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航天员舱内运动采集与测量分析系统研究

周剑  
【摘要】: 研究航天员舱内运动对飞船的影响,对改进太空船设计和保证太空船安全、顺利的完成飞行任务具有重要意义。使用光学测量的方法对航天员舱内运动进行测量与分析,操作方便、对环境限制要求少,可移植性强,具有接触式传感器测量等其它方法不可比拟的优越性。 本文以光学测量为技术手段,研究了图像采集、像机同步、像机标定、目标自动检测、跟踪定位、三维运动参数测量、多目标匹配等相关技术,并据此成功地设计和实现了航天员运动参数采集、测量与分析系统,该系统包含图像采集与存储、图像测量与分析两个分系统,都可以很方便地移植到太空微重力环境。其中,图像采集与存储子系统,可以实现多台像机对航天员运动的实时、同步采集和存储;图像测量与分析子系统,可以实现对航天员的三维运动测量,并可方便的得到航天员质心运动的规律。同时,本文完成了航天员舱内运动的地面模拟实验的方案设计和软硬件设计,对航天员的肢体运动和整体运动进行了地面模拟环境下的实验研究,得到了可靠、准确的实验数据,首次实现了对航天员舱内运动的定量分析。 本文的主要工作包括: 1、提出了一种基于单台PC控制多像机异步触发、同步存储的方法。研究了图像采集相关硬件(1394扩展卡和CCD像机)的工作原理和Windows网络校时的原理,并在Visual C++环境下实现了图像采集与存储系统。 2、研究了多像机光学测量的原理。针对本文的特点,研究和改进了目标提取、目标匹配,以及像机交会的方法,研究了人体测量和现代运动生物力学有关内容,改进了相关人体模型,实现了人体质心测量的算法。在Visual C++环境下实现了包括像机标定、目标跟踪、目标提取、三维交会以及三维运动参数图形化的光学图像测量与分析系统。 3、研究了航天员在飞船飞行任务中可能发生的动作和行为资料,据此总结出的航天员5种基本动作,改进了动作设计方案,进行了航天员舱内运动地面模拟实验,完成了对这些基本动作的数据采集和分析,得到了实验结果。


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