號，也可以多套云臺運動模塊對應同一微標簽編號；另一方面遙控器模塊可以對任意的云臺運動模塊上的舞臺燈光設備發送一些關于啟停、運動速度、燈光強弱和色彩選項的輔助控制指令；

所述的控制器模塊，一方面接受遙控器模塊發送的云臺運動模塊編號及其對應跟蹤的目標演員微標簽編號或相應的輔助控制指令；另一方面，依據從移動目標定位模塊傳來的所有演員的定位信息，以及目標演員微標簽編號與云臺運動模塊編號的對應關系，獲得目標演員微標簽編號所對應的定位信息，控制器模塊利用這些定位信息，通過微處理器對所有需要跟蹤的目標演員對應的云臺運動模塊關節空間進行逆解計算，并將所得出的每個云臺運動模塊中俯仰旋轉驅動電機和水平旋轉驅動電機應轉動的角度信息，經各自的電機驅動模塊向各自的俯仰旋轉驅動電機和水平旋轉驅動電機發送相應的運動指令，以實現每個云臺運動模塊上舞臺燈光設備對自己對應跟蹤的目標演員進行自動跟蹤；

所述的無線通訊模塊，采用無線通訊技術建立控制器模塊和遙控器模塊之間的聯系，對兩者起到橋梁作用。

2.一種利用權利要求1所述的演員燈光實時自動跟蹤系統對舞臺演員進行實時跟蹤的方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一、通過移動目標定位模塊，對舞臺上各個佩戴微標簽的演員進行實時定位，并實時將各個佩戴微標簽的演員的定位信息發送給控制器模塊；

步驟二、通過遙控器模塊設置受控的所有云臺運動模塊編號及其對應的跟蹤演員微標簽編號和相關的輔助控制指令，并將其發送至控制器模塊；

步驟三、控制器模塊對接受到的遙控器模塊發送的信息進行解析，獲得目標演員微標簽編號與云臺運動模塊編號的對應關系以及相關的輔助控制指令；

步驟四、控制器模塊一方面依據從移動目標定位模塊傳來的所有演員的定位信息，以及目標演員微標簽編號與云臺運動模塊編號的對應關系，獲得目標演員微標簽編號所對應的定位信息，利用這些定位信息，通過微處理器對所有需要跟蹤的目標演員對應的云臺運動模塊關節空間進行逆解計算，并將所得出的每個云臺運動模塊中俯仰旋轉驅動電機和水平旋轉驅動電機應轉動的角度信息，經各自的電機驅動模塊向各自的俯仰旋轉驅動電機和水平旋轉驅動電機發送相應的運動指令，以實現每個云臺運動模塊上舞臺燈設備對自己對應跟蹤的目標演員進行自動跟蹤；另一方面執行遙控器模塊發送的輔助控制指令；

上述每個云臺運動模塊關節空間的逆解的計算方法包含如下步驟:

步驟4.1、在舞臺平面正中前方某處建立O₀-X₀Y₀Z₀坐標系，簡稱O₀坐標系；O₀坐標系的X₀軸的正方向指向舞臺方向，Z₀軸的正方向指向天花板方向，Y₀軸由通常的右手系法則來確定，即為舞臺演員位置定位信息的基礎坐標系；佩戴微標簽的各個演員相對于O₀坐標系的定位信息可通過移動目標定位模塊來獲得，設定微標簽某一編號的演員相對于O₀坐標系的三維定位信息可用矢量表示為⁰P_i＝[⁰x_i⁰y_i⁰z_i 1]^T，其中i表示目標演員的微標簽編號，i＝1,2,3........n；

步驟4.2、在O₀坐標系沿Y₀軸方向上某一位置正上方，分別建立云臺運動模塊上的O₀’-X₀’Y₀’Z₀’坐標系，O₁’-X₁’Y₁’Z₁’坐標系，O₂’-X₂’Y₂’Z₂’坐標系和O₃’-X₃’Y₃’Z₃’坐標系，分別簡稱為O₀’、O₁’、O₂’、O₃’坐標系，其中：

O₀’坐標系原點建在云臺運動模塊的水平旋轉關節的上底端中心平面上，為云臺運動模塊的基礎坐標系；

O₁’坐標系原點建在云臺運動模塊的水平旋轉關節軸線的正下方，固定在水平旋轉云臺架上，且原點正好在云臺運動模塊的水平旋轉關節軸線與俯仰運動關節軸線交叉點上，O₁’坐標系跟隨著水平旋轉云臺架的轉動而轉動，其轉角用α₁表示；

O₂’坐標系原點固定在俯仰旋轉云臺架上，且與O₁’坐標系原點重合，O₂’坐標系不僅跟隨著水平旋轉云臺架的水平轉動而轉動，還跟隨著俯仰旋轉云臺架的俯仰轉動而轉動，其隨著俯仰旋轉云臺架俯仰轉動的轉角用α₂表示；

O₃’坐標系原點建在O₂’坐標系的Z’₂軸反方向某位置上，與舞臺燈光設備中軸線固定在一起，且舞臺燈光設備燈光束的方向與X₃’軸的方向一致，O₃’和O₂’一樣，可隨著水平旋轉云臺架和俯仰旋轉云臺架的轉動而做兩個方向的轉動，O₃’坐標系與O₂’坐標系保持平動關系，用來表示舞臺燈光設備燈光束所指向的目標在O₃’坐標系中的矢量描述；

步驟4.3、確定云臺上俯仰旋轉驅動電機轉角α₂，水平旋轉驅動電機轉角α₁以及演員與O₃’坐標系原點之間的距離³x_i

將O₀’坐標系相對于O₀坐標系的平動關系用T₀描述；將O₁’坐標系相對于O₀’坐標系的水平旋轉關系用T₁描述，將O₂’坐標系相對于O₁’坐標系的俯仰旋轉關系用T₂表述，將O₃’坐標系相對于O₂’坐標系的平動關系用T₃描述，將舞臺燈光束所指向微標簽編號為i的目標演員在O₃’坐標系中的矢量表示為³P_i＝[³x_i 0 0 1]^T，則可通過坐標系變換法將³P_i轉換成相對于O₀坐標系中的矢量表示，記為⁰S_i，由于舞臺燈光束所指向的演員和移動目標定位模塊定位的演員是同一個目標，所以必有⁰S_i＝⁰P_i，則有：

⁰P_i＝⁰S_i＝T₀·T₁·T₂·T₃·³P_i (1)

而且根據前述描述可得如下系列矩陣：

其中：⁰P_i為由移動目標定位模塊檢測到的舞臺上微標簽編號為i的演員相對于O₀坐標系的定位信息，為已知量；Ry₀為O₀’坐標系沿O₀坐標系y₀軸方向的平移量，為已知量；Rz₀為O₀’坐標系相對于O₀坐標系的高度，為已知量；Rz₁為O₁’坐標系沿O₀’坐標系的Z₀’軸反方向的平移量，為已知量；Rz₃為O₃’坐標系沿O₂’坐標系的Z₂’軸反方向的平移量，為已知量；

α₁為水平旋轉驅動電機的轉角，從Z₀’軸方向看，逆時針為正，順時針為負；是需求解量；

α₂為俯仰旋轉驅動電機的轉角，從Y₁’軸方向看，下俯為正，上仰為負，是需求解量；

³x_i為演員與O₃’坐標系原點之間的距離，是需求解量

通過前述各公式及已知條件推導獲得：

其中：A＝⁰z_i-Rz₀-Rz₁,B＝⁰x_i·cos(α₁)+(⁰y_i-Ry₀)·sin(α₁)

上述公式(3)求解α₁、α₂、³x_i的過程即為對云臺關節空間逆解模型的計算過程，即通過目標演員在O₀坐標系中的定位信息，來推導出云臺上俯仰旋轉驅動電機轉角α₂，水平旋轉驅動電機轉角α₁以及演員與O₃’坐標系原點之間的距離³x_i，確定如何調整舞臺燈光束對準目標演員的過程。