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动作捕捉系统对于无人机和机器人领域的工作原理

  • 日期 2022-12-01
  • 作者fghdfg
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  作为一种用于精确测量物体(刚体)在三维空间中运动信息的设备,三维运动捕捉系统具有高精度定位能力,可以为室内汽车、无人机、机器人、机械臂等自动化设备提供精确的空间位置信息。


动作捕捉系统对于无人机和机器人领域的工作原理


  △光学3D运动捕捉系统主被动发光刚体质量系统Traqr


  它的工作原理是:


  精确记录运动信息:光学定位系统基于计算机视觉原理,通过布置在空间的多个红外摄像机,捕捉区域内物体上反光标志的运动信息,并以图像的形式记录下来。


  六自由度姿态实时计算:通过计算机对采集的图像数据进行处理,实时计算出运动物体的六自由度姿态,即三自由度位置(X、Y、Z坐标)和三自由度姿态(俯仰角、偏航角和滚转角)。


  多摄像头支持,覆盖范围广:光学定位系统使用智能摄像头将反光球的图像坐标传输到主机。不同的摄像头会产生不同的覆盖范围,摄像头越多,覆盖范围越大。


  Optics运动捕捉可以获得一个物体在三维空间中的XYZ坐标、速度、加速度、偏航角(Yaw)、滚转角(Rol)、俯仰角(Pitch)、欧拉角、人体关节角等数据。


  这些数据应用于算法验证、运动规划、集群控制、人机交互、轨迹回放、步态分析、智能沙盘等等。


  描述了光学3D运动捕捉的工作原理和可以捕捉到的数据,我们再来看看它在自动化控制领域的具体应用。


  运动捕捉该系统应用于无人机领域。


  基础无人机的发展已经趋于成熟,但下一代四旋翼无人机需要更高水平的态势感知和决策能力,而不仅仅是与其他无人机或人类进行交互。这要求开发工具提供更准确、更可靠的实时六自由度(6DOF)定位数据。


  运动捕捉系统实时捕捉无人机的六自由度信息,并发送回控制计算机。控制计算机根据预设飞行轨迹与实际飞行轨迹的差异修正飞行参数,并再次向无人机发送飞行控制指令,从而实现无人机的高精度、稳定、无偏的飞行控制。


  密歇根大学拥有一个10000平方英尺的四层网络科学实验基地,可以在密歇根的任何天气范围内进行自主和协作研究等智能研究。其中3D运动捕捉Qualisys系统可以跟踪无人机的室外自主飞行。


  运动捕捉该系统应用于机器人领域。


  基于同样的定位原理,3D运动捕捉系统已经在机器人的多个领域开花结果。


  对于工业制造流水线和物流仓储场景中使用的机械手,运动捕捉system捕捉其模块化机械手和灵巧手,获取其姿态数据,并能做出相应的控制规划;


  对于可用于抗震救灾和军事场景的多足机器人,运动捕捉系统通过捕捉其足部的关节角度和速度信息,优化其在不同环境下的运动模式;


  残障人士和特种兵配备外骨骼机器人,借助3D运动捕捉系统,获取关节角度等运动学步态信息,可以优化外骨骼结构,从而在多方面更好地辅助穿戴者。


  人形机器人需要将实用性与类人特征相结合。因为人类很了解自己,所以人形机器人运动的每一个细节都很重要。


  Qualisys是广泛应用于人体生物力学领域的3D运动捕捉系统,以高分辨率、实时跟踪、完美同步的成熟技术跟踪人体运动,有助于开发机器人运动算法。该系统具有可扩展、不受环境限制的特点,可以满足大多数研究的需要。


  运动捕捉该系统应用于水下机器人领域。


  自主水下机器人可以实现远程操作,避免了人类在恶劣环境下操作的复杂情况和高成本,使得水下机器人得到了广泛的应用。然而,开发和测试水下机器人的控制算法是非常具有挑战性的。


  Qualisys系统是目前该领域比较成熟的解决方案,可以在水下几十米处运行。


  挪威科技大学自主海洋作业与系统中心(NTNUAMOS)开展了水下蛇形机器人(Manba)的研究。该机器人主要用于水下勘探、探测、监控和检查。


  其中Qualisys水下运动捕捉系统用于捕捉机器人的运动。同时利用Qualisys插件Labview的实时输出功能,将水下镜头的捕捉位置反馈给控制器,从而闭合控制回路。


  目前,水下蛇形机器人Mamba已经取得了一系列研究成果,为提高现代水下机器人的效率和机动性带来了光明的前景。例如,可以检查海底石油和天然气设施。此外,还得到了不同路径跟踪控制方法的实验结果,验证了该控制策略能够成功地使机器人朝着期望的路径运动。


  总的来说,3D运动捕捉系统基于其准确性、实时性和灵活性,为自动化控制领域的学科研究和工业应用提供了强有力的支持,帮助自动化控制向智能控制迈出了突破性的一步。