六自由度无接触运动测量系统的应用及原理

在海洋科研中，很多科研实验都需要测量数据进行支撑，例如对实验船模等实验体进行运动学指标的采集分析等。

传统的海洋科研中，学者们对实验船模的运动姿态等六自由度进行测量，往往利用惯性传感器和视频录取获取数据，后期再进行分析计算，由此产生的误差较大，往往无法将测量精度控制在理想范围内。因而，获取真实六自由度数据，理想状态是建立真实的三维空间，由此获得在三维空间中的真实六自由度数据。

六自由度无接触运动测量系统，需要建立实验模型的三维空间范围，并且在该三维空间中建立高灵敏度、高精度的光学定位运动捕捉技术，通过运动捕捉镜头记录实验体在该三维空间中的“位置、运动轨迹、速度、角度、加速度、角加速度”等所有运动学指标。

但获取这些数据对于实际意义的影响如何？我们以海洋船模研究来举例，在六自由度测量系统建立的三维空间中，通过对实验船模的运动学指标进行数据分析，可以更精准地总结该船模的优缺点，进而对船模进行缺点改造，逐渐提升航行过程中的稳定性、平滑性等性能，为实际航海科研提供数据参考，解决相关领域中的运动学控制技术难题。

除此之外，六自由度运动测量系统还被广泛应用到运动、游戏娱乐和工业测试等领域。

六自由度无接触运动测量系统是由多个运动捕捉摄像头组成，典型的六自由度测试系统通常由8个以上运动捕捉摄像头组成，摄像头的视野重叠区域就是六自由度运动测量系统的三维空间范围。理论上，一个空间中的点，若能同时被多个运动捕捉摄像头所见，则可以根据多个摄像头在同一时间所反馈的参数来确定该点在空间中的位置；实际应用中，在对实验体进行六自由度测量时，需要在该实验体的关键部位贴上特制的标志球（Marker），该标志球具有反光或者主动发光的功能，运动捕捉摄像头发出的红外光被Marker反射回摄像头，由此记录下该标志点在三维空间中的运动指标；因此，当一个实验体的多个关键部位都被贴上Marker时，就能通过专用软件来计算出实验体在该空间中的运动学六自由度参数。

当然，在进行海洋船模六自由度测量试验时，在考虑摄像头像素的同时，还应考虑水波造成的反光等影响因素，因此运动捕捉摄像头必须具备“主动滤波”等功能，抗干扰能力越强，则采集到的数据更精准清晰、更能应对严苛的实验环境、也更适用于大型水池实验场地。

在国内，结合了中文模式的分析软件，更能够被大众所认可，同时也更能够被实验室学生所接受，分析软件应清楚地展示出“摄像机控制、校准、图像采集、运动轨迹分析”等必要的多种功能。且根据国内高校实验室目前的师生情况，该系统允许安装的电脑数量应不少于100台，便于师生们多团队多人员操作。

六自由度运动测量系统应能够满足实验室需要，系统可以结合实验水池的情况，设计不同数量的运动捕捉镜头组成的水池模型六自由度测试分析系统，镜头可安装于航车，实现拖曳水池实验模型的航行数据采集；也可以安装于工业水池四周，采集大水池中央核心区域（12米×12米）实验模型的六自由度数据。并保留后期增加运动捕捉镜头，升级成全水域空间模型测试的能力。

目前最新推出的动作捕捉镜头为2600万像素，镜头的可视角度达到77°，最远可视距离达到35米。在国际上处于领先的水平，比其他同类产品的最高1600像素高出1000万像素，比同类产品55度高出22°的可视角度。由于像素精度极高，可视角度足够大，在水池较大的环境下可保证其精度和在高速运动下的稳定性。