本课题受相关企事业单位委托,负责研发虚拟演播室用的摄影机器人设备。本文主要研究方向为轨道式摄影机器人轨迹跟踪系统的设计与实现,及整套运动控制系统的硬件与软件设计,最终基本完成了课题要求,样机在虚拟演播室的实际使用中效果良好。(1)首先对摄影机器人轨迹跟踪系统进行了总体方案设计,提出了跟踪需求,确定了需要被跟踪的7个参数信息:X、Y、Z、Pan、Tilt、Zoom、Fcous,设计了跟踪的精度及性能指标;完成了轨迹跟踪系统各运动方向传动方案的设计,包括轨道行走、立柱升降、云台平摇俯仰及镜头伺服模块;选择了合适的机电跟踪方式,并基于这种跟踪模式设计了各轴的编码采集单元,为实现摄像机轨迹跟踪提供了数据检测的方案,满足跟踪精度要求。(2)基于传动方案及编码数据采集,应用D-H矩阵变换描述了末端摄像机光心的位姿信息,实现了摄像机的实时轨迹跟踪。针对实际场地的不同轨道排列方式,提出了一种适用于弯轨存在的通用底盘中心定位算法,为上述D-H法实现轨迹跟踪提供了XY平面的参数信息,该算法经过实验满足误差要求。(3)对摄影机器人的一系列运动控制算法展开研究。利用拉格朗日方法进行了动力学算法分析,对电机进行校核并提供了控制理论依据;针对摄影机器人行走的振动及误差问题,设计了S形速度曲线及补偿调速算法,经实验验证可以有效解决这些问题,达到误差要求;使用Viola-jones人脸检测算法为摄影机器人增加了自动追踪的新功能。(4)完成了摄影机器人控制系统的硬件搭建,分析了GUC运动控制器、云台运动控制器等主要硬件设备,详细设计了控制台模块和同步信号分离模块,为后文控制台功能实现及跟踪数据传输的软件实现提供了硬件基础。(5)完成了摄影机器人控制系统的通信及软件设计。通信模块包括控制主机与虚拟工作站、控制主机与上位机、上位机与控制台的数据或指令通信;在控制主机内完成了对GUC运动控制器及云台模块控制器的程序设计,使机器人在各种控制模式下,各个方向可以正常运动;完成了上位机终端操作软件的图形界面设计及功能实现,客户使用情况反馈良好。最终在虚拟演播室下进行实际测试,测试效果良好。