運動捕捉實驗平臺在實踐教學環節的開發與應用

張玲+曾慶化+李榮冰+鄭華清

摘要：導航專業系列課程具有理論性強、抽象復雜的特點，建立基于運動捕捉技術的教學開發平臺，從導航專業課程特色教學的角度出發，設計能夠反映慣性測量特有性能的實驗與實踐內容，引導學生參與運動捕捉技術中測量、跟蹤和記錄物體在三維空間中的運動軌跡的開發、實驗工作，既能體現本科教學解決復雜工程問題的教學任務，也能夠更好地培養導航領域的專業特色人才。針對此，本文設計了基于運動捕捉技術的實驗開發平臺，該平臺可以輔助對導航理論的驗證、設計和開發功能，利于將抽象的導航知識直觀化，便于學生理解和進一步深化。

關鍵詞：導航專業；特色教學；運動捕捉開發平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）41-0269-02

一、引言

運動捕捉系統是基于視覺原理的精密儀器設備，在一定的空間范圍內利用多相機重疊視野域建立抓獲空間，獲得在需要跟蹤目標上的特定光點，能夠獲得的位置信息可達毫米級精度。

早期，運動捕捉系統用于影視動畫、人體運動特征分析等領域。在四旋翼飛行器的導航控制技術研究領域中引入運動捕捉系統是一種嶄新的研究思路。將傳統的四旋翼機載傳感器用運動捕捉系統代替，在有限范圍內為飛行器控制系統精準導航，對傳統機載傳感器設備數據精度低、易干擾等缺點有了改善。運動捕捉系統對于獲取數據的載體不局限于機載設備，因此可以考慮在下位機上研究運動捕捉系統完成的控制算法，這樣高可靠性、高精度的最新的復雜控制算法可以得到應用。基于此，運動捕捉系統構建的飛行器測試平臺可以作為新的測試環境，用于驗證飛行器控制系統的性能評估和控制算法。

近年來，多所高校搭建了基于運動捕捉系統的飛行器的測試平臺，并開展了基于四旋翼飛行器的一系列研究。本文基于運動捕捉系統搭建了飛行器的測試平臺，設計了配套的地面站軟件系統，由此對四旋翼飛行器的導航控制技術展開研究。

二、實驗平臺的建設

1.總體結構。以旋翼無人飛行器為測試對象，搭建基于運動捕捉系統的多旋翼飛行器測試平臺，以實現對旋翼飛行器控制算法和性能的測試和評估。

測試平臺主要包含了三個部分：1）運動捕捉系統；2）地面站系統；3）多旋翼飛行器。

2.運動捕捉平臺的設計與搭建。運動捕捉系統通過對對象上的目標特征點的監控來完成捕獲任務。運動捕捉系統通常使用多個相機構建捕捉空間，通過Marker識別和處理，對保存的圖像序列進行分析和處理，計算在每一瞬間目標的位置，從而得到目標的運行軌跡。

運動捕捉系統的主要組成部分包括：感知設備、信號捕捉設備、數據傳輸設備、數據同步設備、數據處理設備、校準設備。

在運動捕捉平臺上配備了8個紅外高速攝像頭、2個同步集線器、多條專用線纜等。

3.實驗平臺的信息獲取。運動捕捉平臺標定后，在有效空間內構建導航坐標系，然后對飛行器進行坐標分析，建立基于導航坐標系和機體坐標系之間的關系，解算飛行器的位姿信息。

三、運動捕捉平臺的作用

1.坐標點的擇優放置。坐標點的擇優放置可以很好地減少甚至避免坐標點對精度的影響。主要是分析捕捉對象的運動特點，建立簡單的運動模型，來優化坐標點的位置和數目。

2.噪聲信號的處理。一般地，運動捕捉平臺使用多個相機對坐標進行捕獲，加上環境的干擾，極易出現捕捉信號的誤差，需要減少噪聲誤差。

3.缺失信號的修復。確定標記點的位置至少需要兩個相機，如果標記點在任意時刻被少于兩個相機跟蹤，則可能會出現信號的丟失。

4.基于視頻信號的無標記運動捕獲。利用視頻信號進行無標記點運動捕捉，所用的設備較簡易，運動捕捉更加靈活。

四、實驗平臺的創新性

1.將運動捕捉系統與無人機的導航控制技術相結合，是目前的研究熱點；

2.運動捕捉平臺提供的目標點位置信息的精度可達毫米級，速度是由位置經差分計算求得，保障了速度信息的精度。

五、總結

運動捕捉開發平臺已經在本科生科創中發揮了巨大的作用，已經為多位本科生提供了科技創新研究的平臺，并獲得了很好的成績。在后續的導航實踐課程中，希望增加更多與運動捕捉實驗開發平臺相關的教學任務，為學生提供更多、更先進的實驗教學環境，為提高學生的綜合能力，培養服務于社會的卓越工程師提供幫助。

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