高精度水下光学三维运动捕捉技术如何应用于船舶、海洋领域
海洋作为地球物种起源的摇篮，占据着地球表面70.8%的空间，是维护地球生物多样性的重要保障。
人类怀着“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”的决心，不断探索着海洋的奥秘，由此，一系列海洋自动化设备应运而生。
海洋自动化涉及流体动力学、自动控制、人工智能、计算机仿真、传感等多种技术的交叉与融合。
作为一种高精度的定位测量手段，运动捕捉系统已经被广泛应用于自动化机械工程领域，除了常见的无人机编队定位、机械臂末端位姿捕捉等，其应用也延伸到了海洋、船舶相关研究领域。
海洋领域运动捕捉系统特点
在海洋领域，三维运动捕捉需要具备可同时在水上水下进行大空间的物体动作捕捉关键技术，而来自瑞典的Qualisys是该领域的佼佼者。
准确定位和定向追踪
在实验期间，Qualisys光学运动捕捉系统不需要连接到船舶，镜头可通过船舶上轻量标记点追踪船舶的六自由度（6DOF）位置和方向，位置上的精度可以低至1mm，旋转角度的精度低至0.1°，根据空间大小而有所不同。
水上镜头
水上运动捕捉系统由防护级别达IP67的7+镜头组成，可选配Miqus Video镜头。IP67防护级别意味着可以将动作捕捉系统安装在水槽或水池周围。
并且，为了在大型海洋工程水池中保持高精度，Qualisys还开发出固定镜头校准程序。在使用主动发光标记点的情况下，可以保持高达200fps的帧率追踪100米以外的船舶。
水下镜头
水下系统选择方面，具有多种配置方案。7+ Underwater镜头是一款坚固的高分辨率镜头，适用于长距离测量；Miqus Underwater 镜头小巧轻便、视角广，适用于小型水池和水槽，进行短距离和中等距离的动作捕捉。
水下运动捕捉系统可用于追踪自由运转的水下航行器、拖曳水池中水下物体、缆绳、渔网和石油管道等水下物体的运动。
水上和水下系统结合
Qualisys开创性地将水上镜头和水下镜头相结合，即“双系统”设置，将两者合为一个运动捕捉系统。
视频同步
在水上和水下系统中添加同步和校准的视频镜头，通过在图像上叠加3D和6DOF数据，可以更直观地看到船舶运动，视频镜头也可以独立使用。
运动捕捉在海洋领域的应用
运动捕捉系统作为定位系统，可以获得船舶和海洋结构物模型六自由度运动学参数，用于分析其在风浪流作用下的运动响应，或作为位姿传感器，验证动力定位系统可靠性。系统通常布置在海洋深水试验池、多功能船模拖曳水池、海洋工程水池、船舶与海洋工程内波水槽、ROV试验水池、多功能深水池等实验环境中。
船模追踪
船模追踪是船舶操纵试验的重要组成部分，而运动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。
由于这个大型水池既需要进行试验又要用于教学，因此南安普顿大学为新的Boldrewood拖曳水池购置了两套Qualisys运动捕捉系统：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。陆上系统包括4个广角摄像机（70°）、4个窄角摄像机（49°），这套系统可以根据测试目的进行不同的安装配置。
Qualisys动作捕捉系统不仅能提供运动数据用以分析，也可以用于控制算法中的实时输入，系统可实时计算刚体的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，研究人员通过适当的算法在计算机模型上处理数据。
海洋研究与开发
在设计和操作船舶时，舒适性、高度规律性和安全性一直是最优先考虑的问题。挪威科技工业研究院（SINTEF）是欧洲最大的独立研究机构之一，为海洋技术公司提供研究、开发和以研究为基础的海事部门咨询服务。SINTEF还为海上石油生产和可再生能源的航运和海洋装备行业提供开发和验证技术解决方案。
该院实验场地已经拥有超过25年的测试经验，测试范围广泛，模型比例从1/40到1/150，水深从30m到1200m。其中海洋实验室配备了27个 Qualisys 7+ 摄像机，拖曳水池配备了12个 Qualisys 7+ 摄像机。
在船舶技术部门中，Qualisys运动捕捉系统被用于船体外形设计、阻力和推进、耐波性、操纵装置和推进器等研究。
在海洋流体动力学部门中，Qualisys动作捕捉系统被用于系泊和DP-定位浮动开采系统、海上装卸系统和码头的验证。同时，也被用于涉及人为因素的海上作业、漂浮物、吊车作业、深水作业等的可操作性研究、验证以及风险和安全调查。
水下机器人
运动捕捉在水下工程的应用场景除船舶追踪、海洋自动化设备验证外，还包括水下机器人的相关研究。
挪威科技大学的自主海洋作业和系统中心（NTNU AMOS）有一项针对水下蛇形机器人的研究，该机器人主要被用于水下探险、检测、监视和检查工作。
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。
该研究团队选择Qualisys 系统（水下镜头）来捕捉机器人的动作，同时使用Qualisys插件LabVIEW实时输出功能，将水下镜头捕捉的位置反馈到控制器，从而关闭控制回路。
破冰技术
芬兰阿克北极科技公司（Aker Arctic）建造了世界上60%的破冰船，包括许多北极或南极的研究船，以及各种各样的货船和近海结构的新概念船体。
Aker Arctic在芬兰赫尔辛基有一个特殊的测试场地，这是唯一的私有冰模型测试场地，冰模型测试可以提供关于运冰船性能的关键信息。Aker Arctic公司使用4台Qualisys 3+摄像机跟踪模型的位置和运动，以便在冰模盆地的艰难环境条件下获得精确的测试结果。
利用Qualisys动作捕捉系统获取的6DOF数据，可以在模型上实时模拟GPS和陀螺罗经信号，以提供位置参考数据。研究人员可以控制计算机使用这些信号来推进模型的自动调整，从而达到预期目的，在动态定位测试中，这是必不可少的。
多种类多应用形式的海洋自动化设备研究一直是科研领域的一个重要方向，动作捕捉系统易于安装，高精度的定位特点，可作为船舶验证、水下机器人运动轨迹、空间位置、活动范围精准测试以及三维模型建立等的重要依据，逐渐被船舶、海洋工程等科研所应用。相信动作捕捉技术未来也将不断拓展水下场景应用范围，为更多相关研究提供高精度动作捕捉数据。
如需获取相关设备方案及报价，欢迎致电4006-111-556详询！