北理工為科技冬奧賦能助力
發布日期：2021-03-28 供稿：根據新華社、《光明日報》等媒體報道整理 攝影：新華社、各項目團隊
編輯：吳楠 審核：藺偉 閱讀次數：【編者按】2021年是中國共產黨成立100周年，是實施“十四五”規劃、開啟全面建設社會主義現代化國家新征程的第一年。在全黨開展黨史學習教育之際，黨委宣傳部特別推出“永遠跟黨走、奮進新征程”專題報道，全面展現學校加強黨的領導黨的建設取得的成績，生動講好北理工人的奮斗故事，廣泛凝聚學校事業發展的磅礴力量，以優異成績迎接中國共產黨百年華誕。
如何使滑冰滑雪的動作更精準？如何在非雪季進行雪上訓練？……為備戰北京冬奧會，提升冬季運動項目訓練水平，幾年來，由北京理工大學牽頭開展的一項項“科技冬奧”項目穩步推進。一項項“黑科技”已經或即將運用于我國冬季運動項目的訓練中，助力“科技冬奧”，讓運動員在冰雪賽場上更快、更強！
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》等媒體的廣泛關注和報道。讓我們跟隨媒體一同認識一下奮戰在科技冬奧戰線上的幕后英雄和他們的“黑科技”。
“高精鏡頭”追蹤冰上運動軌跡
光電學院儀器研究所副教授劉明正在進行設備調試
連日來，在首都體育學院的滑冰館內，北理工光電學院儀器研究所副教授劉明帶領團隊一遍遍測試設備。看臺上豎立著圖像采集云臺變焦設備和超高清相機，劉明盯著4K顯示器中正在冰場內滑冰的測試人員圖像，操作電腦，采集分析其運動軌跡。
這套云臺變焦設備，并不算龐然大物，是兩臺將冰上運動員的運動軌跡、過程加以捕捉、采集的裝備。“云臺變焦運動軌跡采集與動作捕捉分析設備是有變焦功能的，加入了智能跟蹤算法，可以從運動員起跑開始跟隨其全部運動過程，運動員在畫面中大小相對穩定，就能形成對其比較精細的特寫。一方面可以便于提取其運動軌跡，同時也可以對其身體部位進行動作捕捉。冰場全景圖像采集與運動軌跡分析系統則可對整個賽場進行全景拍攝，它有很高的單幀分辨率，能達到2500萬像素和每秒160幀的幀頻，可記錄大場景下高速運動運動員的軌跡。雖然精度低些，但能同時測量多人。”劉明表示。
兩臺裝備的強強組合，究竟能幫上運動員什么忙？劉明表示，采集運動員跟蹤特寫和軌跡，可以幫助運動員優化技術動作，更加科學、有效地進行訓練。“例如系統可以分析運動員頭部位置，分析過彎道時頭部距離冰面的高度，幫助運動員在訓練中更科學地調整身體姿態和平衡。”劉明說。
那么，完成跟蹤記錄，為何不用高速攝像機代勞？劉明的答案很簡單，自己的設備就是要讓運動員、教練員覺得好用。現有市場上常見的設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，則需設置覆蓋不同區域的多組相機，系統復雜、造價很高，通常固定安裝在冰場內無法移動。
劉明表示，為突破這些局限，僅是鏡頭從開始研發到目前產品已經經歷了7個版本。“將云臺變焦技術運用于機器視覺中，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時數據。而市面上的鏡頭無法做到，所以從轉臺到變焦系統只能自己做，雖然工作量很大，但設備的精度就有保障了。此外就是算法，作為光學跟蹤系統，對于目標物的干擾、遮擋比較敏感，一旦出現運動員相互遮擋、目標物短暫丟失的情況，傳統算法就會亂套，所以學生下了很大功夫去完善，目前已經實現了有短暫遮擋繼續跟蹤的功能，還在不斷改進。”劉明說。
“希望我們的設備產品能盡快運用于冰上運動甚至是田徑項目的教學和訓練中，提升運動員的成績，這將是我們最大的光榮！” 劉明說。
“定位到厘米”的三維重現
光電學院張海洋副教授和無人機
在茫茫雪原上高速疾馳，忽而起伏顛簸，忽而側身轉彎……在北理工光電學院，“冬季項目場景三維感知及重建技術”課題組的張海洋正在電子屏上展示其用三維激光雷達掃描系統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系統的無人機。
“冬奧實地賽場賽道落差大，運動員滑全程危險性、技術要求很高，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，借助仿真系統可以幫助其提高訓練效率、建立心理預期。”張海洋表示，項目意義還在于為運動員搭建室內模擬場景，團隊掃描完每一個場景后，VR團隊都會緊張地投入到模擬場景的制作中。
運動員模擬訓練系統對重建精度、低溫和實時傳輸等方面都要求嚴格，尤其是低溫的挑戰特別大。有的雪場方圓幾平方公里，有的場地落差近千米，用無人機搭載激光雷達掃描效率較高，但無人機在零下20攝氏度以下功效就會下降，為此團隊還開發出適合低溫環境運行的無人機載激光雷達掃描系統。
不同雪場環境不同，要做到真實還原，需收集大量實地數據。為此，研究團隊利用無人機載、車載的激光雷達系統，奔赴北京、河北、吉林等地多個滑雪場進行數據掃描和測試，還通過運動員穿戴的傳感器，收集其在雪場運動信息，再反饋到顯示系統中。
對于這個由5位老師、10位學生組成的團隊而言，冒著嚴寒測雪場的經歷令所有人難忘。“1月初，崇禮雪場的溫度是零下35攝氏度，無人機很難達到要求，只能由團隊師生抱著激光雷達冒著低溫嚴寒去測量。但是由于場地起伏、植被遮擋等原因，激光雷達測量的一個步進只有百米，于是我們團隊男生搬著設備、女生記錄數據，充分利用運動員訓練休息的間隙，一條雪道一條雪道進行測量，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，交給訓練隊使用。”團隊一位成員說。
“目前我們的相關成果已應用于國家隊，可減少運動員在非訓練時的損傷，提高運動效率，給教練員提供技術幫助。”張海洋希望這一技術成果可以惠及更多運動員。
室內仿真模擬“高山滑雪”
自動化學院研究生曹洪卿正在體驗模擬滑雪訓練
在北理工一間實驗室內，自動化學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“室內多自由度模擬滑雪訓練系統”的研究，曹洪卿專門參加了滑雪培訓，以親身測試這套室內模擬滑雪訓練設備的效果。“在滑臺上主要是做回轉運動，在上面練習挺累的，但有真實雪道的體驗，可達到滑雪訓練的目的。”他說。
該項目主要是為高山滑雪、越野滑雪等項目的運動員提供室內模擬滑雪訓練設備，以提升其回轉、滑行等專項技術動作的訓練效率。同時，通過在滑雪訓練平臺上安裝運動形態識別與位姿測量系統，可采集分析運動員運動數據，為科學化訓練提供指導依據。
課題組負責人、北理工自動化學院教授劉向東介紹，這套設備的優點是讓運動員在非雪季也能在室內展開滑雪訓練，滑臺上的滑行速度可達百公里的時速。運動員全身關節處的17個傳感器，可精準反映其姿態動作數據，幫助教練評估參考。此外，這套設備的通用型產品還在滑臺下加裝了運動模擬平臺，有高低、傾斜、偏轉變化，通過各角度幫助運動員訓練。相關設備已用于國家高山滑雪隊運動員的日常訓練。
“北京冬奧會越來越近，希望我們的研究成果能促進運動員的訓練，助力科技冬奧在訓練技術方面的提升，為冬奧會做出我們的貢獻。”劉向東說。
“精確到肌肉”的智能訓練管理系統
宇航學院運動與細胞力學課題組在吉林北大壺越野滑雪訓練場開展測試工作
高山滑雪如何快速繞過旗門？越野滑雪用什么姿態最省力？跳臺滑雪用何種姿勢起跳最好？速度滑冰如何訓練過彎道技術？北理工宇航學院霍波教授帶領的人體運動力學團隊針對高山滑雪、越野滑雪、跳臺滑雪、速度滑冰等4類冬季運動項目，基于三維動作捕捉和自動識別技術、空氣動力學實驗和模擬技術、生理傳感器技術、肌骨動力學分析技術，研發了“冬季項目智能訓練管理系統”，為運動員提供個性化、智能化訓練方案。
“跳臺滑雪運動員在起跳階段前的助滑階段應盡量減低身體重心以減少空氣阻力，同時應適當伸膝以提高離臺后肢體的伸展程度。在起跳過程中膝關節應盡可能蹬伸，同時適當降低髖關節的伸展速度，減少軀干的風阻。在日常的體能訓練中，運動員應注意在提升下肢爆發力的同時避免膝關節過度外翻，提升蹬伸力量及傳遞效率。” 這是該團隊為國家跳臺滑雪隊運動員出具的一份智能化運動管理建議。
“這套系統可以實時采集不同運動項目下運動員在進行各種專項動作時的三維姿態參數，以及該動作下所產生的地面反作用力、空氣阻力等，形成該運動員的動力學數據庫，從而用于后續的運動生物力學分析及訓練方案的制訂。”團隊負責人霍波介紹道。
除采集運動員動力學數據外，該團隊研發的“生理參數監測與運動生物力學分析訓練系統”由于使用了無線傳輸的肌電傳感器，能夠實現實時的生理體征檢測，通過采集各種專項動作下運動員的肌肉活性等生理參數，建立骨骼肌肉系統的生物力學模型，對運動員的運動能力進行分析和評估。
2021年1月8日至3月24日，霍波教授帶領團隊7名師生抵達延慶賽場，開啟了冬奧會測試賽雪車雪橇隊的跟隊技術服務。團隊針對國家雪車隊、國家鋼架雪車隊的技術需求和項目特點，圍繞日常訓練和測試賽過程中運動員在出發段、彎道段的運動表現進行了測試和分析。
“今年團隊成員們和國家隊一起度過了一個特殊的春節，雖然辛苦，但想到能為國家重大賽事做出貢獻，還是感覺渾身充滿了力量”。該團隊的博士生蔣量說。
為速度滑冰裝上“瞬間加速器”
速度滑冰國家隊教練組應用人體高速彈射裝置開展模擬訓練
在速度滑冰運動中，掌握彎道處的滑行技術是制勝的關鍵。由北理工航天發射技術團隊研制的“人體高速彈射裝置”，可輔助速度滑冰運動員的彎道滑行技術訓練，實現了加速過程的精準控制，填補了該領域的國內空白。
課題主要完成人、北理工宇航學院教師郝繼光介紹，過去運動員訓練彎道技術往往是自己加速入彎，而加速至高速這一過程很耗費體力，因此運動員通常在大型比賽前才開始大量開展彎道技術訓練。此外，每次加速達到的速度也和運動員體力狀態有很大關系，訓練也不夠精準。
“我們希望用彈射發射的原理給運動員加速，讓他們體驗到‘世界級速度’。”郝繼光說，由于學校航天發射技術專業中的彈射發射技術與此項目的需求具有很高的相似度，因此團隊開始研制“人體高速彈射裝置”，希望用裝置牽引帶動運動員實現瞬間加速。
經過原理設計、樣機設計、樣機試制，以及大量的功能實驗、配重實驗、人體實驗等復雜流程，“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動員的滑離速度最高達每秒20米。在裝置協助下，只需幾秒鐘時間，一名速度滑冰運動員就能從靜止狀態達到指定速度，調節姿態、入彎一氣呵成。
目前，國家速度滑冰隊已應用“人體高速彈射裝置”開展實際訓練多次，并培訓了多支隊伍的操作員。現在，利用這一裝置開展彎道訓練已成為國家隊日常訓練科目之一。
實踐證明，“人體高速彈射裝置”不僅可節省助滑、跳躍等專項技術動作三分之二左右的訓練時間，降低運動員的體力消耗，還可實現加速過程的精準控制，提升運動員的訓練效率和效果。
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，不久后將安裝應用，可使跳臺滑雪運動員的滑離速度最高達到每秒30米，為冬奧運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境測試現場
“只有凍透了，數據才有說服力。”2020年1月19日凌晨4時，北理工機械與車輛學院教授、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行賽前最后一次面向冬奧國產新能源汽車整車技術極寒環境實地測試。為了挑戰極限條件，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年冬奧會相關區域要實現新能源汽車全覆蓋，這對純電動汽車的整體性能提出了歷史性挑戰。”孫逢春介紹，冬奧會雪上項目主辦地張家口，冬季最低氣溫可達零下20攝氏度。“在冬季低溫條件下，動力電池無法充放電、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攝氏度環境下放置72小時后，還能自己發動的。”孫逢春說，“我們在2018年就做到了。”2018年至2020年，團隊先后3次到牙克石進行了新能源汽車整車關鍵技術的極寒測試，最低測試溫度接近零下40攝氏度。
“我們的任務既包括基礎科研創新，又包括工程技術創新，最后還要落實到成熟的車輛產品上。”團隊成員、北理工機械與車輛學院教授林程介紹，2016年至2017年，團隊度過了“壓力山大”的兩年，先是與一位美籍華裔學者合作解決了電池的低溫技術問題，與北汽新能源、北汽福田合作解決了整車技術問題，又與湖南華強合作解決了車載空調問題。“冬奧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造力”。
低溫條件下，新能源汽車的空調效率問題，是車主們的普遍困擾。“這對整個汽車空調行業都是一個很大的挑戰。”團隊成員、湖南華強電氣股份有限公司董事長羅岳華說，“經過3年的技術攻關，2020年，團隊實現了在車內零下30攝氏度時，汽車空調依然能夠可靠運行。自此，新能源汽車空調將不再受低溫制約。
中國作為人口眾多、能源有限的發展中國家，純電動客車有著廣闊的市場需求。“擁有中國自主知識產權的新能源汽車，不僅將有效服務‘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用問題，讓中國的新能源汽車不再有禁區。”孫逢春說。
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