水下动作捕捉的两种实现方式

Posted 2021-08-05 您家豆子

水下光学三维动作捕捉系统能够在大空间水面及水下对船模、仿生机器鱼等目标物进行精确运动追踪和位姿数据采集、建立目标位置及角度数据的实时反馈等，并通过SDK将数据输出至其他软件（MATLAB、C++等）进行二次开发和应用。

对目标物体进行三维空间定位时，根据捕捉物类型，场地尺寸等不同环境条件，可选择采用水上动作捕捉或水下动作捕捉两种不同解决方案。

1水上光学动作捕捉系统解决方案

目标物在浅水区运行，以及部分或整体浮于水上时，可将反光标志点直接置于水面以上，或采用Rig支撑方式，将标志点伸出，利用布置在水池上方的的动作捕捉镜头对反光标志点进行定位，进而得到目标物的三维空间坐标。

应用场景举例如下。

1.1水下悬浮隧道形变测量

水下悬浮隧道是建设悬浮于水中的一种大型跨海交通构筑物，主要解决的是人类未来实现深水、宽水域跨越问题，其首要关注点是安全性，要在波浪潮流复杂的动力载荷，以及潜艇撞击、沉船等异常荷载作用下，保持结构的稳定性，利用动作捕捉系统获取高精度测量隧道运动变形，为其对不同外界环境稳定性研究获取研究数据。

1.2船舶制造

在不同的波浪，潮流和风力条件下跟踪船舶运动是流体动力学实验室或船舶制造过程中的基础研究。通过研究船舶比例模型（船模）在摇曳水池中的运动，测试船模在各种条件下的运动特征（例如不同波型、波速、风速），可以预测船舶实际性能信息，提供性能优化样本，在船舶制造工程中缩短研发周期，降低研发成本。

1.3浮力筒自由涡激运动现象研究

作为一种典型的水下结构，浮力筒是深水油气开发系统中重要的组成部分，是多种立管形式的关键结构，当海水对浮力筒产生作用力，引起浮力筒的六自由度运动，这称为“涡激运动”，当尾涡脱落频率接近固有运动频率，发生“锁定现象”，致使浮力筒运动幅值增加，进而对浮力筒造成破坏。

针对这一现象进行研究，在拖曳水池进行模型拖曳试验，可以利用动作捕捉系统测量不同水流速度下浮力筒的六自由度运动，分析浮力筒顺流向运动、横向运动和艏摇运动的时间-位移曲线、运动轨迹、频率、幅值ST数及阻力变化等特性。

2水下光学动作捕捉系统解决方案

水下场景空间大，目标物运动轨迹复杂等情况下，通常使用Mars4H UW水下镜头动作捕捉系统定制解决方案。

应用场景举例如下。

2.1水下仿生机器人研究算法验证

由于蛇形机器人具有多关节、超冗余自由度的特点，以及水环境高度复杂非线性化的物理特性，通过常规途径在试验中观察机器人的运动，获取运动的参数以及通过实验来优化机器人的控制策略有一定的难度。采用三维运动捕捉系统可以精确地捕捉水下蛇形机器人运动及关节姿态，与关节传感器数据转换得到的关节姿态对比，验证传感器数据融合及姿态估计算法的准确性。

2.2水下航行器编队

在水下机器人/无人机编队观测中，获取同一时刻不同空间点的环境数据可极大提高海洋环境模型的精度。水下编队系统研究的关键是机群内个体的协调与协作，协同控制主要体现在对多个水下机器人/无人机进行整体编队和轨迹规划，要求其按照设定的编队模式和轨迹完成海洋任务，而协作控制需要高精度的导航定位系统，以获取自身及其他航行器的位置信息。在进行实验室环境下模型试验时，NOKOV度量动作捕捉系统可以作为水下定位系统，提供多刚体亚毫米级精度三维空间信息，用于编队运动规划研究。

2.3围网捕鱼效果评估

水下围网由围网绳和围网组成，其捕捞效果取决于围网绳保持鱼网中的移动路径，通过改变绳索的物理特性、布局模式和牵引速度，利用水下光学动作捕捉镜头系统分别捕捉绳索捕捉区域的位置数据变化，水池的实验结果可以与有限元仿真模型获得的数据进行比较。