一、悟空™光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)

1.1、概述
        光學(xué)動(dòng)作捕捉依靠一整套精密而復(fù)雜的光學(xué)攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺原理，由多個(gè)高速攝像機(jī)從不同角度對(duì)目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤來(lái)完成全身的動(dòng)作的捕捉。
        光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)是一種用于準(zhǔn)確測(cè)量物體（剛體）在室內(nèi)三維空間運(yùn)動(dòng)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(wú)人機(jī)、機(jī)器人、機(jī)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(zhǔn)記錄運(yùn)動(dòng)信息，基于計(jì)算機(jī)視覺原理，光學(xué)室內(nèi)定位系統(tǒng)通過(guò)布置在空間中的多個(gè)紅外攝像機(jī)捕捉區(qū)域內(nèi)物體上反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，并以圖像的形式記錄下來(lái)。
2）實(shí)時(shí)解算六自由度位姿，利用計(jì)算機(jī)對(duì)捕捉到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)地解算出運(yùn)動(dòng)物體的六自由度位姿，即三自由度位置（X,Y, Z坐標(biāo)）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(jī)支持，覆蓋范圍廣，光學(xué)室內(nèi)定位系統(tǒng)采用智能相機(jī)，將反光球圖像坐標(biāo)傳到主機(jī)，不同相機(jī)數(shù)目將產(chǎn)生不同的覆蓋范圍，相機(jī)越多，覆蓋范圍越大。

1.3 、悟空™光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)
        悟空™光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)是基于光學(xué)慣性融合技術(shù)的高精度、高可靠性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。悟空™不僅可以提供傳統(tǒng)光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)所能提供的6DoF、亞毫米級(jí)實(shí)時(shí)空間動(dòng)捕數(shù)據(jù)。

1.3.1、悟空™光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)硬件參數(shù)
名稱：悟空™光學(xué)動(dòng)捕相機(jī)

型號(hào)：Goku-130

像素：130萬(wàn)

定位精度：0.1mm

延時(shí)采集數(shù)據(jù)：4ms，預(yù)測(cè)＜1ms

最高工作幀數(shù)：260fps

視場(chǎng)角：84°x68°

供電方式：POE

追蹤距離：10米（被動(dòng)光標(biāo)記點(diǎn)）、14米（主動(dòng)光標(biāo)記點(diǎn)）

內(nèi)置高性能視覺追蹤SoC芯片

反光標(biāo)記球

T型標(biāo)定桿輔助運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的校準(zhǔn)

L型標(biāo)定直角輔助運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中心點(diǎn)配置

優(yōu)勢(shì)：

亞毫米級(jí)精度：基于專用的SoC芯片和高效三維重建引擎，每一幀動(dòng)作的捕捉精度都可以達(dá)到0.1毫米級(jí)精度；
多種標(biāo)記點(diǎn)配置：Goku™支持被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)、主動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)、全局時(shí)碼同步標(biāo)記點(diǎn)的系統(tǒng)配置，方便使用和運(yùn)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(jiǎn)單；
極低系統(tǒng)延時(shí)：得益于Goku™的超高采樣率，光學(xué)系統(tǒng)延時(shí)<4ms，光慣融合模式延時(shí)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(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)軟件參數(shù)
室內(nèi)定位軟件基于計(jì)算機(jī)視覺原理，通過(guò)布置在空間中的多個(gè)紅外攝像機(jī)，將捕捉區(qū)域內(nèi)物體上反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息以圖像的形式記錄下來(lái)，然后對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)地解算出運(yùn)動(dòng)物體的六自由度位置和姿態(tài)。室內(nèi)圖像定位軟件可實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確地解算捕捉區(qū)域內(nèi)單個(gè)或多個(gè)剛體的六自由度位置和姿態(tài)，可為各類型的無(wú)人機(jī)和地面小車、機(jī)器人、機(jī)器狗、機(jī)械手臂等運(yùn)動(dòng)體的控制提供六自由度姿態(tài)和位置的準(zhǔn)確測(cè)量信息。

1、基礎(chǔ)功能
1）支持中文的多語(yǔ)言、多視角、多窗口3D顯示操作界面
2）可同時(shí)對(duì)多達(dá)數(shù)百臺(tái)Goku™ Camera進(jìn)行集中管理
3）對(duì)視覺慣性同步控制器進(jìn)行管理
4）高效實(shí)時(shí)視覺三維重建引擎
5）光學(xué)慣性深度融合引擎*
6）多達(dá)數(shù)百個(gè)智能光學(xué)剛體創(chuàng)建、標(biāo)定、管理
7）實(shí)時(shí)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(shí)測(cè)算及繪制
10）國(guó)際領(lǐng)先的IK算法*
11）實(shí)時(shí)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(shí)應(yīng)用

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

3、支持?jǐn)?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(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)用途舉例
1.4.1、做為編隊(duì)的測(cè)量基準(zhǔn)
        在對(duì)無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等智能體進(jìn)行高精度編隊(duì)時(shí)，工程師需要構(gòu)建一個(gè)空間測(cè)量基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)可以實(shí)時(shí)精確測(cè)量每個(gè)智能體在空間中的位置和姿態(tài)，并通過(guò)運(yùn)行有控制軟件（如ROS）的計(jì)算機(jī)下達(dá)編隊(duì)指令。
推薦系統(tǒng)流程設(shè)置
1）使用Goku™ 130作為動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
2）針對(duì)場(chǎng)地面積和形狀對(duì)Goku™ 130矩陣進(jìn)行部署規(guī)劃
3）使用標(biāo)定工具對(duì)Goku™ 130矩陣進(jìn)行校準(zhǔn)并對(duì)齊地平面
4）如果智能體無(wú)法提供額外供電，系統(tǒng)可以采用被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)模式；如果智能體可以提供額外供電，推薦使用主動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)模式
5）為每個(gè)智能體部署一個(gè)唯一的標(biāo)記點(diǎn)剛體組合
6）在Active Center中注冊(cè)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(dǎo)入Active Center的ROS接口包
9）讀取并測(cè)試每個(gè)智能體的6自由度數(shù)據(jù)
10）開發(fā)編隊(duì)程序，并在Matlab中進(jìn)行仿真
11）進(jìn)行實(shí)機(jī)測(cè)試，根據(jù)Goku™的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能體編隊(duì)

1.4.2、提升飛控系統(tǒng)開發(fā)效率

 

        在對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)時(shí)，工程師需要對(duì)空中懸停、飛行中避障、機(jī)身姿態(tài)控制、著陸等功能進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試，因此工程師需要一把工作在三維空間中的尺子，實(shí)時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)在空間中的高度、位置、姿態(tài)、抖動(dòng)、延時(shí)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)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(dòng)作捕捉系統(tǒng)
2）在實(shí)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中部署Goku™ 130，使測(cè)試面積被Goku™ 130完全覆蓋
3）使用標(biāo)定工具對(duì)Goku™ 130矩陣進(jìn)行校準(zhǔn)并對(duì)齊地平面
4）如果無(wú)人機(jī)無(wú)法提供額外供電，系統(tǒng)可以采用被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)模式；如果無(wú)人機(jī)可以提供額外供電，推薦使用主動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)模式
5）為待測(cè)試的無(wú)人機(jī)規(guī)劃標(biāo)記點(diǎn)剛體
6）在Active Center中注冊(cè)無(wú)人機(jī)所對(duì)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(dǎo)入Active Center的Matlab接口包
9）在Matlab中讀取無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位姿并繪制曲線
10）將數(shù)據(jù)導(dǎo)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(diǎn)上方式被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)并規(guī)劃、注冊(cè)剛體
12）驗(yàn)證無(wú)人機(jī)在避障和著陸時(shí)的速度、角度、測(cè)距、機(jī)身姿態(tài)等指標(biāo)與程序設(shè)計(jì)是否一致。

1.4.3、輔助機(jī)械臂、運(yùn)動(dòng)力學(xué)開發(fā)
        為了讓機(jī)械臂的觸手可以到達(dá)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(jī)械臂的初始狀態(tài)給出機(jī)械臂的反向運(yùn)動(dòng)學(xué)解答，并通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)追蹤機(jī)械臂上每個(gè)節(jié)點(diǎn)在空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，以衡量算法是否準(zhǔn)確，執(zhí)行是否存在誤差。
典型應(yīng)用場(chǎng)景
1）在機(jī)械臂和被追蹤目標(biāo)上部署標(biāo)記點(diǎn)
2）使用Active Center對(duì)機(jī)械臂和被追蹤目標(biāo)進(jìn)行剛體注冊(cè)
3）利用機(jī)械臂上的攝像頭和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)完成機(jī)械臂的頭手標(biāo)定，并使用Goku驗(yàn)證頭手標(biāo)定結(jié)果
4）將Active Center數(shù)據(jù)通過(guò)C++接口導(dǎo)入機(jī)械臂的數(shù)據(jù)處理引擎
5）使用EKF濾波器對(duì)視覺和AHRS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理
6）根據(jù)被追蹤目標(biāo)和EKF濾波器控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)
7）使用Goku追蹤機(jī)械臂和被追蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)
8）將Goku數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)繪制運(yùn)動(dòng)路徑
9）分析運(yùn)動(dòng)結(jié)果，優(yōu)化模型參數(shù)

中航恒拓HT220無(wú)人機(jī)基于動(dòng)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