鑽石舞台

大數據文摘轉載自機器人大講堂

「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「光學動作捕捉」。

提到「多智能體協同控制技術」，你的腦海里會呈現出怎樣的畫面，是出現在空中的多架無人機編隊表演，還是公路上的多輛無人車列隊行進，又或者是大海里多艘無人艇協同作戰。

多智能體協同控制技術強調單體之間的合作與協同，往往能夠大幅提高工作效率和能力，可以應用於許多場景，例如工業操作、巡邏偵察、災情救援、環境勘探、智能物流、智能農業和消費娛樂等。

要實現多智能體協同控制，第一個要解決的問題就是知道每一個智能體（無人機、無人車、無人艇等）在什麼位置，實際上就是定位問題，而「動作捕捉」是這一問題的重要技術支撐。

國外關於動作捕捉的研究一直熱火朝天，在控制類學科領域有很多應用。而國內對動捕的研究起步較晚，但也有不少經典案例。

那麼動作捕捉是否已經為廣大機器人行業科研人員所關注？動作捕捉能夠助力什麼樣的科研工作？依據的技術原理是什麼？動作捕捉對機器人行業意味着什麼？帶來了哪些變化？

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

該協同控制平台主要由定位系統、通訊系統以及控制決策系統組成。為了解決定位系統精度和實時性的問題，平台採用了NOKOV（度量）光學三維動作捕捉系統。

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

明確了智能體的位置之後，每個智能體身上的智能控制決策系統可以對多智能體的行動作出控制，從而實現整套系統的協同控制。

在這個系統中，組合定位系統是以外部NOKOV（度量）光學動作捕捉系統為主要定位校正方式，機載慣性器件輔助構成的多智能體組合定位系統。其中無人機位置定位可以採用外部光學動作捕捉系統+慣性導航+視覺導航的組合導航方式；無人車以光學定位數據為主，在光學定位系統數據丟失時，啟用慣性器件的「備份」位姿信息，保持無人車繼續運行。

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

動作捕捉系統根據實現原理的不同，可以分成光學動作捕捉（簡稱「光學動捕」）、慣性動作捕捉、計算機視覺的動作捕捉方案。

在前文北理工多智能體協同控制平台項目案例中，科研團隊用到的是光學動作捕捉方案。光學動作捕捉方案具有動作捕捉精度高、保真程度較高、專業度高等特點。同時，該方案對環境要求高，技術複雜度高導致造價成本高，更適合科研或商業應用。

事實上，光學動作捕捉系統相當於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複雜的光學攝像頭從不同角度對標記點進行快速實時跟蹤定位，來獲取標記點的具體空間位置。上述北理工案例中採用的NOKOV（度量）動作捕捉系統可以獲取目標物的位置、姿態以及速度、加速度等信息，實現多無人系統亞毫米級實時定位，適用於有高精度定位需求的研究。

具體來說，首先，光學動作捕捉鏡頭面板上的LED燈發出特定波長的紅外光，照到被捕捉物，也就是反光標記點；然後，反光標記點表面的反光材料將紅外光反射回鏡頭，反射回的紅外光經過信號處理；最後，FPGA進行圖像抓取和算法處理，從而獲得反光標記點在鏡頭中的二維坐標。

兩個鏡頭同時工作，就可以確定目標特徵點在三維空間內的坐標；大量坐標數據通過POE連接器傳輸給動作捕捉軟件，便可以解算出目標在空間中的位置、方向和運動軌跡等信息，實現對目標的追蹤。

這樣的光學動捕系統在目前階段對於機器人領域的某些研究和發展至關重要，適用於機器人領域的許多場景，除了無人集群系統，還有外骨骼機器人、仿生機器人、機械臂、船舶和水下應用等。

在適用於機器人的應用中，與傳統的遙控方式相比，光學動作捕捉系統可以實現更為直觀、細緻、複雜、靈活而快速的動作控制，提高機器人應付複雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術具有重要意義。

基於光學動作捕捉的數據驅動的智能體可以生成高度協同的動作，而且與物理模擬相結合時可以提供對物理干擾、環境變化和形態差異的自然過程響應。現在，越來越多的高校和科研機構選擇採用光學動作捕捉系統做控制類的測試，以及室內定位解決方案。

目前，針對多智能體協同控制的研究有很多，包括智能體之間協同方式、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。

由於NOKOV（度量）光學定位系統定位精度高於慣性導航器件幾個數量級，一般在移動機器人能接收到的光學定位傳輸的數據時，使用光學定位系統進行定位並校正慣性傳感器數據的累計誤差，保持機器人自身存儲數據與光學定位系統數據一致；在某一時間段遇到有遮擋無法得到定位系統傳輸的數據時，使用慣性傳感器的存儲數據進行定位，保證移動機器人能正常運行。

關於動作捕捉技術未來的趨勢，有專業人士分析，一方面是無標記點技術的發展，能夠解決當前無標記點比有標記點更容易產生誤差的問題。另一方面是軟件算法持續升級，未來更智能化、修復和模擬能力更強的軟件算法將成為動作捕捉技術商的核心競爭力之一。

前面提到，光學動作捕捉系統很適合科研或商業應用。事實上，跟控制類相關的專業或學院或科技公司都適用。

美國是全球動作捕捉系統行業中發展最早、技術最先進、市場份額最大的國家；其次是歐洲地區，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行業中發展規模較大、技術相對先進的新興發展中國家之一。特別是近年來，我國動作捕捉系統行業發展迅速，無論是技術研發還是實際應用都取得了長足的進步，市場知名度大大提高，應用領域不斷擴大。

由於技術條件的限制，我們的光學動作捕捉系統產品主要模仿國外先進技術產品，在功能和性能上做了創新和突破，相比於歐美國家的光學動捕系統我國的動捕系統具有絕對的價格優勢，我國的光學動捕系統產品在市場上的整體競爭力也在日益提升，與目前歐美、日本的技術差距正在不斷縮小。

雖然國內動捕行業實現了彎道超車，不斷推出行業爆品，但國內光學動捕公司有自主研發能力的（非進口品牌代理商）鳳毛麟角，主要集中在北京、上海、深圳等一線城市。在國內市場，北京度量科技通過打破技術壁壘、完全自主研發，將光學動捕系統的市場價格打到了一個比較合適的價位。其研發的高精度、較高性價比動作捕捉產品也獲得了國內市場較多的認可。客戶可根據場地大小不同和精度要求不同，選擇不同的數量和型號的鏡頭方案。

Verified Market Research諮詢公司的調研報告顯示，2026年動作捕捉市場規模將增長到20.6億元，年複合增長率達到10.09%。

根據中國產業研究院發布的報告《2020-2026全球與中國3D動作捕捉市場現狀及未來發展趨勢》預測，到達2026年時，全球3D光學動作捕捉市場規模將達到12億元，約占總體市場規模的61.8%。

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