一、悟空™光學動捕系統(tǒng)

1.1、概述
        光學動作捕捉依靠一整套精密而復雜的光學攝像頭來實現(xiàn)，它通過計算機視覺原理，由多個高速攝像機從不同角度對目標特征點進行跟蹤來完成全身的動作的捕捉。
        光學動捕系統(tǒng)是一種用于準確測量物體（剛體）在室內(nèi)三維空間運動信息的設(shè)備。具有高精度的室內(nèi)定位能力，能夠給室內(nèi)小車、無人機、機器人、機械手臂等智能體提供高精度的空間位置信息。

1.2、工作原理
1）精準記錄運動信息，基于計算機視覺原理，光學室內(nèi)定位系統(tǒng)通過布置在空間中的多個紅外攝像機捕捉區(qū)域內(nèi)物體上反光標識點的運動信息，并以圖像的形式記錄下來。
2）實時解算六自由度位姿，利用計算機對捕捉到的圖像數(shù)據(jù)進行處理，實時地解算出運動物體的六自由度位姿，即三自由度位置（X,Y, Z坐標）和三自由度姿態(tài)（俯仰角，偏航角和滾轉(zhuǎn)角）。該系統(tǒng)也可以稱為“室內(nèi)定位系統(tǒng)”或“室內(nèi)GPS”。
3）多架相機支持，覆蓋范圍廣，光學室內(nèi)定位系統(tǒng)采用智能相機，將反光球圖像坐標傳到主機，不同相機數(shù)目將產(chǎn)生不同的覆蓋范圍，相機越多，覆蓋范圍越大。

1.3 、悟空™光學動捕系統(tǒng)
        悟空™光學動捕系統(tǒng)是基于光學慣性融合技術(shù)的高精度、高可靠性動作捕捉系統(tǒng)。悟空™不僅可以提供傳統(tǒng)光學動作捕捉系統(tǒng)所能提供的6DoF、亞毫米級實時空間動捕數(shù)據(jù)。

1.3.1、悟空™光學動捕系統(tǒng)硬件參數(shù)
名稱：悟空™光學動捕相機

型號：Goku-130

像素：130萬

定位精度：0.1mm

延時采集數(shù)據(jù)：4ms，預測＜1ms

最高工作幀數(shù)：260fps

視場角：84°x68°

供電方式：POE

追蹤距離：10米（被動光標記點）、14米（主動光標記點）

內(nèi)置高性能視覺追蹤SoC芯片

反光標記球

T型標定桿輔助運動捕捉系統(tǒng)的校準

L型標定直角輔助運動捕捉系統(tǒng)中心點配置

優(yōu)勢：

亞毫米級精度：基于專用的SoC芯片和高效三維重建引擎，每一幀動作的捕捉精度都可以達到0.1毫米級精度；
多種標記點配置：Goku™支持被動標記點、主動標記點、全局時碼同步標記點的系統(tǒng)配置，方便使用和運維；
易于部署：數(shù)據(jù)、供電、同步只需共用一根RJ45網(wǎng)線，部署簡單；
極低系統(tǒng)延時：得益于Goku™的超高采樣率，光學系統(tǒng)延時<4ms，光慣融合模式延時更低至1ms*；
支持光慣融合：可以提供6自由度、高精度、高可靠性、高采樣率的空間捕捉數(shù)據(jù)。

1.3.2、悟空™光學動捕系統(tǒng)軟件參數(shù)
室內(nèi)定位軟件基于計算機視覺原理，通過布置在空間中的多個紅外攝像機，將捕捉區(qū)域內(nèi)物體上反光標識點的運動信息以圖像的形式記錄下來，然后對該圖像數(shù)據(jù)進行處理，實時地解算出運動物體的六自由度位置和姿態(tài)。室內(nèi)圖像定位軟件可實時和準確地解算捕捉區(qū)域內(nèi)單個或多個剛體的六自由度位置和姿態(tài)，可為各類型的無人機和地面小車、機器人、機器狗、機械手臂等運動體的控制提供六自由度姿態(tài)和位置的準確測量信息。

1、基礎(chǔ)功能
1）支持中文的多語言、多視角、多窗口3D顯示操作界面
2）可同時對多達數(shù)百臺Goku™ Camera進行集中管理
3）對視覺慣性同步控制器進行管理
4）高效實時視覺三維重建引擎
5）光學慣性深度融合引擎*
6）多達數(shù)百個智能光學剛體創(chuàng)建、標定、管理
7）實時物體追蹤解算及繪制
8）數(shù)據(jù)記錄及回放
9）空間捕捉區(qū)域?qū)崟r測算及繪制
10）國際領(lǐng)先的IK算法*
11）實時數(shù)據(jù)流輸出
12）數(shù)據(jù)記錄及回放
*僅在慣性系統(tǒng)部署時應(yīng)用

2、系統(tǒng)標定
1）內(nèi)置ZVR Calib高效多目視覺標定算法，使用T型工具進行高精度自動標定
2）使用L型工具進行地平面標定
3）Goku™ Tracker視覺慣性內(nèi)參及外參自動標定

3、支持數(shù)據(jù)格式
•RAW
•BVH
•C3D
•FBX
•OpenVR
•VRPN
•TCP/UDP Streaming

4、豐富的第三方接口

1.4、悟空™光學動捕系統(tǒng)用途舉例
1.4.1、做為編隊的測量基準
        在對無人機、無人車等智能體進行高精度編隊時，工程師需要構(gòu)建一個空間測量基準，該基準可以實時精確測量每個智能體在空間中的位置和姿態(tài)，并通過運行有控制軟件（如ROS）的計算機下達編隊指令。
推薦系統(tǒng)流程設(shè)置
1）使用Goku™ 130作為動作捕捉系統(tǒng)
2）針對場地面積和形狀對Goku™ 130矩陣進行部署規(guī)劃
3）使用標定工具對Goku™ 130矩陣進行校準并對齊地平面
4）如果智能體無法提供額外供電，系統(tǒng)可以采用被動標記點模式；如果智能體可以提供額外供電，推薦使用主動標記點模式
5）為每個智能體部署一個唯一的標記點剛體組合
6）在Active Center中注冊所有智能體
7）將Active Center的輸出數(shù)據(jù)流設(shè)置為UDP或VRPN模式
8）在ROS系統(tǒng)中導入Active Center的ROS接口包
9）讀取并測試每個智能體的6自由度數(shù)據(jù)
10）開發(fā)編隊程序，并在Matlab中進行仿真
11）進行實機測試，根據(jù)Goku™的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動智能體編隊

1.4.2、提升飛控系統(tǒng)開發(fā)效率

 

        在對無人機飛行控制系統(tǒng)進行開發(fā)時，工程師需要對空中懸停、飛行中避障、機身姿態(tài)控制、著陸等功能進行開發(fā)和測試，因此工程師需要一把工作在三維空間中的尺子，實時對無人機在空間中的高度、位置、姿態(tài)、抖動、延時等指標進行測量，以提升開發(fā)效率。
推薦系統(tǒng)流程設(shè)置
1）使用Goku™ 130作為動作捕捉系統(tǒng)
2）在實機測試實驗室中部署Goku™ 130，使測試面積被Goku™ 130完全覆蓋
3）使用標定工具對Goku™ 130矩陣進行校準并對齊地平面
4）如果無人機無法提供額外供電，系統(tǒng)可以采用被動標記點模式；如果無人機可以提供額外供電，推薦使用主動標記點模式
5）為待測試的無人機規(guī)劃標記點剛體
6）在Active Center中注冊無人機所對應(yīng)的剛體
7）將Active Center的輸出數(shù)據(jù)流設(shè)置為UDP或VRPN模式
8）在Matlab中導入Active Center的Matlab接口包
9）在Matlab中讀取無人機的實時位姿并繪制曲線
10）將數(shù)據(jù)導入飛控中的濾波器優(yōu)化參數(shù)
11）在待避障物體和著陸點上方式被動標記點并規(guī)劃、注冊剛體
12）驗證無人機在避障和著陸時的速度、角度、測距、機身姿態(tài)等指標與程序設(shè)計是否一致。

1.4.3、輔助機械臂、運動力學開發(fā)
        為了讓機械臂的觸手可以到達在空間中給定的位置并抓取得物體，工程師需要根據(jù)該位置和機械臂的初始狀態(tài)給出機械臂的反向運動學解答，并通過動作捕捉系統(tǒng)實時追蹤機械臂上每個節(jié)點在空間中的運動姿態(tài)，以衡量算法是否準確，執(zhí)行是否存在誤差。
典型應(yīng)用場景
1）在機械臂和被追蹤目標上部署標記點
2）使用Active Center對機械臂和被追蹤目標進行剛體注冊
3）利用機械臂上的攝像頭和機械臂的運動系統(tǒng)完成機械臂的頭手標定，并使用Goku驗證頭手標定結(jié)果
4）將Active Center數(shù)據(jù)通過C++接口導入機械臂的數(shù)據(jù)處理引擎
5）使用EKF濾波器對視覺和AHRS數(shù)據(jù)進行處理
6）根據(jù)被追蹤目標和EKF濾波器控制機械臂運動
7）使用Goku追蹤機械臂和被追蹤目標的運動
8）將Goku數(shù)據(jù)作為基準繪制運動路徑
9）分析運動結(jié)果，優(yōu)化模型參數(shù)

中航恒拓HT220無人機基于動態(tài)捕捉高精度室內(nèi)定位演示視頻：

https://www.bilibili.com/video/BV1iU4y1P73G?spm_id_from=333.999.0.0