北理工為科技冬奧賦能助力
發(fā)布日期：2021-03-28 供稿：根據(jù)新華社、《光明日報》等媒體報道整理 攝影：新華社、各項目團(tuán)隊
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數(shù)：【編者按】2021年是中國共產(chǎn)黨成立100周年，是實(shí)施“十四五”規(guī)劃、開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程的第一年。在全黨開展黨史學(xué)習(xí)教育之際，黨委宣傳部特別推出“永遠(yuǎn)跟黨走、奮進(jìn)新征程”專題報道，全面展現(xiàn)學(xué)校加強(qiáng)黨的領(lǐng)導(dǎo)黨的建設(shè)取得的成績，生動講好北理工人的奮斗故事，廣泛凝聚學(xué)校事業(yè)發(fā)展的磅礴力量，以優(yōu)異成績迎接中國共產(chǎn)黨百年華誕。
如何使滑冰滑雪的動作更精準(zhǔn)？如何在非雪季進(jìn)行雪上訓(xùn)練？……為備戰(zhàn)北京冬奧會，提升冬季運(yùn)動項目訓(xùn)練水平，幾年來，由北京理工大學(xué)牽頭開展的一項項“科技冬奧”項目穩(wěn)步推進(jìn)。一項項“黑科技”已經(jīng)或即將運(yùn)用于我國冬季運(yùn)動項目的訓(xùn)練中，助力“科技冬奧”，讓運(yùn)動員在冰雪賽場上更快、更強(qiáng)！
在距離北京冬奧會還有不到一年的時間里，北理工的冬奧“黑科技”項目得到了中央電視臺、新華社、《光明日報》等媒體的廣泛關(guān)注和報道。讓我們跟隨媒體一同認(rèn)識一下奮戰(zhàn)在科技冬奧戰(zhàn)線上的幕后英雄和他們的“黑科技”。
“高精鏡頭”追蹤冰上運(yùn)動軌跡
光電學(xué)院儀器研究所副教授劉明正在進(jìn)行設(shè)備調(diào)試
連日來，在首都體育學(xué)院的滑冰館內(nèi)，北理工光電學(xué)院儀器研究所副教授劉明帶領(lǐng)團(tuán)隊一遍遍測試設(shè)備?？磁_上豎立著圖像采集云臺變焦設(shè)備和超高清相機(jī)，劉明盯著4K顯示器中正在冰場內(nèi)滑冰的測試人員圖像，操作電腦，采集分析其運(yùn)動軌跡。
這套云臺變焦設(shè)備，并不算龐然大物，是兩臺將冰上運(yùn)動員的運(yùn)動軌跡、過程加以捕捉、采集的裝備?！霸婆_變焦運(yùn)動軌跡采集與動作捕捉分析設(shè)備是有變焦功能的，加入了智能跟蹤算法，可以從運(yùn)動員起跑開始跟隨其全部運(yùn)動過程，運(yùn)動員在畫面中大小相對穩(wěn)定，就能形成對其比較精細(xì)的特寫。一方面可以便于提取其運(yùn)動軌跡，同時也可以對其身體部位進(jìn)行動作捕捉。冰場全景圖像采集與運(yùn)動軌跡分析系統(tǒng)則可對整個賽場進(jìn)行全景拍攝，它有很高的單幀分辨率，能達(dá)到2500萬像素和每秒160幀的幀頻，可記錄大場景下高速運(yùn)動運(yùn)動員的軌跡。雖然精度低些，但能同時測量多人?！眲⒚鞅硎?。
兩臺裝備的強(qiáng)強(qiáng)組合，究竟能幫上運(yùn)動員什么忙？劉明表示，采集運(yùn)動員跟蹤特寫和軌跡，可以幫助運(yùn)動員優(yōu)化技術(shù)動作，更加科學(xué)、有效地進(jìn)行訓(xùn)練。“例如系統(tǒng)可以分析運(yùn)動員頭部位置，分析過彎道時頭部距離冰面的高度，幫助運(yùn)動員在訓(xùn)練中更科學(xué)地調(diào)整身體姿態(tài)和平衡?！眲⒚髡f。
那么，完成跟蹤記錄，為何不用高速攝像機(jī)代勞？劉明的答案很簡單，自己的設(shè)備就是要讓運(yùn)動員、教練員覺得好用?，F(xiàn)有市場上常見的設(shè)備都可以滿足多角度拍攝和三維測算需求，但視野相對固定，記錄范圍相對有限，若要記錄較大范圍場地，則需設(shè)置覆蓋不同區(qū)域的多組相機(jī)，系統(tǒng)復(fù)雜、造價很高，通常固定安裝在冰場內(nèi)無法移動。
劉明表示，為突破這些局限，僅是鏡頭從開始研發(fā)到目前產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)歷了7個版本?！皩⒃婆_變焦技術(shù)運(yùn)用于機(jī)器視覺中，首先要解決的問題就是精度問題，云臺有個角精度，變焦鏡頭有個焦距變化的精度，所以必須隨時知道焦距和放大率的實(shí)時數(shù)據(jù)。而市面上的鏡頭無法做到，所以從轉(zhuǎn)臺到變焦系統(tǒng)只能自己做，雖然工作量很大，但設(shè)備的精度就有保障了。此外就是算法，作為光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，對于目標(biāo)物的干擾、遮擋比較敏感，一旦出現(xiàn)運(yùn)動員相互遮擋、目標(biāo)物短暫丟失的情況，傳統(tǒng)算法就會亂套，所以學(xué)生下了很大功夫去完善，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了有短暫遮擋繼續(xù)跟蹤的功能，還在不斷改進(jìn)?！眲⒚髡f。
“希望我們的設(shè)備產(chǎn)品能盡快運(yùn)用于冰上運(yùn)動甚至是田徑項目的教學(xué)和訓(xùn)練中，提升運(yùn)動員的成績，這將是我們最大的光榮！” 劉明說。
“定位到厘米”的三維重現(xiàn)
光電學(xué)院張海洋副教授和無人機(jī)
在茫茫雪原上高速疾馳，忽而起伏顛簸，忽而側(cè)身轉(zhuǎn)彎……在北理工光電學(xué)院，“冬季項目場景三維感知及重建技術(shù)”課題組的張海洋正在電子屏上展示其用三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)搭建的崇禮滑雪場場景，讓人身臨其境。他身旁，擺放著兩架搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)的無人機(jī)。
“冬奧實(shí)地賽場賽道落差大，運(yùn)動員滑全程危險性、技術(shù)要求很高，需要克服很大心理壓力，所以一天只能滑幾次，體力消耗很大，借助仿真系統(tǒng)可以幫助其提高訓(xùn)練效率、建立心理預(yù)期?！睆埡Ｑ蟊硎荆椖恳饬x還在于為運(yùn)動員搭建室內(nèi)模擬場景，團(tuán)隊掃描完每一個場景后，VR團(tuán)隊都會緊張地投入到模擬場景的制作中。
運(yùn)動員模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對重建精度、低溫和實(shí)時傳輸?shù)确矫娑家髧?yán)格，尤其是低溫的挑戰(zhàn)特別大。有的雪場方圓幾平方公里，有的場地落差近千米，用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)掃描效率較高，但無人機(jī)在零下20攝氏度以下功效就會下降，為此團(tuán)隊還開發(fā)出適合低溫環(huán)境運(yùn)行的無人機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。
不同雪場環(huán)境不同，要做到真實(shí)還原，需收集大量實(shí)地數(shù)據(jù)。為此，研究團(tuán)隊利用無人機(jī)載、車載的激光雷達(dá)系統(tǒng)，奔赴北京、河北、吉林等地多個滑雪場進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描和測試，還通過運(yùn)動員穿戴的傳感器，收集其在雪場運(yùn)動信息，再反饋到顯示系統(tǒng)中。
對于這個由5位老師、10位學(xué)生組成的團(tuán)隊而言，冒著嚴(yán)寒測雪場的經(jīng)歷令所有人難忘?！?月初，崇禮雪場的溫度是零下35攝氏度，無人機(jī)很難達(dá)到要求，只能由團(tuán)隊師生抱著激光雷達(dá)冒著低溫嚴(yán)寒去測量。但是由于場地起伏、植被遮擋等原因，激光雷達(dá)測量的一個步進(jìn)只有百米，于是我們團(tuán)隊男生搬著設(shè)備、女生記錄數(shù)據(jù)，充分利用運(yùn)動員訓(xùn)練休息的間隙，一條雪道一條雪道進(jìn)行測量，整整在低溫下測了一天。到第二天我們的三維場景就做出來了，交給訓(xùn)練隊使用?！眻F(tuán)隊一位成員說。
“目前我們的相關(guān)成果已應(yīng)用于國家隊，可減少運(yùn)動員在非訓(xùn)練時的損傷，提高運(yùn)動效率，給教練員提供技術(shù)幫助?！睆埡Ｑ笙Ｍ@一技術(shù)成果可以惠及更多運(yùn)動員。
室內(nèi)仿真模擬“高山滑雪”
自動化學(xué)院研究生曹洪卿正在體驗?zāi)M滑雪訓(xùn)練
在北理工一間實(shí)驗室內(nèi)，自動化學(xué)院研究生曹洪卿正穿戴好傳感器裝備，走上12米長的鋼制滑臺，踏上滑臺上一副模擬雪橇，面對巨大電子屏上的滑雪場景畫面，開始急速左右擺動滑行。
因參與“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓(xùn)練系統(tǒng)”的研究，曹洪卿專門參加了滑雪培訓(xùn)，以親身測試這套室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備的效果?！霸诨_上主要是做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，在上面練習(xí)挺累的，但有真實(shí)雪道的體驗，可達(dá)到滑雪訓(xùn)練的目的?！彼f。
該項目主要是為高山滑雪、越野滑雪等項目的運(yùn)動員提供室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練設(shè)備，以提升其回轉(zhuǎn)、滑行等專項技術(shù)動作的訓(xùn)練效率。同時，通過在滑雪訓(xùn)練平臺上安裝運(yùn)動形態(tài)識別與位姿測量系統(tǒng)，可采集分析運(yùn)動員運(yùn)動數(shù)據(jù)，為科學(xué)化訓(xùn)練提供指導(dǎo)依據(jù)。
課題組負(fù)責(zé)人、北理工自動化學(xué)院教授劉向東介紹，這套設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是讓運(yùn)動員在非雪季也能在室內(nèi)展開滑雪訓(xùn)練，滑臺上的滑行速度可達(dá)百公里的時速。運(yùn)動員全身關(guān)節(jié)處的17個傳感器，可精準(zhǔn)反映其姿態(tài)動作數(shù)據(jù)，幫助教練評估參考。此外，這套設(shè)備的通用型產(chǎn)品還在滑臺下加裝了運(yùn)動模擬平臺，有高低、傾斜、偏轉(zhuǎn)變化，通過各角度幫助運(yùn)動員訓(xùn)練。相關(guān)設(shè)備已用于國家高山滑雪隊運(yùn)動員的日常訓(xùn)練。
“北京冬奧會越來越近，希望我們的研究成果能促進(jìn)運(yùn)動員的訓(xùn)練，助力科技冬奧在訓(xùn)練技術(shù)方面的提升，為冬奧會做出我們的貢獻(xiàn)。”劉向東說。
“精確到肌肉”的智能訓(xùn)練管理系統(tǒng)
宇航學(xué)院運(yùn)動與細(xì)胞力學(xué)課題組在吉林北大壺越野滑雪訓(xùn)練場開展測試工作
高山滑雪如何快速繞過旗門？越野滑雪用什么姿態(tài)最省力？跳臺滑雪用何種姿勢起跳最好？速度滑冰如何訓(xùn)練過彎道技術(shù)？北理工宇航學(xué)院霍波教授帶領(lǐng)的人體運(yùn)動力學(xué)團(tuán)隊針對高山滑雪、越野滑雪、跳臺滑雪、速度滑冰等4類冬季運(yùn)動項目，基于三維動作捕捉和自動識別技術(shù)、空氣動力學(xué)實(shí)驗和模擬技術(shù)、生理傳感器技術(shù)、肌骨動力學(xué)分析技術(shù)，研發(fā)了“冬季項目智能訓(xùn)練管理系統(tǒng)”，為運(yùn)動員提供個性化、智能化訓(xùn)練方案。
“跳臺滑雪運(yùn)動員在起跳階段前的助滑階段應(yīng)盡量減低身體重心以減少空氣阻力，同時應(yīng)適當(dāng)伸膝以提高離臺后肢體的伸展程度。在起跳過程中膝關(guān)節(jié)應(yīng)盡可能蹬伸，同時適當(dāng)降低髖關(guān)節(jié)的伸展速度，減少軀干的風(fēng)阻。在日常的體能訓(xùn)練中，運(yùn)動員應(yīng)注意在提升下肢爆發(fā)力的同時避免膝關(guān)節(jié)過度外翻，提升蹬伸力量及傳遞效率?！?這是該團(tuán)隊為國家跳臺滑雪隊運(yùn)動員出具的一份智能化運(yùn)動管理建議。
“這套系統(tǒng)可以實(shí)時采集不同運(yùn)動項目下運(yùn)動員在進(jìn)行各種專項動作時的三維姿態(tài)參數(shù)，以及該動作下所產(chǎn)生的地面反作用力、空氣阻力等，形成該運(yùn)動員的動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，從而用于后續(xù)的運(yùn)動生物力學(xué)分析及訓(xùn)練方案的制訂。”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人霍波介紹道。
除采集運(yùn)動員動力學(xué)數(shù)據(jù)外，該團(tuán)隊研發(fā)的“生理參數(shù)監(jiān)測與運(yùn)動生物力學(xué)分析訓(xùn)練系統(tǒng)”由于使用了無線傳輸?shù)募‰妭鞲衅鳎軌驅(qū)崿F(xiàn)實(shí)時的生理體征檢測，通過采集各種專項動作下運(yùn)動員的肌肉活性等生理參數(shù)，建立骨骼肌肉系統(tǒng)的生物力學(xué)模型，對運(yùn)動員的運(yùn)動能力進(jìn)行分析和評估。
2021年1月8日至3月24日，霍波教授帶領(lǐng)團(tuán)隊7名師生抵達(dá)延慶賽場，開啟了冬奧會測試賽雪車雪橇隊的跟隊技術(shù)服務(wù)。團(tuán)隊針對國家雪車隊、國家鋼架雪車隊的技術(shù)需求和項目特點(diǎn)，圍繞日常訓(xùn)練和測試賽過程中運(yùn)動員在出發(fā)段、彎道段的運(yùn)動表現(xiàn)進(jìn)行了測試和分析。
“今年團(tuán)隊成員們和國家隊一起度過了一個特殊的春節(jié)，雖然辛苦，但想到能為國家重大賽事做出貢獻(xiàn)，還是感覺渾身充滿了力量”。該團(tuán)隊的博士生蔣量說。
為速度滑冰裝上“瞬間加速器”
速度滑冰國家隊教練組應(yīng)用人體高速彈射裝置開展模擬訓(xùn)練
在速度滑冰運(yùn)動中，掌握彎道處的滑行技術(shù)是制勝的關(guān)鍵。由北理工航天發(fā)射技術(shù)團(tuán)隊研制的“人體高速彈射裝置”，可輔助速度滑冰運(yùn)動員的彎道滑行技術(shù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了加速過程的精準(zhǔn)控制，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國內(nèi)空白。
課題主要完成人、北理工宇航學(xué)院教師郝繼光介紹，過去運(yùn)動員訓(xùn)練彎道技術(shù)往往是自己加速入彎，而加速至高速這一過程很耗費(fèi)體力，因此運(yùn)動員通常在大型比賽前才開始大量開展彎道技術(shù)訓(xùn)練。此外，每次加速達(dá)到的速度也和運(yùn)動員體力狀態(tài)有很大關(guān)系，訓(xùn)練也不夠精準(zhǔn)。
“我們希望用彈射發(fā)射的原理給運(yùn)動員加速，讓他們體驗到‘世界級速度’。”郝繼光說，由于學(xué)校航天發(fā)射技術(shù)專業(yè)中的彈射發(fā)射技術(shù)與此項目的需求具有很高的相似度，因此團(tuán)隊開始研制“人體高速彈射裝置”，希望用裝置牽引帶動運(yùn)動員實(shí)現(xiàn)瞬間加速。
經(jīng)過原理設(shè)計、樣機(jī)設(shè)計、樣機(jī)試制，以及大量的功能實(shí)驗、配重實(shí)驗、人體實(shí)驗等復(fù)雜流程，“人體高速彈射裝置”的首臺裝置于2019年4月研制成功。這一裝置可使速度滑冰運(yùn)動員的滑離速度最高達(dá)每秒20米。在裝置協(xié)助下，只需幾秒鐘時間，一名速度滑冰運(yùn)動員就能從靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到指定速度，調(diào)節(jié)姿態(tài)、入彎一氣呵成。
目前，國家速度滑冰隊已應(yīng)用“人體高速彈射裝置”開展實(shí)際訓(xùn)練多次，并培訓(xùn)了多支隊伍的操作員。現(xiàn)在，利用這一裝置開展彎道訓(xùn)練已成為國家隊日常訓(xùn)練科目之一。
實(shí)踐證明，“人體高速彈射裝置”不僅可節(jié)省助滑、跳躍等專項技術(shù)動作三分之二左右的訓(xùn)練時間，降低運(yùn)動員的體力消耗，還可實(shí)現(xiàn)加速過程的精準(zhǔn)控制，提升運(yùn)動員的訓(xùn)練效率和效果。
除速度滑冰外，針對跳臺滑雪的人體彈射裝置目前也已研制成功，不久后將安裝應(yīng)用，可使跳臺滑雪運(yùn)動員的滑離速度最高達(dá)到每秒30米，為冬奧運(yùn)動員取得佳績提供科技支撐。
為北京冬奧打造“扛凍”的電動車
孫逢春院士在極寒環(huán)境測試現(xiàn)場
“只有凍透了，數(shù)據(jù)才有說服力?！?020年1月19日凌晨4時，北理工機(jī)械與車輛學(xué)院教授、中國工程院院士孫逢春再一次親自帶隊，在牙克石的冰湖上進(jìn)行賽前最后一次面向冬奧國產(chǎn)新能源汽車整車技術(shù)極寒環(huán)境實(shí)地測試。為了挑戰(zhàn)極限條件，孫逢春堅持提前把車輛停在冰面上三天三夜，確保整車凍透。
“北京2022年冬奧會相關(guān)區(qū)域要實(shí)現(xiàn)新能源汽車全覆蓋，這對純電動汽車的整體性能提出了歷史性挑戰(zhàn)。”孫逢春介紹，冬奧會雪上項目主辦地張家口，冬季最低氣溫可達(dá)零下20攝氏度?！霸诙镜蜏貤l件下，動力電池?zé)o法充放電、整車無法低溫冷啟動、采暖能耗高，這是純電動車輛面臨的世界性技術(shù)難題”。
“在沒有外援的情況下，全世界沒有一輛純電動車在近零下40攝氏度環(huán)境下放置72小時后，還能自己發(fā)動的?！睂O逢春說，“我們在2018年就做到了?！?018年至2020年，團(tuán)隊先后3次到牙克石進(jìn)行了新能源汽車整車關(guān)鍵技術(shù)的極寒測試，最低測試溫度接近零下40攝氏度。
“我們的任務(wù)既包括基礎(chǔ)科研創(chuàng)新，又包括工程技術(shù)創(chuàng)新，最后還要落實(shí)到成熟的車輛產(chǎn)品上?！眻F(tuán)隊成員、北理工機(jī)械與車輛學(xué)院教授林程介紹，2016年至2017年，團(tuán)隊度過了“壓力山大”的兩年，先是與一位美籍華裔學(xué)者合作解決了電池的低溫技術(shù)問題，與北汽新能源、北汽福田合作解決了整車技術(shù)問題，又與湖南華強(qiáng)合作解決了車載空調(diào)問題?！岸瑠W會項目對時間的要求是不能動搖的，我們只能不斷挖掘自己的潛能與創(chuàng)造力”。
低溫條件下，新能源汽車的空調(diào)效率問題，是車主們的普遍困擾?！斑@對整個汽車空調(diào)行業(yè)都是一個很大的挑戰(zhàn)?！眻F(tuán)隊成員、湖南華強(qiáng)電氣股份有限公司董事長羅岳華說，“經(jīng)過3年的技術(shù)攻關(guān)，2020年，團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了在車內(nèi)零下30攝氏度時，汽車空調(diào)依然能夠可靠運(yùn)行。自此，新能源汽車空調(diào)將不再受低溫制約。
中國作為人口眾多、能源有限的發(fā)展中國家，純電動客車有著廣闊的市場需求?！皳碛兄袊灾髦R產(chǎn)權(quán)的新能源汽車，不僅將有效服務(wù)‘綠色冬奧’，而且將徹底解決東北、西北或高寒地帶的新能源汽車推廣應(yīng)用問題，讓中國的新能源汽車不再有禁區(qū)?！睂O逢春說。
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《光明日報》：從北京奧運(yùn)會到北京冬奧會——記北京市電動車輛國家協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊
