無人集群系統(tǒng)頻頻刷屏，扒一扒背后的動作捕捉系統(tǒng)

“我的眼睛就是尺”是短道速滑“王者”王濛的金句。而智能體在算法層面也有一把高精度的尺子，這把尺子就是“光學(xué)動作捕捉”。

提到“多智能體協(xié)同控制技術(shù)”，你的腦海里會呈現(xiàn)出怎樣的畫面，是出現(xiàn)在空中的多架無人機(jī)編隊表演，還是公路上的多輛無人車列隊行進(jìn)，又或者是大海里多艘無人艇協(xié)同作戰(zhàn)。

多智能體協(xié)同控制技術(shù)強調(diào)單體之間的合作與協(xié)同，往往能夠大幅提高工作效率和能力，可以應(yīng)用于許多場景，例如工業(yè)操作、巡邏偵察、災(zāi)情救援、環(huán)境勘探、智能物流、智能農(nóng)業(yè)和消費娛樂等。

上圖來自北京理工大學(xué)夏元清老師團(tuán)隊的多智能體協(xié)同控制研究，網(wǎng)友熱評：無人機(jī)和無人車好像都長了眼睛。

要實現(xiàn)多智能體協(xié)同控制，第一個要解決的問題就是知道每一個智能體（無人機(jī)、無人車、無人艇等）在什么位置，實際上就是定位問題，而“動作捕捉”是這一問題的重要技術(shù)支撐。

國外關(guān)于動作捕捉的研究一直熱火朝天，在控制類學(xué)科領(lǐng)域有很多應(yīng)用。而國內(nèi)對動捕的研究起步較晚，但也有不少經(jīng)典案例。

那么動作捕捉是否已經(jīng)為廣大機(jī)器人行業(yè)科研人員所關(guān)注？動作捕捉能夠助力什么樣的科研工作？依據(jù)的技術(shù)原理是什么？動作捕捉對機(jī)器人行業(yè)意味著什么？帶來了哪些變化？

▍“動作捕捉”為機(jī)器人行業(yè)打開了一扇進(jìn)擊的大門

我們先以本文開篇北理工多智能體協(xié)同控制平臺項目為例，深入了解動作捕捉的原理。

該協(xié)同控制平臺主要由定位系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及控制決策系統(tǒng)組成。為了解決定位系統(tǒng)精度和實時性的問題，平臺采用了NOKOV（度量）光學(xué)三維動作捕捉系統(tǒng)。

該動作捕捉系統(tǒng)延遲在兩三個毫秒內(nèi)，能夠很好地滿足實時定位并將位姿信息通過無線WiFi 通信傳輸給各個智能體，從而實現(xiàn)各個智能體的定位。

明確了智能體的位置之后，每個智能體身上的智能控制決策系統(tǒng)可以對多智能體的行動作出控制，從而實現(xiàn)整套系統(tǒng)的協(xié)同控制。

在這個系統(tǒng)中，組合定位系統(tǒng)是以外部NOKOV（度量）光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)為主要定位校正方式，機(jī)載慣性器件輔助構(gòu)成的多智能體組合定位系統(tǒng)。其中無人機(jī)位置定位可以采用外部光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)+慣性導(dǎo)航+視覺導(dǎo)航的組合導(dǎo)航方式；無人車以光學(xué)定位數(shù)據(jù)為主，在光學(xué)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失時，啟用慣性器件的“備份”位姿信息，保持無人車?yán)^續(xù)運行。

如何讓智能體實現(xiàn)更好的協(xié)同？我們看到動作捕捉方案是其中的關(guān)鍵要點。動作捕捉(英文：Motion capture)是利用外部設(shè)備來對人或者其他物體的位移或者活動進(jìn)行處理和記錄的技術(shù)。

動作捕捉系統(tǒng)根據(jù)實現(xiàn)原理的不同，可以分成光學(xué)動作捕捉（簡稱“光學(xué)動捕”）、慣性動作捕捉、計算機(jī)視覺的動作捕捉方案。

在前文北理工多智能體協(xié)同控制平臺項目案例中，科研團(tuán)隊用到的是光學(xué)動作捕捉方案。光學(xué)動作捕捉方案具有動作捕捉精度高、保真程度較高、專業(yè)度高等特點。同時，該方案對環(huán)境要求高，技術(shù)復(fù)雜度高導(dǎo)致造價成本高，更適合科研或商業(yè)應(yīng)用。

事實上，光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)相當(dāng)于智能體算法層面的一把“尺子”，它的工作原理是通過多個精密而復(fù)雜的光學(xué)攝像頭從不同角度對標(biāo)記點進(jìn)行快速實時跟蹤定位，來獲取標(biāo)記點的具體空間位置。上述北理工案例中采用的NOKOV（度量）動作捕捉系統(tǒng)可以獲取目標(biāo)物的位置、姿態(tài)以及速度、加速度等信息，實現(xiàn)多無人系統(tǒng)亞毫米級實時定位，適用于有高精度定位需求的研究。

具體來說，首先，光學(xué)動作捕捉鏡頭面板上的LED燈發(fā)出特定波長的紅外光，照到被捕捉物，也就是反光標(biāo)記點；然后，反光標(biāo)記點表面的反光材料將紅外光反射回鏡頭，反射回的紅外光經(jīng)過信號處理；最后，F(xiàn)PGA進(jìn)行圖像抓取和算法處理，從而獲得反光標(biāo)記點在鏡頭中的二維坐標(biāo)。

兩個鏡頭同時工作，就可以確定目標(biāo)特征點在三維空間內(nèi)的坐標(biāo)； 大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過POE連接器傳輸給動作捕捉軟件，便可以解算出目標(biāo)在空間中的位置、方向和運動軌跡等信息，實現(xiàn)對目標(biāo)的追蹤。

這樣的光學(xué)動捕系統(tǒng)在目前階段對于機(jī)器人領(lǐng)域的某些研究和發(fā)展至關(guān)重要，適用于機(jī)器人領(lǐng)域的許多場景，除了無人集群系統(tǒng)，還有外骨骼機(jī)器人、仿生機(jī)器人、機(jī)械臂、船舶和水下應(yīng)用等。

在適用于機(jī)器人的應(yīng)用中，與傳統(tǒng)的遙控方式相比，光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)可以實現(xiàn)更為直觀、細(xì)致、復(fù)雜、靈活而快速的動作控制，提高機(jī)器人應(yīng)付復(fù)雜情況的能力。在當(dāng)前機(jī)器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術(shù)具有重要意義。

基于光學(xué)動作捕捉的數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能體可以生成高度協(xié)同的動作，而且與物理模擬相結(jié)合時可以提供對物理干擾、環(huán)境變化和形態(tài)差異的自然過程響應(yīng)?，F(xiàn)在，越來越多的高校和科研機(jī)構(gòu)選擇采用光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)做控制類的測試，以及室內(nèi)定位解決方案。這里列舉一些具有代表性的案例

向下滑動查看

目前，針對多智能體協(xié)同控制的研究有很多，包括智能體之間協(xié)同方式、通訊方式以及避障方法等，其中最主要的就是多智能體編隊避障控制算法的研究。

由于NOKOV（度量）光學(xué)定位系統(tǒng)定位精度高于慣性導(dǎo)航器件幾個數(shù)量級，一般在移動機(jī)器人能接收到的光學(xué)定位傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，使用光學(xué)定位系統(tǒng)進(jìn)行定位并校正慣性傳感器數(shù)據(jù)的累計誤差，保持機(jī)器人自身存儲數(shù)據(jù)與光學(xué)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致；在某一時間段遇到有遮擋無法得到定位系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時，使用慣性傳感器的存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，保證移動機(jī)器人能正常運行。

關(guān)于動作捕捉技術(shù)未來的趨勢，有專業(yè)人士分析，一方面是無標(biāo)記點技術(shù)的發(fā)展，能夠解決當(dāng)前無標(biāo)記點比有標(biāo)記點更容易產(chǎn)生誤差的問題。另一方面是軟件算法持續(xù)升級，未來更智能化、修復(fù)和模擬能力更強的軟件算法將成為動作捕捉技術(shù)商的核心競爭力之一。

▍打破技術(shù)壁壘，光學(xué)動捕滿足多領(lǐng)域?qū)I(yè)化需求

前面提到，光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)很適合科研或商業(yè)應(yīng)用。事實上，跟控制類相關(guān)的專業(yè)或?qū)W院或科技公司都適用。

美國是全球動作捕捉系統(tǒng)行業(yè)中發(fā)展最早、技術(shù)最先進(jìn)、市場份額最大的國家；其次是歐洲地區(qū)，在世界上也同時占有較大的市場份額。中國是動作捕捉系統(tǒng)行業(yè)中發(fā)展規(guī)模較大、技術(shù)相對先進(jìn)的新興發(fā)展中國家之一。特別是近年來，我國動作捕捉系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展迅速，無論是技術(shù)研發(fā)還是實際應(yīng)用都取得了長足的進(jìn)步，市場知名度大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

由于技術(shù)條件的限制，我們的光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)產(chǎn)品主要模仿國外先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品，在功能和性能上做了創(chuàng)新和突破，相比于歐美國家的光學(xué)動捕系統(tǒng)我國的動捕系統(tǒng)具有絕對的價格優(yōu)勢，我國的光學(xué)動捕系統(tǒng)產(chǎn)品在市場上的整體競爭力也在日益提升，與目前歐美、日本的技術(shù)差距正在不斷縮小。

雖然國內(nèi)動捕行業(yè)實現(xiàn)了彎道超車，不斷推出行業(yè)爆品，但國內(nèi)光學(xué)動捕公司有自主研發(fā)能力的（非進(jìn)口品牌代理商）鳳毛麟角，主要集中在北京、上海、深圳等一線城市。在國內(nèi)市場，北京度量科技通過打破技術(shù)壁壘、完全自主研發(fā)，將光學(xué)動捕系統(tǒng)的市場價格打到了一個比較合適的價位。其研發(fā)的高精度、較高性價比動作捕捉產(chǎn)品也獲得了國內(nèi)市場較多的認(rèn)可?？蛻艨筛鶕?jù)場地大小不同和精度要求不同，選擇不同的數(shù)量和型號的鏡頭方案。

Verified Market Research咨詢公司的調(diào)研報告顯示，2026年動作捕捉市場規(guī)模將增長到20.6億元，年復(fù)合增長率達(dá)到10.09%。

根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的報告《2020-2026全球與中國3D動作捕捉市場現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢》預(yù)測，到達(dá)2026年時，全球3D光學(xué)動作捕捉市場規(guī)模將達(dá)到12億元，約占總體市場規(guī)模的61.8%。

-------------------END-------------------

看累了嗎？戳一下“在看”支持我們吧！

關(guān)鍵詞： 無人集群系統(tǒng)頻頻刷屏 扒一扒背后的動作捕捉系統(tǒng)