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CAPÍTULO 3: SISTEMA VICON MX

El sistema Vicon MX es el sistema óptico más avanzado de captura de

movimientos disponibles. Los principales componentes de un sistema Vicon son las

cámaras, el módulo de hardware de control, el software (para analizar y presentar los

datos) y el equipo para ejecutar el software. MX ofrece una mayor precisión, mayor

rendimiento y mayor funcionalidad que sus versiones precedentes.

El sistema Vicon MX ha sido diseñado para ser flexible, ampliable y fácil de

integrar en el entorno de trabajo. Con una combinación de los componentes del sistema

se puede crear sistemas de cualquier tamaño y enlazar fácilmente a los dispositivos

externos que desee utilizar.

Cada sistema Vicon MX incluye al menos un MX Giganet para proporcionar

energía y comunicación de datos con hasta 10 cámaras y otros dispositivos. El MX

Giganet también gestiona el flujo de datos a la computadora que ejecuta el software que

se utilizará para analizar los datos. Si el sistema tiene más de diez cámaras necesitará

otra Giganet por cada diez cámaras adicionales.

Figura 16: Arquitectura de sistema Vicon

El sistema Vicon MX usado para este proyecto está conpuesto por 20 cámaras

Vicon T20, 2 MX giganet y un ordenador donde se ejecuta el software que analizará los

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datos captados por las cámaras. En el anexo b) se detallan las características técnicas de

los equipos usados.

3.1. Software

El software con el cual se analizan los datos captados por las cámaras está

albergado en un PC, que se conecta al MX Giganet a través de un puerto gigabyte.

Según la necesidad de la aplicación se usará un software u otro. En este caso se usarán

los programas Tracker y Nexus para la necesidad de seguimiento en vuelo de

quadrotors.

3.1.1. Tracker

Vicon Tracker es una potente solución de seguimiento de objetos que

proporcionan una exactitud sin precedentes para la integración de datos en aplicaciones

3D. Tracker ha sido diseñado para aplicaciones tan diversas como: el seguimiento de

robots, ingeniería de factores humanos, la optimización del método de diseño,

ingeniería virtual y previsualización.

Puede seguir fácilmente 50 objetos únicos de forma simultánea, lo cual nos

facilita poder volar varios quadrotors simultáneamente sin ningún tipo de problema.

Reconoce los cuerpos rígidos en 2D, por lo tanto sus datos continuarán incluso si los

marcadores se hacen visibles a una sola cámara. Esto se traduce en menos lagunas y

datos más confiables.

En la figura 17 se presenta la interfaz de Tracker donde vemos que se divide en

dos partes. La parte de la derecha es la dedicada a la configuración de las cámaras, al

calibrado y manejo de objetos. En la parte de la izquierda se representa la imagen que

capturan las cámaras.

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Figura 17: Interfaz de Tracker

Tracker tiene una latencia de 2,5 milisegundos, lo que es hasta 5 veces menos

que otros sistemas. Esto reduce los problemas de retroalimentación y así se pueden

rastrear objetos en movimiento a gran velocidad.

Sea cual sea la aplicación, Tracker puede rápidamente captar la secuencia de

datos en tiempo real y se puede agregar fácilmente el software Tracker para el sistema

óptico de captura existentes. No sólo funciona con Vicon MX3, serie F, serie T y

cámaras Bonita, también es compatible con el sistema Vicon virtual, lo que permitirá

integraciones prototipo en software sin ningún tipo de hardware.

Para poder usar Tracker se necesita previamente hacer una serie de pasos para

garantizar el buen funcionamiento. En primer lugar cuando abrimos Tracker y tras una

previa inicialización automática de las cámaras hay que comprobar que todas las

cámaras están operativas (figura 18).

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Figura 18: Vicon Cámaras

En la figura 19 se muestran las opciones que posee Tracker para la realización

del calibrado y que pasaremos a explicar a continuación cada uno de ellos.

Figura 19: Calibrado del sistema

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Antes de realizar el calibrado es necesario enmascarar todos los reflejos (figura

20) que el sistema identifique como marcas pero que realmente no lo son y puede causar

interferencias.

Figura 20: Máscara al reflejo en una columna del banco de pruebas

Una vez que en el entorno no tenemos reflejos indeseados procedemos al

calibrado. El calibrador (figura 21) es un objeto con forma de “T” con cinco marcadores

que el sistema conoce sus dimensiones exactas.

Figura 21: Calibrador

Para realizar el calibrado debemos mover el calibrador en el entorno de trabajo

para que Tracker vaya captando datos sobre el calibrador con las distintas cámaras.

Cuando tengamos los datos necesarios para realizar el calibrado se parará esta acción y

Tracker automáticamente realizará el calibrado con los datos obtenidos.

Cuando ya tenemos el sistema calibrado debemos situar el origen de

coordenadas del sistema mediante el calibrador. El calibrador se colocará en el suelo en

el lugar donde queremos que se sitúe el origen de coordenadas y se pulsa el botón “SET

VOLUME ORIGIN”.

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En este momento ya tenemos el sistema Vicon MX listo para usar y por lo tanto

ya podremos colocar objetos y poder identificarlos (figura 22).

Figura 22: Opciones de los objetos

Para ello introducimos un quadrotor en el sistema y procedemos a la creación del

objeto en Tracker para que identifique las marcas que lo forman como un único objeto.

Señalamos todas las marcas que queremos que formen el nuevo objeto y pulsamos el

botón “Create” y ya tenemos un nuevo objeto con el nombre indicado.

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La figura 23 muestra gráficamente cada uno de los estados en la creación de un

objeto. La imagén central representa las marcas captadas por las cámaras antes de

indicarles que ese conjunto de marcas forman un objeto. La imagen inferior representa

el objeto ya creado.

Figura 23: Crear un objeto

También es necesario poner los ejes del objeto correctamente (figura 24) para

que las medidas sean las que queremos en nuestro sistema de referencia. Es tan fácil

como mover eje a la posición y orientación que deseamos.

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Figura 24: Configuración de los ejes del objeto

Ya tenemos un objeto listo para poder obtener los datos en posición y actitud y

así poder controlarlo. En la figura 25 comprobamos la visión del sistema Vicon sobre un

objeto situado en el suelo.

Figura 25: Vista general del escenario

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3.1.2. Nexus

Vicon Nexus es el primer software de captura de movimiento en el mercado. Es

fácil de aprender a usar y ofrece una interfaz muy intuitiva puesto que tiene los botones,

menús y controles donde se espera encontrarlos (figure 26). Nexus ha sido diseñado de

acuerdo con los principios modernos de interfaz de usuario.

Figura 26: Interfaz de Nexus

Nexus es un programa en tiempo real para que poder ver todos los datos en

mismo en el que están sucediendo. Si se agrega una cámara nueva al sistema, no es

necesario hacer nada en Nexus puesto que automáticamente la detecta. Después de la

captura, no se tienen sorpresas desagradables con Nexus ya que se puede comprobar la

calidad de sus datos, almacenar los datos obtenidos y luego se pueden reproducir para

comprobarlos. La figura 27 muestra los datos almacenados en diferentes secciones.

Figura 27: Datos Almacenados por Nexus

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Es la primera aplicación de software en el mercado para integrar vídeo digital de

referencia, de manera que mejora significativamente su facilidad de uso y proceso de

análisis. También es capaz de superponer la información 3D de la imagen de vídeo. Se

puede elegir entre una variedad de cámaras de vídeo digital, utilizando los estándares

DV y DCAM.

Nexus contiene una gran variedad de utilidades para adaptarse a cada una de las

necesidades. Por ejemplo se puede empezar a almacenar automáticamente los datos a

partir que se alcance algún valor determinado, esto es útil para que sólo grabe los datos

cuando el quadrotor está en vuelo. También se pueden observar las graficas de los

valores obtenidos en tiempo real o a posteriori.

Al igual que en Tracker hay que realizar el proceso de calibrado y creación de

cada objeto. El procedimiento en similar en Nexus por lo tanto omitimos la explicación

para no ser redundante.

3.2. Integración software del sistema Vicon

Tanto Tracker como Nexus poseen un flujo de datos que permiten tanto

conexiones TCP unicast como conexiones multicast UDP. Puedes crear un sistema

integrado para la adquisición y el intercambio de datos con dispositivos terceros.

Para esta comunicación tenemos las funciones pertenecientes a la librería

Client.h creada por los desarrolladores de Vicon. De este conjunto de funciones sólo

usaremos las necesarias para nuestra aplicación que son:

- Connect

- GetFrame

- GetSegmentGlobalTranslation

- GetSegmentGlobalRotationEulerXYZ

Connect será la encargada de conectar el PC con el sistema Vicon y así poder

comunicarnos con él. Una vez conectados obtendremos una trama con GetFrame. A

partir de esta trama conseguimos los datos de posición y actitud de cada quadrotor con

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GetSegmentGlobalTranslation y GetSegmentGlobalRotationEulerXYZ

respectivamente.

A continuación mostramos el diagrama de flujo (figura 28) del programa que se

encarga de de la conexión y adquisición de los datos en posición y actitud de cada uno

de los quadrotor. Para ver con más detalle como se ha hecho la integración en el anexo

h) puedes ver el código.

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Figura 28: Diagrama de flujo Sistema Vicon

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3.3. Banco de pruebas

El sistema Vicon será integrado en un banco de pruebas de dimensiones

18x18x6 metros, uno de los banco de pruebas de este tipo más grandes del mundo. Está

construido con una estructura del tipo truss (figura 29) usada principalmente para el

montaje de escenarios.

Figura 29: Estructura truss

Las 20 cámaras que forman el sistema Vicon estarán situadas por el banco de

pruebas de tal forma que visualicen la mayor parte del volumen del banco de pruebas. A

pesar de tener un número de cámaras considerables aparecen zonas muertas en el banco

de pruebas, donde el quadrotor al entrar en alguna de ellas el sistema Vicon pierde su

visibilidad. Estas zonas muertas están situadas principalmente en la parte inferior y

superior de cada una de las columnas que forman el banco de pruebas.

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Figura 30: Imagen del banco de pruebas

Será recubierto por redes para evitar que un quadrotor descontrolado pueda salir

del banco de pruebas y provocar un incidente.