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精准时空技术还原赛道场景 “北斗”助力冬奥运动员更快更强

时间:2022-01-11来源:天下足球直播吧官网:http://www.ihengtong.com 作者:
  

  精准时空技术还原赛道场景 “北斗”助力冬奥运动员更快更强

  当专注航空航天事业的高校科研团队来研究运动员,会擦出怎样的火花?在竞速项目中,风阻是运动员的“敌人”,“驾驭风的人”如何帮助运动员们优化姿势,寻找最佳竞技路线?……当科学家参与到体育比赛训练中,会碰撞出哪些意想不到的惊喜?

  北京航空航天大学

  航天技术为运动员“开挂”

  从2019年开始,北京航空航天大学交通科学与工程学院副教授柯鹏便带领着团队,充分借鉴航空工程的基础理论和技术方法,参与到了北京冬奥会赛事的科技助力之中。

  三年过去,为运动队训练项目建模,用大数据分析运动员技巧,为运动装备和冰场提供最优参数……科学家们通过努力使设想变成了现实,走出了一条适合中国国情的体育科技创新之路。

  将飞行力学知识等运用于冰雪项目中

  2021年12月中旬的一个电话,便让柯鹏及团队人员立刻从北京航空航天大学赶到了位于西南五环开外的中车二七国家冰雪运动训练科研基地(简称“二七基地”),这是一条他这一年多来走过的、再熟悉不过的路线。

  “为让运动员更高效、更有针对性地训练,需要有与学科相关的科技人员进入到传统的体育训练体系里,形成复合型科研训练团队,批量培养高水平运动员。”柯鹏介绍,运动员运动过程中,科学家可以通过传感器和影像资料有效地采集到运动路线、肌肉力量、技术动作以及雪板、冰刀滑行、滞空、触地瞬间等数据,进行实时解构,通过分析和评估这些数据,重新建构更准确的技术能力,探索进一步的改善空间,整体提升运动成绩。

  此外,柯鹏带领的团队还可以基于航空领域中的飞行力学、理论力学和运动生物力学等原理,对运动员的运动情况做个性化的分析和评估,最后针对专项运动,给出一个科学的数学模型。“比如在滑行转弯时,提前减速还是不减速?大弯还是小弯?我们都可以给出优化方案。”

  柯鹏团队提出了“体育、理工、医学交叉,人、设备、环境融合”的思路,以人为主,多维度帮助运动员优化运动技巧。比如高山滑雪项目,柯鹏调研和分析发现,运动员从高山往下滑的速度比较快,和飞机的飞行过程非常像,就想到将飞行力学的方法应用到运动路线的分析中。

  “滑降项目是竞速类项目,比的就是谁的时间最短,不同路线,运动员局部受力不同,因此我们在评估中要结合装备、环境等所有能影响运动员的因素,改进他的滑行路线,同时还要兼顾运动医学,要在保证运动员最安全的情况下提升他的成绩。”柯鹏笑着说,“不能只比速度,不要命嘛。”

  给出一个受力面积最小的姿态、构建一个最理想的转弯模型、提出最减少耗能的技术……就这样,一个项目一个项目地攻克,柯鹏团队从科学家的角度给运动队拿出了一个个可实用技术方案,供他们参考、训练。

  航空航天中的模拟器应用到运动员实战中

  除了建模之外,二七基地里的不少“大家伙”也靠科学家们的助力,例如,辅助运动员们训练的六自由度电动模拟体育训练系统。

  柯鹏介绍, 研发出来的这些技巧和方法就必须应用于运动员的实战中去,雪上项目训练受制于天气,只有到雪地的时候才能用,国家体育总局就提出能否在非雪季也能够训练。六自由度模拟器就是当时提出来的一种新训练模式,可以模拟运动员实际转弯等的一些技术动作。而这和航空领域中、帮助飞行员了解飞机特性的模拟训练系统的原理是一模一样的。

  六自由度模拟器由一家公司制作硬件,科学家们负责提供软件方面的数据,进行仿真建模。比如,爬坡是什么速度,转弯是什么角度,运行轨迹和身体姿态等,这些都需要柯鹏团队优化数据,提供给机器。同时,在通过机器训练时产生的一手数据也能被科学家获得,进一步分析建模,逐渐优化运动员的训练技巧和能力,形成了一个闭环。

  据介绍,如今大规模的测试已经完成,六自由度模拟器填补了在训练中的一项技术空白。

  体育竞技赛场上即使零点几秒的成绩,也能够影响最终的排名,而这毫厘之间写满了科学家们严谨的科学态度。柯鹏表示,经过这几年国内外大小赛事的考量,确实欣喜于运动员们的成绩,让团队觉得曾经的努力是值得的。

  用涡扇发动机研发“涵道风扇”推进器

  新京报记者在采访中发现,航空航天领域中的经验被运用在了方方面面。另一个值得一提的“训练神器”就是“涵道风扇”辅助推进器。

  柯鹏介绍,这是一个mini的涡扇发动机,由航空模型飞机的涵道风扇改造而成,它长约15厘米、直径约7厘米,是轻巧的银色桶状设备,背在运动员的后背上,启动机器,风叶转动,它就像推动一辆航空器一样,推着踩着冰刀、或滑着轮滑的人向前走,这样可以在运动员竞速时,给他一个更高速的助推。

  这不是给运动员“开挂”吗?柯鹏笑着解释说,这可不能用在比赛上,这是训练运动员的设备。比如运动员在高速滑行时,有时碍于各种原因,难以进一步提速,甚至有时在转弯时会下意识降速。那么助推器给了他一个被动的动力,让他体验超速的感觉,并在超速中完成力量、技巧上的控制,当他体验并习惯高速运动后,也能够自己创造更高的速度达成竞技目标,也会减少“刹车”。

  但是在这项设备的研发中,团队也遇到了难题。柯鹏说,当时希望能出个运动员测试这个设备,需要全力滑行500米,再背上机器滑行五百米,比较一下数据。教练一听要让运动员连续滑两次500米,立刻就不同意了。

  这时,科学家们才了解到,全力滑行对运动员的体能消耗是非常大的。比如过去的夏奥会上,苏炳添完成9秒83的成绩后,隔了两个多小时再跑第二个100米,就很难达到开始的成绩。因此,连续两个同样500米的滑行,是运动员无法高质量完成的任务。

  在充分了解情况后,科学家和运动队提出了一个解决方案,这个测试分阶段完成。滑行500米在充分的休息后,再由运动员背着机器再次滑行。

  测试下来,果然数据很好,柯鹏说,助推器让运动员速度至少提升了10%,不仅测试的运动员感到很兴奋,其他现场的运动员也表示要试一试。这个“神器”研发成功了。如今已经运用在了运动队的冰雪训练计划中。

  从2019年至今,柯鹏团队让体育运动竞技看到了更多可能。但这背后也有艰辛,柯鹏笑着说,长期和冰雪作战,团队里每个成员基本上都被冻感冒过。但没有一个学生和老师叫苦,责任感让他们坚持至今。

  他表示,即使在奥运会结束的未来,备战冬奥所留下的科学态度和精神财富都将继续在高校中传承。

  北京交通大学

  风洞实验室助力冬奥备战

  在竞速项目中,风阻是运动员的“敌人”,在冰天雪地中,大风是场馆建设的挑战,为了保障冬奥赛事的平稳运行,在北京交通大学土木建筑学院风洞实验室中,有一个团队专门攻坚与风有关的技术难题,他们被称为“驾驭风的人”。

  “风阻优化”运动员姿态

  过去的一年多来,除了运动员和教练员,二七国家冰雪运动科训基地(简称“二七基地”)也是科学家们的“训练场”。

  测什么?怎么测?体育跟科学技术又有什么关系?中国冰雪科学家、北京交通大学风洞实验室主任李波道出了其中的门道。

  李波介绍,竞速类项目要想提高成绩,有两个关键:一是提高运动员能力,二是减少运动过程中的阻力。对冰雪项目来说,除了冰面、雪面的摩擦力,空气阻力也占了很大比重,以速度滑冰为例,空气阻力占到80%,冰面的阻力只有20%,并且,速度越快空气阻力越大。

  风洞实验室就是利用科技手段,找到一个合适的方法,降低运动中空气阻力对成绩的影响,李波称之为“风阻优化”。

  拿钢架雪车为例,运动员上橇滑行后,肩部是超出橇好,还是收回一点好?身体是否需要抬高?腿是否需要绷紧?这些小细节都会影响运动员在比赛中的速度,也是科学家们需要通过精细测试给出的答案。

  李波介绍,除了风阻,团队还要考虑运动员技术动作的生物力学特征,把运动员的技术动作和能力全部发挥出来。“不能为了减小风阻影响发力。”

  “驭风人”设计最佳竞技路线

  冬季项目场地开放周期短,训练效率低,模拟训练是提高训练效率的一种科技手段。风洞中的风速能够模拟运动项目高速运动的场景,团队设计出了利用滑板、跑台、六自由度系统的冬季项目风洞模拟训练方法,协助运动队开展模拟训练,助力冬季运动的跨越式发展。

  李波介绍,在2022年北京冬奥会备战中,风洞技术紧紧围绕人、机、环三个方面开展科技服务,“人”是上面提到的运动姿态风阻优化和风洞模拟训练;“机”就是体育装备的研发也要依赖风洞技术,该技术可以对运动员服装、头盔、雪车等器具进行风阻性能测试,协助进行低风阻高性能运动装备的研发。

  “环”就是环境风评估,在冬季运动管理中心组织下,李波带领北京交通大学风洞实验室对北京冬奥会各赛区主要赛道进行了风环境风洞试验,结合气象数据对赛道关键区域的赛时风速风向进行了评估。“而这些正是影响运动员临场发挥的关键环境要素,可以看到我们的备战工作是多么的精细全面。”李波介绍。

  这一切的背后是科学家们严谨的科研态度和勇于攻克“硬骨头”的精神。因为没经验,风洞调试中,李波一开始只戴了毛线帽,风一吹就透了。有一次他在那儿调了一天,结果头疼了一个礼拜。“后面吹多了也知道了,时速20米/秒以上的风就得戴头盔了。”李波笑着说。

  团队做的最复杂的项目是车撬类项目,李波回忆,当时教练团队提出要加上赛道,但从技术优化角度来讲,相同条件下对比就可以了。沟通后才意识到运动员的心理作用也是十分重要的,原比例还原赛道可以增强运动员的信心。然而,测试中风速高达14级,装置是否安全?连接是否可靠?这些都是面临的难题。为了确保运动员的安全、测试数据的可靠,装置安装好后,李波第一个上去测试。运动员每组工况测试时间是2-3分钟,而这次冒险的测试足足进行了5分钟。

  令李波欣慰的是,自2020年10月,体育综合风洞实验室在二七基地建成至今,在大规模的应用下,确实看到了一些成绩,不少运动员也在本赛季国际比赛中创造出了历史最好成绩。成绩的背后是整个团队的付出。

  首都体育学院

  “北斗”应用于高山滑雪

  近日,记者从首都体育学院了解到,为以科技助力冬奥,首都体育学院联合多家单位开展了基于北斗精准时空的雪上运动智慧服务系统及冬奥会应用示范的“北斗+冬奥”项目研究,目前该系统已应用于延庆高山滑雪中心,并助力高山滑雪、越野滑雪等项目的运动员备战冬奥。

  北斗卫星导航系统(以下简称“北斗”)如何助力冬奥?基于北斗精准时空的雪上运动智慧服务系统是什么?近日,新京报记者采访首都体育学院科技处处长王子朴,揭秘“北斗+冬奥”背后的科技力量。

  北斗精准时空技术首次应用于体育领域

  王子朴表示,简单来说,在环境比较复杂、面积较广的高山滑雪场中,运动员、工作人员运动轨迹的跟踪、识别是一大难点。过去为解决这一难题,常使用对讲机、应用其他定位系统等方法,但仍存在较大局限性。而此次系统使用了北斗精准时空技术,利用其高精准度的定位,助力识别运动员、工作人员雪场运动轨迹和危险区域等。

  针对该系统的亮点,王子朴介绍,北斗的应用已进入了“天上用好,地上好用”的阶段,并在交通、农业等行业具备多个应用场景,但此前在体育领域仍没有推广应用。而此次这个基于北斗精准时空的雪上运动智慧服务系统填补了这一领域的空白,“该项目是北斗精准时空技术在体育领域中的首次应用。”王子朴说道。

  同时,该项目首创高精度小型化的北斗集成穿戴定位终端。王子朴进一步解释道,可穿戴定位终端可以理解为运动员身上的一个接收器,这个接收器满足了体积小、功耗低、采样频率高、精度高等条件。接收器利用高精度北斗定位等技术,实现对运动员的运动轨迹测量、运动速度与加速度分析,达到辅助运动员训练、提高运动成绩的目的。

  谈及首都体育学院承担“北斗+冬奥”项目的契机,王子朴透露,2021年,为服务国家“科技冬奥”的建设,首都体育学院联合北京控股集团有限公司等多家单位“自带干粮、不计回报”进行“北斗+冬奥”项目的研发。

  系统具备识别运动轨迹、辅助裁判等功能

  基于北斗精准时空的雪上运动智慧服务系统涵盖了运动员和教练、裁判、工作人员和赛事保障四个子系统:运动员科学训练服务系统、工作人员雪场运动轨迹和危险区域识别系统、越野滑雪裁判智能辅助系统、环境监测和决策系统。这也意味着,除捕捉运动轨迹外,该系统还具备辅助裁判、环境监测等多种应用。

  在助力运动员科学训练方面,该系统采集运动员滑行过程中每个节点的速度、运动轨迹等实时数据,并进行姿态分析、人体动力学分析等,后通过APP给予教练员实时反馈,以便运动员调整训练计划。针对工作人员的安全监测,系统能跟踪和分析工作人员的日常轨迹,且当工作人员进入危险区域后实现报警等功能。

  在裁判辅助方面,针对一些场地较大、条件复杂的项目,例如越野滑雪项目,该系统可以辅助场地内的裁判员抓取运动员比赛过程中的动作,有利于裁判对比赛的精准判断。

  环境监控也是该系统重要的组成部分之一。滑雪赛道由于地理环境复杂,风场复杂多变,运动员在高速下滑过程中,易受突变的赛道纵风及横风的影响,轻则影响比赛成绩,重则影响运动员的安全。该系统对赛道的纵风及横风实时监测与危险预警,有利于运动员安全、顺利开展训练。

  王子朴表示,期待未来该项目的成果能够服务于基本冰雪运动项目、高速运动项目、户外运动等。

  新京报记者 刘洋 吴苹苹

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