运动捕捉实验平台在实践教学环节的开发与应用

张玲+曾庆化+李荣冰+郑华清

摘要：导航专业系列课程具有理论性强、抽象复杂的特点，建立基于运动捕捉技术的教学开发平台，从导航专业课程特色教学的角度出发，设计能够反映惯性测量特有性能的实验与实践内容，引导学生参与运动捕捉技术中测量、跟踪和记录物体在三维空间中的运动轨迹的开发、实验工作，既能体现本科教学解决复杂工程问题的教学任务，也能够更好地培养导航领域的专业特色人才。针对此，本文设计了基于运动捕捉技术的实验开发平台，该平台可以辅助对导航理论的验证、设计和开发功能，利于将抽象的导航知识直观化，便于学生理解和进一步深化。

关键词：导航专业；特色教学；运动捕捉开发平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）41-0269-02

一、引言

运动捕捉系统是基于视觉原理的精密仪器设备，在一定的空间范围内利用多相机重叠视野域建立抓获空间，获得在需要跟踪目标上的特定光点，能够获得的位置信息可达毫米级精度。

早期，运动捕捉系统用于影视动画、人体运动特征分析等领域。在四旋翼飞行器的导航控制技术研究领域中引入运动捕捉系统是一种崭新的研究思路。将传统的四旋翼机载传感器用运动捕捉系统代替，在有限范围内为飞行器控制系统精准导航，对传统机载传感器设备数据精度低、易干扰等缺点有了改善。运动捕捉系统对于获取数据的载体不局限于机载设备，因此可以考虑在下位机上研究运动捕捉系统完成的控制算法，这样高可靠性、高精度的最新的复杂控制算法可以得到应用。基于此，运动捕捉系统构建的飞行器测试平台可以作为新的测试环境，用于验证飞行器控制系统的性能评估和控制算法。

近年来，多所高校搭建了基于运动捕捉系统的飞行器的测试平台，并开展了基于四旋翼飞行器的一系列研究。本文基于运动捕捉系统搭建了飞行器的测试平台，设计了配套的地面站软件系统，由此对四旋翼飞行器的导航控制技术展开研究。

二、实验平台的建设

1.总体结构。以旋翼无人飞行器为测试对象，搭建基于运动捕捉系统的多旋翼飞行器测试平台，以实现对旋翼飞行器控制算法和性能的测试和评估。

测试平台主要包含了三个部分：1）运动捕捉系统；2）地面站系统；3）多旋翼飞行器。

2.运动捕捉平台的设计与搭建。运动捕捉系统通过对对象上的目标特征点的监控来完成捕获任务。运动捕捉系统通常使用多个相机构建捕捉空间，通过Marker识别和处理，对保存的图像序列进行分析和处理，计算在每一瞬间目标的位置，从而得到目标的运行轨迹。

运动捕捉系统的主要组成部分包括：感知设备、信号捕捉设备、数据传输设备、数据同步设备、数据处理设备、校准设备。

在运动捕捉平台上配备了8个红外高速摄像头、2个同步集线器、多条专用线缆等。

3.实验平台的信息获取。运动捕捉平台标定后，在有效空间内构建导航坐标系，然后对飞行器进行坐标分析，建立基于导航坐标系和机体坐标系之间的关系，解算飞行器的位姿信息。

三、运动捕捉平台的作用

1.坐标点的择优放置。坐标点的择优放置可以很好地减少甚至避免坐标点对精度的影响。主要是分析捕捉对象的运动特点，建立简单的运动模型，来优化坐标点的位置和数目。

2.噪声信号的处理。一般地，运动捕捉平台使用多个相机对坐标进行捕获，加上环境的干扰，极易出现捕捉信号的误差，需要减少噪声误差。

3.缺失信号的修复。确定标记点的位置至少需要两个相机，如果标记点在任意时刻被少于两个相机跟踪，则可能会出现信号的丢失。

4.基于视频信号的无标记运动捕獲。利用视频信号进行无标记点运动捕捉，所用的设备较简易，运动捕捉更加灵活。

四、实验平台的创新性

1.将运动捕捉系统与无人机的导航控制技术相结合，是目前的研究热点；

2.运动捕捉平台提供的目标点位置信息的精度可达毫米级，速度是由位置经差分计算求得，保障了速度信息的精度。

五、总结

运动捕捉开发平台已经在本科生科创中发挥了巨大的作用，已经为多位本科生提供了科技创新研究的平台，并获得了很好的成绩。在后续的导航实践课程中，希望增加更多与运动捕捉实验开发平台相关的教学任务，为学生提供更多、更先进的实验教学环境，为提高学生的综合能力，培养服务于社会的卓越工程师提供帮助。

参考文献：

[1]Lupashin S，Hehn M，Mueller M W，et al. A platform for aerial robotics research and demonstration：The Flying Machine Arena[J].Mechatronics，2014，24（1）：41-54.

[2]Sherback M，Purwin O，D'Andrea R.Real-time motion planning and control in the 2005 cornell robocup system[M].Robot Motion and Control.Springer London，2006.

[3]Lupashin S，Schollig A，Sherback M，et al.A simple learning strategy for high-speed quadrocopter multi-flips[C].Robotics and Automation （ICRA），2010 IEEE International Conference on.IEEE，2010：1642-1648.

[4]Muller M，Lupashin S，D'Andrea R.Quadrocopter ball juggling[C].Intelligent Robots and Systems （IROS），2011 IEEE/RSJ International Conference on.IEEE，2011：5113-5120.

[5]Lupashin S，D'Andrea R.Adaptive fast open-loop maneuvers for quadrocopters[J].Autonomous Robots，2012，33（1-2）：89-102.

[6]刘建业，曾庆化，赵伟，等.导航系统理论与应用[M].西北工业大学出版社，2010.endprint