為3億滑雪者制作科技“行頭”

曹洪卿

2019年初，由碩士、博士和幾位老師組成的北京理工大學課題組，增援國家重點研發(fā)計劃中“科技冬奧”課題——研制一套滑雪運動員一年四季都可在室內(nèi)訓練的設(shè)備，主要包括一身可穿戴“行頭”和一套室內(nèi)模擬滑雪平臺。

“行頭”以人體姿態(tài)采集和識別為關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合實時數(shù)據(jù)分析，為滑雪者和滑雪教練提供技術(shù)分析和指導;平臺主要滿足滑雪運動速度快、幅度大的特點，通過控制策略和虛擬場景的結(jié)合，讓滑雪者訓練時，有身臨其境的感覺。

一算時間，距離北京冬奧會開幕只有3年，再減掉提前給運動員訓練使用的時間，所剩研制時間已是迫在眉睫。

帶動3億人滑雪

課題組所有人都是第一次接觸這種大型項目，對相關(guān)技術(shù)都不很了解，對課題研究方案也沒啥頭緒。在老師指導下，我們幾個碩士、博士查閱相關(guān)文獻、了解研究現(xiàn)狀、制定研究方案。

關(guān)于可穿戴“行頭”的姿態(tài)采集設(shè)備，目前市場上有兩三款，但存在一定的缺陷。比如不能在戶外使用、精度不夠高等，需要自主研發(fā)一套設(shè)備來滿足課題需求。

關(guān)于室內(nèi)模擬滑雪平臺，國內(nèi)外對此研究很少，至今也沒有一款能很好提供真實滑雪體驗的設(shè)備。分析主要原因是，滑雪運動具有動作復雜、速度快、幅度大的特點，加大了設(shè)備研制的難度，同時運動員、滑雪平臺和虛擬場景之間的耦合關(guān)系，也給系統(tǒng)的協(xié)同控制增大了難度。

難題就是一座座大山，攔在課題組面前。但在課題組眼里，沒有翻不過的山。在他們心里，比大山更高的是2015年申辦北京冬奧會時，中國向國際社會的鄭重承諾：帶動3億人參與冰雪運動。課題組清楚，我國滑雪人次雖連年劇增，但與“3億人”承諾和我國14億人口基數(shù)比，大眾滑雪的規(guī)模仍有較大潛力。面對我國冬季競技體育項目“冰強雪弱”的現(xiàn)狀，研究出一套不受氣候、場地限制，并能逼真模擬滑雪感受的，室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓練系統(tǒng)，不僅能推動滑雪運動，還能提升專業(yè)運動員水平。

“佳哥”第一個吃螃蟹

如何讓慣性傳感器指導滑雪訓練？

我們遇到了一些棘手問題，不知道怎樣把采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成有效的指導建議。

我國對滑雪項目的研究起步較晚，很少研究室內(nèi)模擬滑雪訓練臺，也缺少指導滑雪訓練的參考文獻。如今難題攤到我們頭上，只能自行開辟全新的研究領(lǐng)域、自行設(shè)計實驗方案、自行采集數(shù)據(jù)，并設(shè)計相關(guān)算法，將有限的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效的指導建議。

第一步要大量采集數(shù)據(jù)。這是科學分析的前提，要求我們召集不同水平的滑雪者，走上室內(nèi)模擬滑雪訓練臺訓練，采集訓練中身體姿態(tài)數(shù)據(jù)。

一開始我們就犯愁：到哪里找滑雪者？由于模擬設(shè)備存在一定的危險性，不能隨便找志愿者在不成熟的設(shè)備上進行訓練。課題組唯一的女同學、被大家叫“佳哥”的張藝佳果斷站了出來：“不就是個滑雪嘛？我羽毛球、跑步、乒乓球、籃球樣樣精通，一通百通，滑雪也能通。讓佳哥先上去體驗！”

張藝佳在我們的攙扶下，穿上雪鞋，爬上梯子，“咔”的一聲，把雪鞋與設(shè)備固定在一起，準備開始第一次模擬設(shè)備上的訓練。我們按下電機開啟按鈕，點擊屏幕上的“Turn-on”，讓設(shè)備進行上下左右前后的動作，還伴隨著旋轉(zhuǎn)運動。藝佳站在設(shè)備上，雙手緊緊握著面前的鐵桿，在逐漸適應(yīng)了設(shè)備的動作后，緩緩擺動雪板并把手虛扶在鐵桿上，隨著雪板的微微轉(zhuǎn)動，開始了左右往復的模擬回轉(zhuǎn)動作，雖然速度還不快，但終于邁出了第一步。

從設(shè)備上把張藝佳扶下來后，滿頭大汗、渾身松軟的她，嘴一點兒不軟：“我就說嘛，這種東西能難倒你們佳哥嗎？”張藝佳成了課題組一面旗幟。實驗室專門組織滑雪活動，讓我們在南山滑雪場上第一次系統(tǒng)學習滑雪技能?；貙嶒炇液?，又在張藝佳指導下，都站在設(shè)備上練習滑雪動作，用收獲的大量數(shù)據(jù)，與不同水平的滑雪者滑行數(shù)據(jù)分析和對比，通過相應(yīng)算法提取能夠反映滑雪水平的滑行特征。最后與高水平滑雪者的標準滑行特征作對比，實時為滑雪者提供相應(yīng)的技術(shù)指導。

嘆氣發(fā)呆的同學給了我一巴掌

無論是實驗室內(nèi)模擬滑雪設(shè)備，還是對滑雪運動的分析訓練，只有在滑行中準確捕捉姿態(tài)信息，才能更加科學化開展后續(xù)工作。

然而，在研制人體姿態(tài)捕捉設(shè)備時，出現(xiàn)了通信不穩(wěn)定、慣性傳感器漂移等問題。負責這一部分設(shè)備研制的李佩璋同學，每天不是嘆氣就是發(fā)呆。有人勸勸他，可他總是反問：“層出不窮的故障，意想不到的差錯，我也知道有錯誤，知道錯誤可能出現(xiàn)在哪里，可我就是不會改，也不敢改，你說我該咋辦？”

南山滑雪場學滑雪

雪場測試

一周后的一個中午，李佩璋突然對我胳膊使勁給了一巴掌：“這星期我一直刷論壇，總算找到有類似問題的同行，從他發(fā)的圖片水印上，找到了他的微博，跟他私信上了。他推薦我看一本英國人寫的書《捷聯(lián)慣性導航技術(shù)》，看后深受啟發(fā)。馬上改代碼！”我見他快速滑動鼠標滾輪的手、上下?lián)u擺的大腳丫子和滿懷希望的眼神，我知道，離成功不遠了。

一個月后，李佩璋給我們展示電腦屏幕中的虛擬人物，這個人物和李佩璋做著一模一樣的動作，說明已精確捕捉到人體每個姿態(tài)。道阻且長，行則將至。

指捏銀針縫綁帶

姿態(tài)捕捉模塊需要按照對應(yīng)位置，固定在人體的各個肢體部位，不能晃動，才能捕捉準確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

剛研制姿態(tài)模塊時，我們只是簡單地用透明膠帶，將模塊粘在身體上，有時粘不牢，圖像都飄了。一天，有位同學指著電腦屏幕上虛擬人物不停亂抖動的腿說：“滑雪時咱們身體總得動吧，要是固定不牢，這個模塊做得再好都沒用，采集的數(shù)都是錯的?！?/p>

我們趕緊查看類似產(chǎn)品怎么做的，發(fā)現(xiàn)都是把姿態(tài)采集模塊固定在彈性帶上，再把彈性帶綁到身體各部位。我們在網(wǎng)購平臺上查找成品彈性帶，查了半天沒找到，便決定在網(wǎng)上購買彈性布料，讓裁縫制作彈性帶，爭取在我們?nèi)ツ仙交﹫鰧嵉鼗r用上，順便采集一些實地滑雪的數(shù)據(jù)。

去滑雪場的前一天下午，我們拿到了布料，按照與裁縫的約定上門。沒料到裁縫臨時有事出門了，別的裁縫店一時難以找到，立刻傻眼：總不能明天去滑雪場還靠透明膠布粘呀。

“我會縫，讓我試試！好的縫不來，差一點兒能用就行?！逼匠Ｕf話慢條斯理的方勖洋同學，成了我們的“大救星”。

晚飯后我們回到實驗室，圍著方勖洋做起“針線活”。平常實驗室桌子上都是電烙鐵、萬用表、焊錫絲，這下?lián)Q成了布料和針線包。方勖洋一邊教我們怎么打結(jié)、怎么走線縫牢，一邊用自己天仙手，摘星穿月地開工了，兩個小時后，把十幾個彈性綁帶做好了。雖然走線不怎么整齊，外觀也不是很好看，但總歸是能用了。有人說：“理工科學生真是萬能呀，能手持烙鐵焊零件，能對著電腦敲代碼，還能指捏銀針縫綁帶！”

課題組迎來了金秋時節(jié)：兩項成果已受理發(fā)明專利，3項成果在申發(fā)明專利，3篇論文已錄用，3篇論文在審。還獲得2020年北京理工大學世紀杯一等獎，2021年挑戰(zhàn)杯“科技冬奧”專項賽一等獎。接受新華社、央視新聞直播間等多家新聞媒體采訪。

責任編輯：王新偉