基于序列图像测量的质点与刚体运动学虚拟仿真实验

责任编辑：系统管理员 2020-2-18 0:41:00 浏览：49214

一、项目名称

基于序列图像测量的质点与刚体运动学虚拟仿真实验

二、教学目标

本项目围绕大学物理运动学部分“点的复合运动”经典案例“船舶离岸时船上人员的绝对与相对运动”的教学需求，依托序列图像测量技术，构建了“基于序列图像测量的质点与刚体运动学虚拟仿真实验”。实验开发提炼了学校在光测力学和载人航天工程研究方面的研究成果，针对运动图像采集、目标运动测量、平台运动测量等相关问题，构建了无人机飞行操控、虚拟图像生成、航母离港运动等仿真模型，设计了“无人机操作训练与运动图像采集”、“平面复杂运动测量与分析”、“观测平台三维运动反演”等三个虚拟仿真实验模块。本实验预期达到以下教学目的：

1）加深学生对坐标系、质点与刚体运动、运动合成等概念的实际理解

地面、无人机、航母等对象，为学生提供了直观的参考坐标系，航母的运动可以作为标准的平面运动案例，航母上人员的运动则可以充分体现质点绝对运动和相对运动。通过本实验，学生可以深入掌握质点位置、速度、加速度以及刚体平面运动的计算方法，验证速度和加速度合成定理。

2）训练学生基于图像的运动学测量技能，理解测量误差及其影响

运动测量受测量数据精度、算法精度等的综合影响，测量得到的运动规律与理论结果有时候大相径庭，通过本实验实际操作，学生可以加深实测的概念，了解误差传递规律。

3）支撑科学教育中的计算（Computing in Science Education, CSE）教学实践

数值计算能力培养当前大学生教育的重要趋势，计算技术与科研和实际工作结合越来越紧密，本实验通过实验数据处理和运动解算，充分训练学生对数值微分、线性插值、矩阵运算等数值算法的应用能力，通过线下拓展训练可以进一步培养学生编程能力。

4）拓展学生知识面，了解遥感技术和视觉导航技术原理

孙子兵法曰“知彼知己，百战不殆”，对运动状态的感知是知彼知己的核心内容之一。现代战争中，知彼知己的典型代表分别是遥感技术和视觉导航技术。本实验中的目标运动测量和平台运动测量分别对应这两项技术。

本实验主要用于工科专业《大学物理-力学》课程教学，也可扩展用于《理论力学》、《遥感图像测量》、《飞行器导航原理》等课程实验教学。

三、实验内容

本项目完全以虚拟仿真软件作为支撑，实验软件在服务器上部署和运行，前端仅需要高性能计算机即可开展实验操作，无需额外硬件设备。本实验所涉及的虚拟仪器设备主要是四旋翼无人机和遥控器，构建了航母码头和航母离港运动的虚拟场景，如图1所示。

图1 三维虚拟实验场景

本实验包括三个独立运行，又相互衔接的虚拟仿真实验模块。

（1）无人机操作训练与运动图像采集模块

在可视化技术支持下，构建了四旋翼无人机、遥控器、图传系统等仿真模型，以及航母码头和航母离港运动的场景模型，实现了无人机基本操作训练、图像采集等功能，可以灵活切换无人机操控模式。

图2航母运动图像采集实验

（2）平面复杂运动测量与分析模块

依托图像处理和数值计算技术，实现了对航母离港场景中航母运动图像处理和运动学分析功能，可以进行目标运动序列图像剪辑、平面运动特征点标定、运动坐标识别、速度和加速度计算、速度和加速度合成定理分析、曲线数表演示、实验报告自动生成等系列操作。

图3舰船运动特性分析实验

（3）观测平台三维运动反演模块

依托图像处理和数值计算技术，实现了对地面参考目标图像处理和平台质点运动学解算功能，可以进行参照物序列图像剪辑、导航特征点标定、观测平台三维位置识别、三维速度和加速度计算、曲线数表演示、实验报告自动生成等系列操作。

图4 观测平台三维运动反演实验