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(xué)課題組，增援國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中“科技冬奧”課題——研制一套滑雪運(yùn)動(dòng)員一年四季都可在室內(nèi)訓(xùn)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(tái)。

“行頭”以人體姿態(tài)采集和識(shí)別為關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合實(shí)時(shí)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(dǎo);平臺(tái)主要滿(mǎn)足滑雪運(yùn)動(dòng)速度快、幅度大的特點(diǎn)，通過(guò)控制策略和虛擬場(chǎng)景的結(jié)合，讓滑雪者訓(xùn)練時(shí)，有身臨其境的感覺(jué)。

一算時(shí)間，距離北京冬奧會(huì)開(kāi)幕只有3年，再減掉提前給運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練使用的時(shí)間，所剩研制時(shí)間已是迫在眉睫。

帶動(dòng)3億人滑雪

課題組所有人都是第一次接觸這種大型項(xiàng)目，對(duì)相關(guān)技術(shù)都不很了解，對(duì)課題研究方案也沒(méi)啥頭緒。在老師指導(dǎo)下，我們幾個(gè)碩士、博士查閱相關(guān)文獻(xiàn)、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(chǎng)上有兩三款，但存在一定的缺陷。比如不能在戶(hù)外使用、精度不夠高等，需要自主研發(fā)一套設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足課題需求。

關(guān)于室內(nèi)模擬滑雪平臺(tái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究很少，至今也沒(méi)有一款能很好提供真實(shí)滑雪體驗(yàn)的設(shè)備。分析主要原因是，滑雪運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)作復(fù)雜、速度快、幅度大的特點(diǎn)，加大了設(shè)備研制的難度，同時(shí)運(yùn)動(dòng)員、滑雪平臺(tái)和虛擬場(chǎng)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(méi)有翻不過(guò)的山。在他們心里，比大山更高的是2015年申辦北京冬奧會(huì)時(shí)，中國(guó)向國(guó)際社會(huì)的鄭重承諾：帶動(dòng)3億人參與冰雪運(yùn)動(dòng)。課題組清楚，我國(guó)滑雪人次雖連年劇增，但與“3億人”承諾和我國(guó)14億人口基數(shù)比，大眾滑雪的規(guī)模仍有較大潛力。面對(duì)我國(guó)冬季競(jìng)技體育項(xiàng)目“冰強(qiáng)雪弱”的現(xiàn)狀，研究出一套不受氣候、場(chǎng)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(xùn)練系統(tǒng)，不僅能推動(dòng)滑雪運(yùn)動(dòng)，還能提升專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員水平。

“佳哥”第一個(gè)吃螃蟹

如何讓?xiě)T性傳感器指導(dǎo)滑雪訓(xùn)練？

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

我國(guó)對(duì)滑雪項(xiàng)目的研究起步較晚，很少研究室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練臺(tái)，也缺少指導(dǎo)滑雪訓(xùn)練的參考文獻(xiàn)。如今難題攤到我們頭上，只能自行開(kāi)辟全新的研究領(lǐng)域、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自行采集數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)相關(guān)算法，將有限的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效的指導(dǎo)建議。

第一步要大量采集數(shù)據(jù)。這是科學(xué)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(xùn)練臺(tái)訓(xùn)練，采集訓(xùn)練中身體姿態(tài)數(shù)據(jù)。

一開(kāi)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(xiǎn)性，不能隨便找志愿者在不成熟的設(shè)備上進(jìn)行訓(xùn)練。課題組唯一的女同學(xué)、被大家叫“佳哥”的張藝佳果斷站了出來(lái)：“不就是個(gè)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(yàn)！”

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(zhǔn)備開(kāi)始第一次模擬設(shè)備上的訓(xùn)練。我們按下電機(jī)開(kāi)啟按鈕，點(diǎn)擊屏幕上的“Turn-on”，讓設(shè)備進(jìn)行上下左右前后的動(dòng)作，還伴隨著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)作后，緩緩擺動(dòng)雪板并把手虛扶在鐵桿上，隨著雪板的微微轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始了左右往復(fù)的模擬回轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)后，滿(mǎn)頭大汗、渾身松軟的她，嘴一點(diǎn)兒不軟：“我就說(shuō)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(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)組織滑雪活動(dòng)，讓我們?cè)谀仙交﹫?chǎng)上第一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)滑雪技能。回實(shí)驗(yàn)室后，又在張藝佳指導(dǎo)下，都站在設(shè)備上練習(xí)滑雪動(dòng)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(duì)比，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)滑行特征作對(duì)比，實(shí)時(shí)為滑雪者提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。

嘆氣發(fā)呆的同學(xué)給了我一巴掌

無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬滑雪設(shè)備，還是對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)的分析訓(xùn)練，只有在滑行中準(zhǔn)確捕捉姿態(tài)信息，才能更加科學(xué)化開(kāi)展后續(xù)工作。

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

南山滑雪場(chǎng)學(xué)滑雪

雪場(chǎng)測(cè)試

一周后的一個(gè)中午，李佩璋突然對(duì)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(lèi)似問(wèn)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(guó)人寫(xiě)的書(shū)《捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)》，看后深受啟發(fā)。馬上改代碼！”我見(jiàn)他快速滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪的手、上下?lián)u擺的大腳丫子和滿(mǎn)懷希望的眼神，我知道，離成功不遠(yuǎn)了。

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

指捏銀針縫綁帶

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

剛研制姿態(tài)模塊時(shí)，我們只是簡(jiǎn)單地用透明膠帶，將模塊粘在身體上，有時(shí)粘不牢，圖像都飄了。一天，有位同學(xué)指著電腦屏幕上虛擬人物不停亂抖動(dòng)的腿說(shuō)：“滑雪時(shí)咱們身體總得動(dòng)吧，要是固定不牢，這個(gè)模塊做得再好都沒(méi)用，采集的數(shù)都是錯(cuò)的。”

我們趕緊查看類(lèi)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?cè)诰W(wǎng)購(gòu)平臺(tái)上查找成品彈性帶，查了半天沒(méi)找到，便決定在網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)彈性布料，讓裁縫制作彈性帶，爭(zhēng)取在我們?nèi)ツ仙交﹫?chǎng)實(shí)地滑雪時(shí)用上，順便采集一些實(shí)地滑雪的數(shù)據(jù)。

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

“我會(huì)縫，讓我試試！好的縫不來(lái)，差一點(diǎn)兒能用就行?！逼匠Ｕf(shuō)話(huà)慢條斯理的方勖洋同學(xué)，成了我們的“大救星”。

晚飯后我們回到實(shí)驗(yàn)室，圍著方勖洋做起“針線(xiàn)活”。平常實(shí)驗(yàn)室桌子上都是電烙鐵、萬(wàn)用表、焊錫絲，這下?lián)Q成了布料和針線(xiàn)包。方勖洋一邊教我們?cè)趺创蚪Y(jié)、怎么走線(xiàn)縫牢，一邊用自己天仙手，摘星穿月地開(kāi)工了，兩個(gè)小時(shí)后，把十幾個(gè)彈性綁帶做好了。雖然走線(xiàn)不怎么整齊，外觀也不是很好看，但總歸是能用了。有人說(shuō)：“理工科學(xué)生真是萬(wàn)能呀，能手持烙鐵焊零件，能對(duì)著電腦敲代碼，還能指捏銀針縫綁帶！”

課題組迎來(lái)了金秋時(shí)節(jié)：兩項(xiàng)成果已受理發(fā)明專(zhuān)利，3項(xiàng)成果在申發(fā)明專(zhuān)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(xué)世紀(jì)杯一等獎(jiǎng)，2021年挑戰(zhàn)杯“科技冬奧”專(zhuān)項(xiàng)賽一等獎(jiǎng)。接受新華社、央視新聞直播間等多家新聞媒體采訪(fǎng)。

責(zé)任編輯：王新偉