关键词：高精度光学三维运动捕捉、Qualisys、船舶耐波性、海上结构物动态响应、系泊系统验证、水下机器人导航、离岸风电、无接触6DoF测量、水上-水下双系统、实时运动解析、海洋工程水池试验、浮托安装、铰接浮体、漂浮式光伏、缆索形状定位、蛇形机器人、运动补偿、A-SWARM自主船、Ocean Engineering、MARIN、NTNU AMOS。

随着人类对海洋资源开发的持续深入，对海洋环境、船舶设计、海洋工程及水下机器人等领域的研究需求与应用水平也日益提升。海洋工程领域的发展，离不开对海洋环境、船舶性能以及海洋结构物的深入认识与精准测量。高精度光学三维运动捕捉技术作为一种先进的测量与动态捕捉手段，已逐渐成为船舶与海洋工程领域不可或缺的工具。该技术不仅显著提升了海洋工程与船舶设计的效率，也为海洋生态监测与环境保护提供了全新的视角。

Qualisys 是全球领先的三维运动捕捉技术提供商，拥有超过 35 年的行业经验。其系统支持非接触式高精度的六自由度（6DoF）追踪，可实现水上与水下同步采集与输出，具备大体积覆盖能力、无限数量刚体的同时追踪能力，并支持实时数据流与闭环控制。被世界各地发用户应用于游泳分析、水中步态与康复研究，以及拖曳水池、造浪水槽和海洋工程水池等工业工程领域，也被用于水下动作捕捉及影视动画的制作。其坚固耐用、操作流畅，独特设计平衡体积与重量，使摄像机在水中呈中性浮力，便于安装；并通过40米水压测试，确保运行安全可靠。

根据场地情况、所测试项目的具体要求，选择不同型号的摄像机，以满足特定的测试需求。

Arqus Underwater 装备了24颗大功率深蓝色LED灯珠，LED功率高，光强分布好，足够照亮30m远的标记点。同时，LED灯通过热连接到防护外罩，冷却效果极佳，适合长时间工作而又保持良好的运行状态。定制的防护外罩由不锈钢/聚碳酸酯塑造而成，具有超强抗冲击性、耐腐蚀性、透光性好等特点，并且通过了40m深度的水压测试。

更小巧精致的Miqus Underwater摄像机开辟了密闭空间的水下测量的新天地。Miqus重量刚刚超过2kg，仅为Arqus Underwater的一半重量，广角镜头使其更容易在较小的水槽和水池进行短距离测量。

Qualisys 系统已广泛应用于中国海洋工程科研与测试实践中，相关研究成果陆续发表于 Ocean Engineering、Journal of Marine Science and Engineering、《海洋工程》、《哈尔滨工程大学学报》等国际权威期刊及北大中文核心期刊。我们的用户正通过科学研究与工程实践相结合的方式，推动科研成果落地转化，为中国海洋科技创新与可持续发展贡献力量。

在水池中进行缩尺模型试验时，研究人员可在船体关键部位布设反光标记点，通过Qualisys运动捕捉系统实时测量6DoF运动数据（包括位置与姿态），用于分析不同推进方式、船型结构和负载条件下的动态响应差异。

在Hydrodynamic Performance and Motion Prediction Before Twin-Barge Float-Over Installation of Offshore Wind Turbines（海上风电机组双船浮托安装前的水动力性能与运动预测研究）一文中，清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究所的赵梦阳等构建了1:50比例的双船浮托安装系统物理模型。实验中，研究团队使用 Qualisys 三维运动捕捉系统高精度记录浮托结构的6DoF运动，并结合水下张力传感器与塔顶加速度计，实现对结构响应与系泊张力的全方位监测。

试验涵盖自由衰减、规则波与不规则波工况，结果与数值模拟高度吻合，显示该系统具备良好的耐波性与响应稳定性。研究进一步利用运动数据开展短期运动预测，为提升浮托安装作业的安全性与可行性提供了有效技术支撑。

对于半潜式平台、张力腿平台（TLP）或SPAR浮式风电基础，可在模型上设置标记点，模拟其在波浪、风力和水流作用下的整体和局部响应，从而优化结构设计与系泊系统布局。

在 Motion characteristics of large arrays of modularized floating bodies with hinge connections（铰链连接模块化大型浮体阵列的运动特性研究）中，张德庆等通过 1:1 模块化浮体模型搭建五箱铰接系统，在Kelvin Hydrodynamic Laboratory 海洋水动力实验室的试验水槽中开展物理试验，研究大尺度铰接浮体阵列的耦合运动特性。

试验中，研究人员利用Qualisys运动捕捉系统，精确记录每个模块在波浪作用下的运动时间序列（包括自由衰减试验和规则波响应），并结合自研数值程序MHydro进行比对验证，取得良好吻合。结果揭示：铰接结构抑制了阵列整体的垂荡响应，但在长波作用下产生较强的俯仰耦合；阵列末端模块最易激发强响应，系统对系泊约束高度敏感。该研究为柔性可拓展浮式结构（如漂浮平台、浮式能源阵列）的工程设计提供可靠数据支撑。

通过在浮体、系泊缆、锚链等位置布设标记，运动捕捉系统可精确测量系泊系统在不同环境载荷下的动态性能，用于验证海工仿真模型与现实工况的吻合度。

在《深水桥梁浮式基础系泊体系研究》中，向升等在上海交通大学海洋工程国家重点实验室开展 1:70 水动力缩尺模型试验，考察不同系泊体系（斜向索、张力腿、组合式）对浮式基础动力响应的影响。

实验使用了Qualisys高精度光学运动捕捉系统，在浮体结构关键部位布设反光标记点，结合DIC 图像测量技术与张力传感器，全面采集结构 6DoF响应与各系泊索张力变化。实验在风洞循环水槽中模拟规则波、不规则波及自由衰减等多种工况，通过对比各体系下结构的响应幅值、功率谱密度等参数，揭示了系泊形式与刚度配置对浮式结构稳定性的关键影响。该研究可为深水桥梁浮式基础的后续研究与应用提供参考借鉴。

配合波浪发生器，系统可同步捕捉水面运动与结构体响应，从而研究波浪冲击下的非线性响应特征和涌浪激励效应。

付国强等发表的《首部射流对圆柱涡激振荡抑制的实验研究》一文，在哈尔滨工程大学拖曳水池中，通过在圆柱模型前部布设不同开孔密度的首部射流装置，研究射流对单自由度涡激振荡（VIV）的抑制效果。

实验中使用Qualisys光学运动捕捉系统（Oqus 3系列摄像机，QTM软件），以50Hz采样频率高精度记录圆柱模型在横向的位移响应。通过对比不同射流流量、开孔布置和雷诺数条件下的试验数据，揭示了涡激振荡的两种响应模式：一是横向位移的显著突降，二是振荡进入稳定饱和区间。

在室内水池中，运动捕捉系统可用于校准水下机器人轨迹、验证控制算法、测试稳定性，并与IMU、压力传感器等进行多源同步。

在Realization and Online Optimization for Gliding and Flapping Propulsion of a Manta Ray Robot（仿蝠鲼机器人滑翔-扑动一体推进的实现与在线优化）一文中，西北工业大学 Yonghui Cao 等设计了一种基于中央模式发生器（CPG）的仿生控制方法，实现了仿蝠鲼机器人的滑翔-扑动协同推进控制，并利用 Qualisys  运动捕捉系统实时获取其关键特征点运动轨迹。

在优化实验中，运动捕捉数据被用于评估机器人姿态与生物运动模式的相似性，通过粒子群优化算法（PSO）迭代调整控制参数，最终实现机器人游动姿态与蝠鲼的相似度达到 86.93%，同时运动稳定性也获得显著提升，验证了该优化方法的有效性。本研究为仿蝠鲼机器人运动控制优化和环境适应性的实现提供了新的思路。

浮动式风电基础（如浮筒+桅杆+风机）在水动力环境下的运动表现可借助运动捕捉系统进行完整测试与动态评估，为结构安全性与发电效率提供数据支持。

在《基于视觉振动测量的漂浮式风力机状态监测方法研究》中，上海交通大学唐一皓等在风浪流水池中进行了漂浮式风力机缩尺模型试验，采用Qualisys 三维运动捕捉系统捕捉平台的 6DoF 运动，作为视觉振动测量结果的高精度参考。

试验中，团队利用单目视觉相机采集二维运动视频，结合二维运动解析和相位运动估计方法，对漂浮式平台运动和风力机塔筒振动进行识别。实验涵盖规则波与白噪声两类典型波浪激励工况，识别误差除垂荡运动外均低于 10%。研究表明，该视觉振动测量方法在复杂环境下具备较高的识别精度，验证了其在漂浮式风力机状态监测中的应用潜力。

挪威科技大学的自主海洋作业和系统中心（NTNU AMOS）有一项针对水下蛇形机器人的研究，主要应用于水下探险、检测、监视和检查工作。该中心从事蛇形机器人已经超过10年，使用最新的机器人Mamba进行水下实验。

通过使用水下蛇形机器人Mamba获得了一系列研究结果，这为改善现代化水下交通工具的效率和可操纵性带来了光明前景。比如，能实现检查海底石油和天然气装置的可能性。此外，获得了针对不同路径跟随控制方法的实验结果，并且验证了控制策略可以成功地使机器人朝着期望路径前进。

NTNU AMOS采用Qualisys系统来捕捉机器人的动作。同时，他们使用Qualisys插件Labview实时输出功能，将水下镜头捕捉的位置反馈到控制器，从而关闭控制回路。

荷兰MARIN公司围绕“漂浮式太阳能”建立从数值模型、模型试验到实海监测的全套研发体系：他们通过CFD、时域耦合模拟与1:40/1:25缩尺模型在风浪流水池的联合试验，量化浮体、系泊与阵列连接在极端风浪下的受力与响应；开发“太阳跟踪-波浪自适应”双轴铰接、柔性锚固和模块化电气接口，使平台在2.5 m有义波高、50 m水深下仍保持≥95 %发电可用率并降低10 %以上LCOE。

为精准测量阵列的运动与受力，MARIN 使用 16 台 Qualisys Arqus A12 摄像机，追踪 240个标记点 ，54个6DoF 刚体，实时记录平台在风、浪、流作用下的动态响应。本次测试验证了浮动光伏阵列在真实海况下的稳定性，为未来海上可再生能源的发展提供重要依据。

2023年年初，土伦大学Christophe, Juliette等人在 Ocean Engineering 杂志发表了关于利用无人潜水器（ROV）的缆索形状对其进行定位的论文。ROV的缆索可以实时传输信息或为机器人提供能源，但也存在缠绕或者难以预测其形状等问题。这就引发了是否可以不用缆索的问题。为了将这些劣势转化为优势，论文作者提出了一种通过观察ROV缆索形状来估计其姿态的方法。缆索配备有移动压载物和浮标，使其具有可预测的直线形状，无需机械或者TMS，易于架设。由此可以定义缆索的简单数学模型。利用这些模型和测量电缆末端的角度，可以确定ROV的位置。由此，他们提出了三种不同设备的缆索形状的数字模型，用于确定ROV的位置。

该实验的测试在泳池进行。缆索上安装了反光胶带制成的标记点，每隔20cm贴一个，然后通过Qualisys水下运动捕捉系统采集数据。标记点胶带足够薄，不会影响缆索的运动。Qualisys水下运动捕捉系统由5个Miqus Underwater水下摄像机组成（4个摄像机固定在水池边缘，1个摄像机放置在水池底部），采集ROV运动时缆索的位移。使用QTM软件处理数据，对每一个标记点进行定位。然后，研究人员将缆索形状的预估结果与运动捕捉系统采集的实际位置进行比较、验证。

不仅如此，法国土伦大学机械与机器人实验室（COSMER）的机器人学和计算机视觉研究团队还将 Qualisys 运动捕捉系统广泛应用于更多课题。COSMER利用Qualisys运动捕捉系统开展了水下自主监测与交互研究，主要涉及潜水员的运动状态数据采集、手势识别与行为评估，并通过与AUV的交互实现潜水员的水下控制。此外，COSMER与西班牙赫罗纳大学合作，利用Qualisys系统验证了RMMAT算法，开展了水下机器人水动力参数评估、缆索形状视觉分析、潜水员声学定位、动作识别及SLAM数据库构建等多组实验。

无人航行器与潜水员的交互

水下机器人算法验证

挪威运动实验室由挪威研究委员会、挪威海上风能中心（NORCOWE）和阿格德尔大学（UiA）合作成立，作为SFI海上机电一体化项目的一部分，运动实验室进行的基础研究主要围绕船对船运动补偿。

在海上应用中，经常需要在两艘船之间、一艘船和风力涡轮机（固定或浮动）之间转移负载，或将一件设备下放到海底。通常，这些操作需要熟练的操作人员，他们能够平稳地控制船舶甲板机械，不受波浪的影响。该实验室主要研究各种策略，消除被处理物体的海上运动，并开发一个框架，以帮助人类在恶劣的海上条件下尽可能安全、有效地执行载荷转移操作。在实际的近海环境中进行实验之前，可以先在舒适的室内进行研究。

运动补偿实验中遇到的关键挑战之一是补偿精度的评估，即根据参考值确定被处理对象的姿态和方向的相对误差。运动实验室有17个Qualisys700+摄像机，可以覆盖整个实验室空间，安装了运动捕捉系统后，可以立即获得关于转移载荷的完整的6自由度信息，令研究工作更加快速便捷。

2021年3月，德国罗斯托克大学的大城市航道上的自主电力航运(A-SWARM)项目在德国波茨坦研究所(SVA)进行了首次测试。该项目将用于基于自主电力船舶的现代城市物流项目，这些电力船舶可以组合在一起形成一艘大型船舶。重点是开发自主表面艇。这些演示装置可以单独运行，也可以同时运行。 其中一个船舶模型配备了两个360°可旋转的5千瓦内联推进器（RIM驱动器）。姿态测量是在室内进行的，测量车上安装了Qualisys运动捕捉系统。

该测试用于识别运载工具的运动模型和参数化控制系统，从而实现灵活和精确的速度和姿态控制。运动模型还作为非线性卡尔曼滤波器的基础，该滤波器除了基于模型的速度估计外，还可以估计电流和风力。此外，还研究了不同运行模式下的定位、滤波器和控制器结构的效率和性能。 此次测试的目标是在有限的环境下对运载工具的精确操纵，以及控制系统对电流和风等干扰的快速补偿。这些目标都已达成，下一步将集成典型的导航传感器，以便在野外操作运载工具。

Qualisys开创性地将水上摄像机和水下摄像机相结合，也即“双系统”设置，将两者合为一个运动捕捉系统，同时采集和输出数据。在水上和水下系统中添加同步和校准的视频摄像机，通过在图像上叠加3D和6DOF数据，更直观看到船舶运动。也可以将视频摄像机独立使用，应用于各种场景中。

水上水下双系统能够精确测量受测物体进出水面整个过程中的运动姿态。通过在水池池壁周围均匀布置摄像机固定装置，根据实验环境大小安装多台水上水下三维运动捕捉摄像机，每个三维运动捕捉摄像机通过电源线缆连接装置和交换机并联起来，在水面上环绕池壁周围布置主动发光式参考标记（含安装座，并在每个安装基座上面固定主动式发光参考标记），可达到覆盖测试水域的要求。

水面和水下无接触运动捕捉系统整理体布局覆盖范围示意图

该系统能够在复杂水动力环境下，在无需与水下/水上目标物有任何接触的情况下，精确测量潜艇/舰船模型、水下机器人、海洋工程模型等多刚体目标物的六自由度运动数据、空间运动轨迹、运动姿态和活动范围，实现多刚体的空间位置、速度、角度、加速度、角速度等六自由度数据的实时输出；通过软件对运动姿态进行解析，精确分析运动模式和六自由度运动规律，从而开展潜艇/舰船、水下机器人、海洋结构物等的耐波性、操纵性、锚泊和动力定位系统研究。

Qualisys是全球领先的高精度运动捕捉和3D位置追踪系统供应商，正被全世界的科研团队广泛应用于海洋工程研究、智能装备测试、结构响应评估等多个领域。赢富仪器作为Qualisys的中国官方代理商，致力于为改进船舶和海洋工程结构设计、运行和可持续性，以及流体力学实验室与海上试验场建设提供专业的解决方案。如需获取相关产品或了解更多信息，欢迎致电4006-111-556详询！