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动作捕捉系统技术在拖曳水池中的应用?-上海逢友信息科技

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2020-10-27 10:20

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船模追踪是船舶操纵试验的重要组成部分，而动作捕捉技术已成为在大型操纵性试验水池中对自由航行船模进行追踪的常用方法。

英国南安普顿大学（University of Southampton）的Boldrewood拖曳水池是一个高标准的室内拖曳水池，结合了传统的成熟系统和最新技术，将进行一系列前沿试验。

设备安装方案

由于这个大型水池既需要进行试验又要用于教学，所以南安普顿大学为新的Boldrewood拖曳水池购置了两套Qualisys动作捕捉系统：一套用于陆上测试，一套用于水下测试，两套系统还可以混合使用。

Qualisys的动作捕捉系统用途广泛，该大学利用该系统开发了新的实验方法，应用于教育、科研和商业项目等领域。本系统安装灵活，可根据具体项目进行配置，从而能采集动态船模在水上、水中，以及交界处的数据。

动作捕捉系统

(1)6个 Qualisys 水下摄像机

(2)4个 Qualisys 5+ 摄像机

(3)4个 Qualisus 5+ 广角摄像机

陆上系统包括4个广角摄像机（70°）、4个窄角摄像机（49°），这套运动捕捉系统可以根据测试目的进行不同的安装配置。经过测试，以下三种安装方案可以满足Boldrewood拖曳水池中大多数工作需求。

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方案A

大型或快速船模的航行实验中，需要覆盖水池中尽可能长的捕捉范围。将广角摄像机放在水池边上2.5m高的位置，窄角摄像机放于水池围栏上。这样整个捕捉范围长度可达8-10m，足够采集海上快速船模的数据。

方案 B

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第二种方案用于水池中较小、较慢的自由运行船模或者系泊船模的静态试验。这类试验只需要覆盖较小的捕捉范围。所以，只需要使用4个广角摄像机即可满足测试需求：2个安装在水池边，2个安装在拖车上。

方案 C

最后一种方案用于船模和拖车测功仪相连时，由于船模相对于拖车是相对静止的，所以所需覆盖范围很小。使用4个广角摄像机就能获取很好的效果，但是要注意月池中的障碍物（各种横梁、平台等）。

Qualisys动作捕捉系统不仅能提供动作数据用以分析，也可以用于控制算法中的实时输入。该系统实时计算刚体的6自由度（6DOF）数据，这可以通过Qualisys的SDK进行操作，也可以转换成NMEA兼容格式。获得的数据通过WiFi转发到计算机模型上。根据实验结果，使用适当的算法在计算机模型上处理数据。

体育工程

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一直以来，运动捕捉系统广泛应用于运动人体科学的研究中。近来，Boldrewood拖曳水池也将这个技术用于水上运动的体育工程相关研究中。

第一个项目是，测量皮艇的性能。将船体和桨柄分别定义为刚体，使用动作捕捉系统测量它们各自的运动。从而，根据不同的划频和波浪情况来确定划桨动作与皮艇速度、加速之间的关系。

第二个项目是，评估划艇桨的流体力学性能。此项目中，划艇与水池边相连。利用陆上系统和水下系统共同追踪桨轴在空中、桨叶在水中进出的动作。虽然水面有干扰（主要是气泡），仍然能评估桨的动作和变形。这些测量数据以及桨叶和船的交叉处、船和水池边连接处的力数据被用于桨叶划船性能的详细分析。

第三个项目是，同时使用陆上和水下系统，用于捕捉游泳池中自由泳运动员身体和手臂的运动学数据：采集一个划水周期中手臂的速度和方向的数据。

配备室内定位系统的自主水面航行器

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自主水面航行器（Autonomous Surface Vehicle,ASV）“SMARTY”是南安普顿大学用于演示的3DOF水面航行器。它配备了4个无刷直流电动机作为推动器。电动机在XY平面旋转45°以提供推力矢量。ASV自带一台基于Linux的计算机、WiFi和蓝牙连接、陀螺仪和加速度传感器和一个摄像机，它可以通过远程控制器，也可以通过主机从动作捕捉系统获取信息以自主模式运行。

远程模式所需的推力由远程控制器（通过蓝牙与ASV的计算机相连）输入。远程控制器提供刚体坐标系中的归一化推力参考信息，这会转换为电动机驱动器的脉宽调制基准。在自主运行时，该平台使用QTM的实时反馈作为定位系统，沿着预定义停靠点移动。由两个根据经验调谐的比例微分控制器同时控制ASV的航向和姿态。

后续将在各种风浪状态下进行船舶动态定位实验。目前正在建造船尾和船首都安装推进器的双轴模型，将用于开发动态定位算法。

研究计划

Boldrewood拖曳水池的动作捕捉系统为未来工作创造了许多可能性。

Boldrewood拖曳水池的一项关于自由航行艇的实验发现，可以使用贴有反光标记点的小型泡沫漂浮物作为波浪探头（ wave probes）。安装在拖曳水池中的造波器能够在水槽内产生斜波，在生成这类波时，可以使用多个小型漂浮物作为波浪探头生成水池的三维波形。使用足够小的模型（由于水池中的6m可用宽度有限），可以进行自航操纵实验，比如z形操纵试验。

还计划对Qualisys系统提供的6DOF精度进行研究，并将其与机载惯性测量单元进行比较。理想情况下，这将在安装拖车驱动系统后开展，这样在整个水池中自航船模就能被追踪，从而采集足够的数据。

在工业和研究领域，动作捕捉系统易于安装，可作为各种问题的解决方案。动作捕捉系统在Boldrewood 拖曳水池中，被学生、研究人员和工程师广泛使用。该团队将充分探索Qualisys系统的性能、优点、缺点，并开展更多利用其进行测试的项目。

“Qualisys的动作捕捉系统用途广泛，我们利用该系统开发了新的实验方法，应用于教育、科研和商业项目等领域。”

Bertrand Malas

南安普顿大学拖曳水池负责人