曹洪卿
2019年初,由硕士、博士和几位老师组成的北京理工大学课题组,增援国家重点研发计划中“科技冬奥”课题——研制一套滑雪运动员一年四季都可在室内训练的设备,主要包括一身可穿戴“行头”和一套室内模拟滑雪平台。
“行头”以人体姿态采集和识别为关键技术,结合实时数据分析,为滑雪者和滑雪教练提供技术分析和指导;平台主要满足滑雪运动速度快、幅度大的特点,通过控制策略和虚拟场景的结合,让滑雪者训练时,有身临其境的感觉。
一算时间,距离北京冬奥会开幕只有3年,再减掉提前给运动员训练使用的时间,所剩研制时间已是迫在眉睫。
课题组所有人都是第一次接触这种大型项目,对相关技术都不很了解,对课题研究方案也没啥头绪。在老师指导下,我们几个硕士、博士查阅相关文献、了解研究现状、制定研究方案。
关于可穿戴“行头”的姿态采集设备,目前市场上有两三款,但存在一定的缺陷。比如不能在户外使用、精度不够高等,需要自主研发一套设备来满足课题需求。
关于室内模拟滑雪平台,国内外对此研究很少,至今也没有一款能很好提供真实滑雪体验的设备。分析主要原因是,滑雪运动具有动作复杂、速度快、幅度大的特点,加大了设备研制的难度,同时运动员、滑雪平台和虚拟场景之间的耦合关系,也给系统的协同控制增大了难度。
难题就是一座座大山,拦在课题组面前。但在课题组眼里,没有翻不过的山。在他们心里,比大山更高的是2015年申办北京冬奥会时,中国向国际社会的郑重承诺:带动3亿人参与冰雪运动。课题组清楚,我国滑雪人次虽连年剧增,但与“3亿人”承诺和我国14亿人口基数比,大众滑雪的规模仍有较大潜力。面对我国冬季竞技体育项目“冰强雪弱”的现状,研究出一套不受气候、场地限制,并能逼真模拟滑雪感受的,室内多自由度模拟滑雪训练系统,不仅能推动滑雪运动,还能提升专业运动员水平。
如何让惯性传感器指导滑雪训练?
我们遇到了一些棘手问题,不知道怎样把采集到的数据,转换成有效的指导建议。
我国对滑雪项目的研究起步较晚,很少研究室内模拟滑雪训练台,也缺少指导滑雪训练的参考文献。如今难题摊到我们头上,只能自行开辟全新的研究领域、自行设计实验方案、自行采集数据,并设计相关算法,将有限的数据转换为有效的指导建议。
第一步要大量采集数据。这是科学分析的前提,要求我们召集不同水平的滑雪者,走上室内模拟滑雪训练台训练,采集训练中身体姿态数据。
一开始我们就犯愁:到哪里找滑雪者?由于模拟设备存在一定的危险性,不能随便找志愿者在不成熟的设备上进行训练。课题组唯一的女同学、被大家叫“佳哥”的张艺佳果断站了出来:“不就是个滑雪嘛?我羽毛球、跑步、乒乓球、篮球样样精通,一通百通,滑雪也能通。让佳哥先上去体验!”
张艺佳在我们的搀扶下,穿上雪鞋,爬上梯子,“咔”的一声,把雪鞋与设备固定在一起,准备开始第一次模拟设备上的训练。我们按下电机开启按钮,点击屏幕上的“Turn-on”,让设备進行上下左右前后的动作,还伴随着旋转运动。艺佳站在设备上,双手紧紧握着面前的铁杆,在逐渐适应了设备的动作后,缓缓摆动雪板并把手虚扶在铁杆上,随着雪板的微微转动,开始了左右往复的模拟回转动作,虽然速度还不快,但终于迈出了第一步。
从设备上把张艺佳扶下来后,满头大汗、浑身松软的她,嘴一点儿不软:“我就说嘛,这种东西能难倒你们佳哥吗?”张艺佳成了课题组一面旗帜。实验室专门组织滑雪活动,让我们在南山滑雪场上第一次系统学习滑雪技能。回实验室后,又在张艺佳指导下,都站在设备上练习滑雪动作,用收获的大量数据,与不同水平的滑雪者滑行数据分析和对比,通过相应算法提取能够反映滑雪水平的滑行特征。最后与高水平滑雪者的标准滑行特征作对比,实时为滑雪者提供相应的技术指导。
无论是实验室内模拟滑雪设备,还是对滑雪运动的分析训练,只有在滑行中准确捕捉姿态信息,才能更加科学化开展后续工作。
然而,在研制人体姿态捕捉设备时,出现了通信不稳定、惯性传感器漂移等问题。负责这一部分设备研制的李佩璋同学,每天不是叹气就是发呆。有人劝劝他,可他总是反问:“层出不穷的故障,意想不到的差错,我也知道有错误,知道错误可能出现在哪里,可我就是不会改,也不敢改,你说我该咋办?”
南山滑雪场学滑雪
雪场测试
一周后的一个中午,李佩璋突然对我胳膊使劲给了一巴掌:“这星期我一直刷论坛,总算找到有类似问题的同行,从他发的图片水印上,找到了他的微博,跟他私信上了。他推荐我看一本英国人写的书《捷联惯性导航技术》,看后深受启发。马上改代码!”我见他快速滑动鼠标滚轮的手、上下摇摆的大脚丫子和满怀希望的眼神,我知道,离成功不远了。
一个月后,李佩璋给我们展示电脑屏幕中的虚拟人物,这个人物和李佩璋做着一模一样的动作,说明已精确捕捉到人体每个姿态。道阻且长,行则将至。
姿态捕捉模块需要按照对应位置,固定在人体的各个肢体部位,不能晃动,才能捕捉准确的姿态数据。
刚研制姿态模块时,我们只是简单地用透明胶带,将模块粘在身体上,有时粘不牢,图像都飘了。一天,有位同学指着电脑屏幕上虚拟人物不停乱抖动的腿说:“滑雪时咱们身体总得动吧,要是固定不牢,这个模块做得再好都没用,采集的数都是错的。”
我们赶紧查看类似产品怎么做的,发现都是把姿态采集模块固定在弹性带上,再把弹性带绑到身体各部位。我们在网购平台上查找成品弹性带,查了半天没找到,便决定在网上购买弹性布料,让裁缝制作弹性带,争取在我们去南山滑雪场实地滑雪时用上,顺便采集一些实地滑雪的数据。
去滑雪场的前一天下午,我们拿到了布料,按照与裁缝的约定上门。没料到裁缝临时有事出门了,别的裁缝店一时难以找到,立刻傻眼:总不能明天去滑雪场还靠透明胶布粘呀。
“我会缝,让我试试!好的缝不来,差一点儿能用就行。”平常说话慢条斯理的方勖洋同学,成了我们的“大救星”。
晚饭后我们回到实验室,围着方勖洋做起“针线活”。平常实验室桌子上都是电烙铁、万用表、焊锡丝,这下换成了布料和针线包。方勖洋一边教我们怎么打结、怎么走线缝牢,一边用自己天仙手,摘星穿月地开工了,两个小时后,把十几个弹性绑带做好了。虽然走线不怎么整齐,外观也不是很好看,但总归是能用了。有人说:“理工科学生真是万能呀,能手持烙铁焊零件,能对着电脑敲代码,还能指捏银针缝绑带!”
课题组迎来了金秋时节:两项成果已受理发明专利,3项成果在申发明专利,3篇论文已录用,3篇论文在审。还获得2020年北京理工大学世纪杯一等奖,2021年挑战杯“科技冬奥”专项赛一等奖。接受新华社、央视新闻直播间等多家新闻媒体采访。
责任编辑:王新伟