近年来，随着演艺行业的飞速发展，尤其是大型旅游演艺秀场、杂技场等演出的大力推广，为3D四轴数控飞行系统的表演（也称3D威亚）创造了新的发展空间。3D四轴数控飞行装置用于吊挂演员或舞美装置，在3D演出空间作任意曲线的飞行表演是当下演艺界所追求的全新的表现方式。导演的创意往往要求飞行曲线是随心所欲的艺术创造，因此，手绘3D空间运行轨迹已经在多轴数控飞行表演系统中得以实现，新的创意理念及其实现必将大大推动该技术在演艺行业的广泛应用和长足发展。
手绘3D空间运行轨迹的方法，可使导演或操作人员在触摸屏上随心所欲地用手指或触摸笔徒手绘制3D空间运行轨迹成为可能。在平面上手绘空间运行轨迹，以及在3D坐标实时显示空间轨迹曲线，极大地满足了导演的艺术创意，可以实时直观地看到手绘的轨迹曲线在空间的显示效果，并可通过离线仿真和在线运行方式快速检验手绘空间曲线的实际表演效果。
1系统概述3D四轴数控飞行表演系统，是通过4台数控卷扬机分别设在表演区的4个角区，4个角区分别设置4个高空吊点，吊点采用水平随动式滑轮，滑轮会随绳索的偏移作水平转动，4台卷扬机的4根绳索（钢丝绳或其他非金属绳索）通过4个活动高空吊点滑轮结成1个吊点，表演区上空没有任何钢丝绳导轨。
4个卷扬机的下绳点位置可以是任意四边形，不受位置限制。在使用时，只要准确提供4个吊点位置相对于某一原点的三维坐标即可，但该原点一定要设置在下绳点形成的四边形里，也就是中心吊点能够到达的区域。4台卷扬机通过实时控制完成吊点在三维空间的运动，由控制算法的实时计算确保4根绳索在吊点任何位置上的松紧一致。吊点的运动轨迹由软件控制吊点实现，运行曲线由软件编制，软件可存储及调用。
3D四轴数控飞行表演系统具有以下主要特点：
1.1表演区上空不设空中导轨表演区上空各种设备交织，空间位置极其紧张。该系统的卷扬机及上空活动吊点均位于表演区两侧，不再占用纷乱的上空空间；
1.2采用V形吊点结构三维系统采用双V形吊点结构，吊点在三维空间运行中具有很高的稳定性。
1.3采用伺服系统驱动伺服系统（servomechanism）可使物体的位置、方位、状态等输出被控量随输入目标（或给定值）的变化进行自动控制，其主要任务是按照控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。伺服系统经历了从最早的液压、气动到如今的电气化的发展历程，由伺服电机、反馈装置与控制器组成的伺服系统已经走过了近50个年头。
如今，随着技术的不断成熟，交流伺服电机技术凭借其优异的性价比，逐渐取代直流电机，成为伺服系统的主导执行电机。伺服系统的发展趋势即高精度、高速度、大功率，具有运行平稳、精确、可靠，系统反映速度快等优异的动静态特性，其性能在各种驱动系统中具有领先的地位。
1.4采用多轴数控技术数控技术简称数控（NumericalControl），即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，对其他一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。数控系统分为单轴和多轴数控系统，本系统中采用四轴数控系统。数控系统在该系统中通过应用软件完成多轴之间的协调运行，实时控制其多台伺服驱动系统运行的速度、位置、转矩等参数的快速响应，达到在三维空间的作各种曲线的飞行表演的运行。
1.5手绘的空间运行曲线手绘是指用手指徒手在触摸屏上绘制空间运行轨迹的一种新型的设置方式，通过手绘的方式可以实现运行曲线的多样化、任意化、简单化和快速化。
2系统构成3D四轴数控飞行表演系统一般由机械部分和控制部分组成。机械部分主要由4套自排绳式卷扬机及绳索吊点装置组成。自排绳式卷扬机的主动排绳机构选用单点吊机常用摇臂式排绳，通过电机减速机的转动将带动索绳从卷筒的一端移向另一端，由于绳索经过可灵活摆动的摆臂，使其在卷筒上排绳时始终沿着卷筒切线与卷筒成90°角，达到主动排绳的目的。控制部分主要由伺服驱动系统、四轴数控系统、智能操控系统以及系统软件等部分组成。
三维运动控制系统由四轴控制器和4套伺服驱动器组成。4套伺服驱动器分别驱动4台伺服电机，4台伺服电机上均装有绝对值光电编码器和制动器。编码器检测伺服电机的转速和吊点移动的位置。吊点位置由控制器根据数学模型实时计算出4台电机的实时运行的速度和位置。相互配合使吊点在垂直有效的平面内作任意曲线的运行。吊点速度、位置由主控制台编程控制。系统操控手段决定使用的完美与可靠，系统中不仅具有手动三维任意操控功能，更具有智能化的屏幕运行轨迹软件包的编辑、存储、调用功能及编场（CUE）功能，适宜不同的演出表演的需要。
3控制算法3D四轴数控飞行表演系统的四轴控制，最终是控制4台卷扬机的实时绳长和实时速度。假设4台卷扬机滑轮吊点分别为A、B、C、D，其滑轮吊点的3维坐标分别为A（x、y、z）、B（x、y、z）、C（x、y、z）、D（x、y、z），运动吊点M(x、y、z)运动位置见图2，图中A（x、y、z）、B（x、y、z）、C（x、y、z）、D（x、y、z）分别表示A、B、C、D点（滑轮）的原始物理位置。对应滑轮吊点A、B、C、D的卷扬机计算绳长（单位：mm）分别为La、Lb、Lc、Ld，由（公式1）、（公式2）求得，式中，La（m）、Lb（m）、Lc（m）、Ld（m）分别表示A、B、C、D各吊点的绳长控制量（单位：mm）。
对应滑轮吊点A、B、C、D的卷扬机计算速度（m/s）分别为Ua、Ub、Uc、Ud，由（公式3）求得，式中，Ua、Ub、Uc、Ud分别表示A、B、C、D卷扬机速度（单位：m/s）。
吊点速度U（单位：m/s）由（公式4）求得，式中：t表示采样时间t越小，控制运行曲线精度越高；L表示采样周期间隔的两点之间的距离，L的大小决定舜时速度。速度U受伺服电机最高转速的限制。
4台卷扬机滑轮吊点A、B、C、D在（x、y）坐标位置是四边形。在实际应用中，受空间位置的限制很难做到理想的矩形，运动吊点在四边形之内作水平面运行。滑轮吊点的高度也不可能要求一致，但最低的高度限制了运动吊点的上升高度。由于受拉力角度的限制，上升高度还要留有一定的裕量。滑轮吊点安装确定后，吊点相对于原点的坐标必须测量准确。
节选自《演艺科技》年第4期刘长荣，张红强《手绘空间运行轨迹的3D四轴数控飞行表演系统及其应用》。更多详细内容请参阅《演艺科技》。
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