NOKOV（度量）动作捕捉系统应用于船舶、海洋工程研究方向（上）

2020-09-27 本文已影响0人您家豆子

动作捕捉系统作为一种高精度的定位手段，广泛应用于高校及科研院所的实验系统中。除了常见的无人机编队室内定位、机械臂末端位姿捕捉等，动作捕捉系统应用也延伸到了海洋、船舶相关研究领域，系统通常布置在海洋深水试验池、多功能船模拖曳水槽、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室环境中。

动作捕捉应用于船舶、海洋结构物

动作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运动响应，或作为位姿传感器，验证动力定位系统可靠性。

1）船舶及海上浮式作业平台动力定位系统可靠性验证

动力定位系统是指在不借助锚泊系统的情况下，利用各类传感器检测出外界环境（如海风、波浪、海流等）的干扰和自身状态的变化，使用自身配备的自动控制系统对各类信息进行实时处理，通过解算出能够使自身恢复到目标位姿所需控制力来保持在所期望的位姿上，从而实现动力定位。

动力定位系统开发包括建立平台动力学模型，设计控制器及动力分配方案，搭建半物理仿真平台进行硬件可靠性和算法可行性验证，最后完成平台模型动力定位水池试验。动作捕捉系统作为位置测量系统，得到平台实际位置与姿态信息，作为控制系统的反馈信号输入，通过水池试验结果与半物理仿真结果对比，验证控制系统合理性。

2）浮力筒自由涡激运动试验研究

作为一种典型的水下结构，浮力筒是深水油气开发系统中重要的组成部分，是多种立管形式的关键结构，因而浮力筒的运动特性研究具有很高的研究价值。当海水对浮力筒产生作用力，引起浮力筒的六自由度运动，这称为“涡激运动”，当尾涡脱落频率接近固有运动频率，发生“锁定现象”，致使浮力筒运动幅值增加，进而对浮力筒造成破坏。对于浮力筒涡激运动问题的研究至关重要。

在拖曳水池进行模型拖曳试验，利用动作捕捉系统测量不同水流速度下浮力筒的六自由度运动，分析浮力筒顺流向运动、横向运动和艏摇运动的时间-位移曲线、运动轨迹、频率、幅值ST数及阻力变化特性。

3）FPSO 系统水动力混合模型试验研究

随着海洋油气开采不断由浅海走向深海，各种适应不同水深和海况的固定式平台、浮式平台应运而生。FPSO 具有投资少、风险低、油气储量大、施工周期短、适应范围广、甲板面积大等诸多优点，在海洋工程领域得到广泛的应用。

在进行海上浮体锚泊系统设计时，需在试验水池中进行模型试验以对浮体的运动响应和系泊缆受力进行合理预测。根据截断设计结果和试验缩尺比进行船体、系泊缆和立管模型的制作，并进行 FPSO 的不规则波模型试验，利用光学动作捕捉系统得到浮体在不同角度和海况下的六自由度运动响应，用拉力传感器得到系泊缆受力。

动作捕捉应用于渔业

动作捕捉系统也可用于渔业，捕捉固定在围网绳索上的标志点，了解捕鱼过程中围网绳索的物理行为。

观测水中围网绳的物理行为以评估围网捕鱼效果

水下围网由围网绳和围网组成，其捕捞效果取决于围网绳保持鱼网中的移动路径。研究人员通过改变绳索的物理特性、布局模式和牵引速度进行了实验。实验过程中将标志点均匀的固定在绳索上，利用水下光学动作捕捉镜头系统来捕捉绳索捕捉区域的位置数据变化。水池的实验结果可以与有限元仿真模型获得的数据进行比较。

NOKOV度量动作捕捉助力水下悬浮隧道高精度形变测量

NOKOV此前已经和多家科研院所及高校在船舶与海洋工程研究方向展开深入合作，其中与天津水运所合作的项目是动作捕捉应用于海洋结构物的典型案例。

运输部天津水运工程科学研究院水下悬浮隧道工程技术研究项目

水下悬浮隧道是建设悬浮于水中的一种大型跨海交通构筑物，主要解决的是人类未来实现深水、宽水域跨越问题。首要关注点是安全性，要在波浪潮流复杂的动力载荷，以及潜艇撞击、沉船等异常荷载作用下，保持结构的稳定性。项目的难点，是高精度测量隧道运动变形，要求实验精确度达到毫米级，同步误差需要达到亚毫秒级。利用布置在试验水池周围的24个NOKOV Mars 2H光学动作捕捉镜头，捕捉标志点位置，可以准确获取隧道模型的运动变形响应。