为3亿滑雪者制作科技“行头”

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。

带动3亿人滑雪

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。

“佳哥”第一个吃螃蟹

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。

叹气发呆的同学给了我一巴掌

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。

指捏银针缝绑带

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