二维“飞猫”控制系统研究

孙立新，陈 帮，孙志龙，高菲菲

SUN Li-xin,CHEN Bang,SUN Zhi-long,GAO Fei-fei

（河北工业大学 机械工程学院，天津 300131）

0 引言

“飞猫”又叫索道摄像承载系统，它承载着摄像机，将拍摄到的画面，由微波或者光纤信号传送到地面转播车，实现对于平台和摄像机的远程遥控和画面监看，对摄像机对焦、光圈、快门进行遥控，平稳的索道使得画面不会有震颤[1]。按照维数，“飞猫”可以分为二维“飞猫”和三维“飞猫”，其在超低空拍摄领域应用特别广泛。在北京奥运会期间，利用二维“飞猫”跨越鸟巢，带来不同的视觉盛宴；在世界杯赛事，采用三维“飞猫”跟踪球员运动，让球迷欣赏比赛的同时帮助裁判更好的判罚[2]。

目前国内绝大多数“飞猫”被用在户外的大场所，如果把“飞猫”应用到室内演播室，将可以取代摇臂实现多台摄像机的视觉效果。本文通过可编程逻辑控制器的应用研究二维“飞猫”在室内演播室的控制系统。

1 “飞猫”结构简图及原理

本文介绍二维“飞猫”在室内演播室的应用。如图1所示为本装置的结构简图，E是横杆，长度80厘米，摄像机挂在横杆正中间，点O为横杆中点，A，B为两个定滑轮，A，B间距12米，C，D为两个滚筒，A，C间距6米，l1，l2分别为左绳长和右绳长。

每个滚筒附近都有一套驱动器、电机和减速器装置，该简图中没有画出，如图2所示为它们的实物图。图2中数字1是滚筒，2是伺服驱动器，3是伺服电机，4是减速器。本装置原理就是控制两个电机运动，从而控制两个滚筒收放绳，改变l1，l2的长度，最终实现摄像机在这个平面内运动。

图1 “飞猫”结构简图

图2 滚筒、驱动器、电机实物图

2 运动控制系统组成

本系统的控制原理图如图3所示。

图3 系统控制原理图

摇杆通过模拟量输入控制可编程控制器（PLC），触摸屏通过RS232接口与PLC通信，驱动器与PLC根据Modbus RTU协议通过RS485接口相互通信，驱动器根据伺服电机上的编码器的反馈信息控制电机[3]。

2.1 可编程控制器（PLC）

本控制系统的可编程控制器为欧姆龙PLC，编程软件CX-Programmer，型号CP1H-XA40DT-D，如图4所示。图中1为模拟量输入输出端口，2是RS232接口，3为RS485接口。

图4 欧姆龙PLC

该型号内存容量20K步，高速计数器为100KHz，4轴，24点输入，16点晶体管输出，分别有4路模拟量输入，2路模拟量输出。24V直流电源供电。

2.2 驱动器和电机

驱动器是时代超群公司的一款交流伺服驱动器，型号为DM-08EB，如图5所示。

图5 伺服电机驱动器

编码器反馈为17位绝对绝对式编码器。图5中五位LED显示和四位按键为驱动器的控制面板，通过四位按键可以更改驱动器内部寄存器的值。

CN1为通信端口，支持RS485接口和RS232接口，图6所示；CN2为控制端口，可以连接可编程控制器和PC等；CN3为编码器端口，连接编码器线。

图6 CN1通信端口

电机型号为80AEA07530-SC3，额定转速3000r/min，额定扭矩2.4N.m，额定功率是0.75KW，是时代超群公司的交流伺服电机。

2.3 摇杆和触摸屏

摇杆型号为朗弗莱SMC45-2A，采用2轴霍尔传感器，需要5V直流电源供电，模拟电压输出，图7所示，0到5V的电压对应数字0到6000，可以在平面内360°全方位摇动，放手后弹簧自动复位。

图7 模拟量输出

触摸屏型号为PWS6710T-P，24V直流电源供电，有RS485和RS232接口。

3 各设备间相互通信

3.1 PLC与驱动器之间的通信

PLC和驱动器都有一个RS485接口，可以采用Modbus RTU协议并用RS485接口进行通信[4～6]。通信前首先将PLC和驱动器的通信参数设置为相同，本系统采用波特率为115200，8个数据位，1个停止位，奇校验。PLC参数设置如图8所示。

图8 PLC通信参数设置

图9 驱动器通信参数设置

如图9所示，通过驱动器上面的按键更改Pn64～Pn67的值，Pn64=2代表用RS485接口，因为要控制两个驱动器，两个驱动器的通信站点必须要不一样，否则会出现通信瘫痪，所以Pn65设置的值要不一样。Pn66=5代表波特率是115200，Pn67=8代表8个数据位，1个停止位，奇校验。这样PLC与驱动器之间的通信参数就设置完成了，可以进行通信。下面介绍如何采用Modbus RTU协议进行RS485接口通信。

3.1.1 读取多个驱动器中寄存器

现在需要从站点号为01H的驱动器上读取起始地址为0013H开始的2个字，那么可以参考图10操作。

图10 读寄存器

欧姆龙PLC通过RXD指令读取驱动器中寄存器地址的内容，如图11所示。

图11 PLC读寄存器指令

3.1.2 写驱动器中的单个寄存器

写寄存器的方式跟读寄存器类似，只是将CMD中的03H改为06H，相应的CRC校验的数值也改下。欧姆龙PLC通过TXD指令写入驱动器中寄存器地址的内容。CRC校验可以利用欧姆龙PLC中功能块进行编写，如图12所示。

图12 CRC校验程序

这样就可以切换电机运行的速度模式和位置模式，控制电机的脉冲数和速度，停止电机运行等操作。

3.2 其他设备间通信

摇杆通过电压模拟量的输入与PLC进行通信，摇动摇杆时，X轴和Y轴的数值会在0～6000间变化，这两个数值会保存在欧姆龙PLC200和201两个寄存器。驱动器与电机连上编码器线和交流220V电源线并且共地，驱动器发送和接受信息给电机。触摸屏和PLC通过RS232接口通信[7]。

4 “飞猫”的控制

下面介绍如何控制摄像机在二维平面内的运动。如图1所示，以A点为坐标原点，AB方向为X轴，AC方向为Y轴，横杆中心点坐标O（x，y）。设点O在正中间的坐标为（x0，y0）只要控制点O的运动，相当于控制摄像机的运动。由图可以得知：

x，y的单位为厘米，l1，l2的单位为毫米，只要知道点O的坐标就能知道l1，l2的长度。

设摇杆参数在x轴和y轴的值分别为a，b，令：

当移动摇杆O0变为O1时，l1，l2分别变为l1'，l2'，l1=l1'-l1，l2=l2'-l2，令t=400ms，根据滚筒直经D=30厘米，电机与滚筒的减速比为40∶1，算出电机转速n，单位为转每分钟。

算出两个电机的转速后，就可以用PLC控制驱动器让电机有相应的速度。这三个公式可以用欧姆龙PLC功能块编写，如图13、图14所示。

图13 公式(1)、式(4)程序

图14 公式(2)、式(3)程序

所以只要摇杆摇动，横杆上的摄像机就会到达相应的位置，从而达到控制摄像机上下左右运动的目的。

要实现横杆按照轨迹自动运行，需要将手动运行过程中每隔一段时间采集两个电机的速度放到相应的地址，间隔时间越小越能反映原先的轨迹，本系统间隔时间为200毫秒，这样就可以把这条轨迹的速度记下来，当再次走这条轨迹时，只需将储存在地址里的速度值发送给电机，横杆就会按照设定的轨迹自动运行。

5 结语

本系统采用欧姆龙可编程控制器，并用Modbus RTU协议RS485接口与驱动器通信；用RS232接口与触摸屏通信；接受模拟量输入信号与摇杆通信。本文完整设计了控制系统的结构，并且实现了系统的运动控制，经过一个多月的调试，摄像机在演播室运动平滑，摇杆控制精确。整个装置容易维护，操作简单，性能良好，其最大不足在于有线控制，造成搬运不便。相比较摇臂，“飞猫”可以实现多台摄像机的视觉效果，应用前景广泛，现已取代摇臂在某个室内演播室投入使用。