北理工为科技冬奥赋能助力
发布日期：2021-03-28 供稿：根据新华社、《光明日报》等媒体报道整理 摄影：新华社、各项目团队
编辑：吴楠 审核：蔺伟 阅读次数：【编者按】2021年是中国共产党成立100周年，是实施“十四五”规划、开启全面建设社会主义现代化国家新征程的第一年。在全党开展党史学习教育之际，党委宣传部特别推出“永远跟党走、奋进新征程”专题报道，全面展现学校加强党的领导党的建设取得的成绩，生动讲好北理工人的奋斗故事，广泛凝聚学校事业发展的磅礴力量，以优异成绩迎接中国共产党百年华诞。
如何使滑冰滑雪的动作更精准？如何在非雪季进行雪上训练？……为备战北京冬奥会，提升冬季运动项目训练水平，几年来，由威尼斯8846牵头开展的一项项“科技冬奥”项目稳步推进。一项项“黑科技”已经或即将运用于我国冬季运动项目的训练中，助力“科技冬奥”，让运动员在冰雪赛场上更快、更强！
在距离北京冬奥会还有不到一年的时间里，北理工的冬奥“黑科技”项目得到了中央电视台、新华社、《光明日报》等媒体的广泛关注和报道。让我们跟随媒体一同认识一下奋战在科技冬奥战线上的幕后英雄和他们的“黑科技”。
“高精镜头”追踪冰上运动轨迹
光电学院仪器研究所副教授刘明正在进行设备调试
连日来，在首都体育学院的滑冰馆内，北理工光电学院仪器研究所副教授刘明带领团队一遍遍测试设备。看台上竖立着图像采集云台变焦设备和超高清相机，刘明盯着4K显示器中正在冰场内滑冰的测试人员图像，操作电脑，采集分析其运动轨迹。
这套云台变焦设备，并不算庞然大物，是两台将冰上运动员的运动轨迹、过程加以捕捉、采集的装备。“云台变焦运动轨迹采集与动作捕捉分析设备是有变焦功能的，加入了智能跟踪算法，可以从运动员起跑开始跟随其全部运动过程，运动员在画面中大小相对稳定，就能形成对其比较精细的特写。一方面可以便于提取其运动轨迹，同时也可以对其身体部位进行动作捕捉。冰场全景图像采集与运动轨迹分析系统则可对整个赛场进行全景拍摄，它有很高的单帧分辨率，能达到2500万像素和每秒160帧的帧频，可记录大场景下高速运动运动员的轨迹。虽然精度低些，但能同时测量多人。”刘明表示。
两台装备的强强组合，究竟能帮上运动员什么忙？刘明表示，采集运动员跟踪特写和轨迹，可以帮助运动员优化技术动作，更加科学、有效地进行训练。“例如系统可以分析运动员头部位置，分析过弯道时头部距离冰面的高度，帮助运动员在训练中更科学地调整身体姿态和平衡。”刘明说。
那么，完成跟踪记录，为何不用高速摄像机代劳？刘明的答案很简单，自己的设备就是要让运动员、教练员觉得好用。现有市场上常见的设备都可以满足多角度拍摄和三维测算需求，但视野相对固定，记录范围相对有限，若要记录较大范围场地，则需设置覆盖不同区域的多组相机，系统复杂、造价很高，通常固定安装在冰场内无法移动。
刘明表示，为突破这些局限，仅是镜头从开始研发到目前产品已经经历了7个版本。“将云台变焦技术运用于机器视觉中，首先要解决的问题就是精度问题，云台有个角精度，变焦镜头有个焦距变化的精度，所以必须随时知道焦距和放大率的实时数据。而市面上的镜头无法做到，所以从转台到变焦系统只能自己做，虽然工作量很大，但设备的精度就有保障了。此外就是算法，作为光学跟踪系统，对于目标物的干扰、遮挡比较敏感，一旦出现运动员相互遮挡、目标物短暂丢失的情况，传统算法就会乱套，所以学生下了很大功夫去完善，目前已经实现了有短暂遮挡继续跟踪的功能，还在不断改进。”刘明说。
“希望我们的设备产品能尽快运用于冰上运动甚至是田径项目的教学和训练中，提升运动员的成绩，这将是我们最大的光荣！” 刘明说。
“定位到厘米”的三维重现
光电学院张海洋副教授和无人机
在茫茫雪原上高速疾驰，忽而起伏颠簸，忽而侧身转弯……在北理工光电学院，“冬季项目场景三维感知及重建技术”课题组的张海洋正在电子屏上展示其用三维激光雷达扫描系统搭建的崇礼滑雪场场景，让人身临其境。他身旁，摆放着两架搭载激光雷达系统的无人机。
“冬奥实地赛场赛道落差大，运动员滑全程危险性、技术要求很高，需要克服很大心理压力，所以一天只能滑几次，体力消耗很大，借助仿真系统可以帮助其提高训练效率、建立心理预期。”张海洋表示，项目意义还在于为运动员搭建室内模拟场景，团队扫描完每一个场景后，VR团队都会紧张地投入到模拟场景的制作中。
运动员模拟训练系统对重建精度、低温和实时传输等方面都要求严格，尤其是低温的挑战特别大。有的雪场方圆几平方公里，有的场地落差近千米，用无人机搭载激光雷达扫描效率较高，但无人机在零下20摄氏度以下功效就会下降，为此团队还开发出适合低温环境运行的无人机载激光雷达扫描系统。
不同雪场环境不同，要做到真实还原，需收集大量实地数据。为此，研究团队利用无人机载、车载的激光雷达系统，奔赴北京、河北、吉林等地多个滑雪场进行数据扫描和测试，还通过运动员穿戴的传感器，收集其在雪场运动信息，再反馈到显示系统中。
对于这个由5位老师、10位学生组成的团队而言，冒着严寒测雪场的经历令所有人难忘。“1月初，崇礼雪场的温度是零下35摄氏度，无人机很难达到要求，只能由团队师生抱着激光雷达冒着低温严寒去测量。但是由于场地起伏、植被遮挡等原因，激光雷达测量的一个步进只有百米，于是我们团队男生搬着设备、女生记录数据，充分利用运动员训练休息的间隙，一条雪道一条雪道进行测量，整整在低温下测了一天。到第二天我们的三维场景就做出来了，交给训练队使用。”团队一位成员说。
“目前我们的相关成果已应用于国家队，可减少运动员在非训练时的损伤，提高运动效率，给教练员提供技术帮助。”张海洋希望这一技术成果可以惠及更多运动员。
室内仿真模拟“高山滑雪”
自动化学院研究生曹洪卿正在体验模拟滑雪训练
在北理工一间实验室内，自动化学院研究生曹洪卿正穿戴好传感器装备，走上12米长的钢制滑台，踏上滑台上一副模拟雪橇，面对巨大电子屏上的滑雪场景画面，开始急速左右摆动滑行。
因参与“室内多自由度模拟滑雪训练系统”的研究，曹洪卿专门参加了滑雪培训，以亲身测试这套室内模拟滑雪训练设备的效果。“在滑台上主要是做回转运动，在上面练习挺累的，但有真实雪道的体验，可达到滑雪训练的目的。”他说。
该项目主要是为高山滑雪、越野滑雪等项目的运动员提供室内模拟滑雪训练设备，以提升其回转、滑行等专项技术动作的训练效率。同时，通过在滑雪训练平台上安装运动形态识别与位姿测量系统，可采集分析运动员运动数据，为科学化训练提供指导依据。
课题组负责人、北理工自动化学院教授刘向东介绍，这套设备的优点是让运动员在非雪季也能在室内展开滑雪训练，滑台上的滑行速度可达百公里的时速。运动员全身关节处的17个传感器，可精准反映其姿态动作数据，帮助教练评估参考。此外，这套设备的通用型产品还在滑台下加装了运动模拟平台，有高低、倾斜、偏转变化，通过各角度帮助运动员训练。相关设备已用于国家高山滑雪队运动员的日常训练。
“北京冬奥会越来越近，希望我们的研究成果能促进运动员的训练，助力科技冬奥在训练技术方面的提升，为冬奥会做出我们的贡献。”刘向东说。
“精确到肌肉”的智能训练管理系统
宇航学院运动与细胞力学课题组在吉林北大壶越野滑雪训练场开展测试工作
高山滑雪如何快速绕过旗门？越野滑雪用什么姿态最省力？跳台滑雪用何种姿势起跳最好？速度滑冰如何训练过弯道技术？北理工宇航学院霍波教授带领的人体运动力学团队针对高山滑雪、越野滑雪、跳台滑雪、速度滑冰等4类冬季运动项目，基于三维动作捕捉和自动识别技术、空气动力学实验和模拟技术、生理传感器技术、肌骨动力学分析技术，研发了“冬季项目智能训练管理系统”，为运动员提供个性化、智能化训练方案。
“跳台滑雪运动员在起跳阶段前的助滑阶段应尽量减低身体重心以减少空气阻力，同时应适当伸膝以提高离台后肢体的伸展程度。在起跳过程中膝关节应尽可能蹬伸，同时适当降低髋关节的伸展速度，减少躯干的风阻。在日常的体能训练中，运动员应注意在提升下肢爆发力的同时避免膝关节过度外翻，提升蹬伸力量及传递效率。” 这是该团队为国家跳台滑雪队运动员出具的一份智能化运动管理建议。
“这套系统可以实时采集不同运动项目下运动员在进行各种专项动作时的三维姿态参数，以及该动作下所产生的地面反作用力、空气阻力等，形成该运动员的动力学数据库，从而用于后续的运动生物力学分析及训练方案的制订。”团队负责人霍波介绍道。
除采集运动员动力学数据外，该团队研发的“生理参数监测与运动生物力学分析训练系统”由于使用了无线传输的肌电传感器，能够实现实时的生理体征检测，通过采集各种专项动作下运动员的肌肉活性等生理参数，建立骨骼肌肉系统的生物力学模型，对运动员的运动能力进行分析和评估。
2021年1月8日至3月24日，霍波教授带领团队7名师生抵达延庆赛场，开启了冬奥会测试赛雪车雪橇队的跟队技术服务。团队针对国家雪车队、国家钢架雪车队的技术需求和项目特点，围绕日常训练和测试赛过程中运动员在出发段、弯道段的运动表现进行了测试和分析。
“今年团队成员们和国家队一起度过了一个特殊的春节，虽然辛苦，但想到能为国家重大赛事做出贡献，还是感觉浑身充满了力量”。该团队的博士生蒋量说。
为速度滑冰装上“瞬间加速器”
速度滑冰国家队教练组应用人体高速弹射装置开展模拟训练
在速度滑冰运动中，掌握弯道处的滑行技术是制胜的关键。由北理工航天发射技术团队研制的“人体高速弹射装置”，可辅助速度滑冰运动员的弯道滑行技术训练，实现了加速过程的精准控制，填补了该领域的国内空白。
课题主要完成人、北理工宇航学院教师郝继光介绍，过去运动员训练弯道技术往往是自己加速入弯，而加速至高速这一过程很耗费体力，因此运动员通常在大型比赛前才开始大量开展弯道技术训练。此外，每次加速达到的速度也和运动员体力状态有很大关系，训练也不够精准。
“我们希望用弹射发射的原理给运动员加速，让他们体验到‘世界级速度’。”郝继光说，由于学校航天发射技术专业中的弹射发射技术与此项目的需求具有很高的相似度，因此团队开始研制“人体高速弹射装置”，希望用装置牵引带动运动员实现瞬间加速。
经过原理设计、样机设计、样机试制，以及大量的功能实验、配重实验、人体实验等复杂流程，“人体高速弹射装置”的首台装置于2019年4月研制成功。这一装置可使速度滑冰运动员的滑离速度最高达每秒20米。在装置协助下，只需几秒钟时间，一名速度滑冰运动员就能从静止状态达到指定速度，调节姿态、入弯一气呵成。
目前，国家速度滑冰队已应用“人体高速弹射装置”开展实际训练多次，并培训了多支队伍的操作员。现在，利用这一装置开展弯道训练已成为国家队日常训练科目之一。
实践证明，“人体高速弹射装置”不仅可节省助滑、跳跃等专项技术动作三分之二左右的训练时间，降低运动员的体力消耗，还可实现加速过程的精准控制，提升运动员的训练效率和效果。
除速度滑冰外，针对跳台滑雪的人体弹射装置目前也已研制成功，不久后将安装应用，可使跳台滑雪运动员的滑离速度最高达到每秒30米，为冬奥运动员取得佳绩提供科技支撑。
为北京冬奥打造“扛冻”的电动车
孙逢春院士在极寒环境测试现场
“只有冻透了，数据才有说服力。”2020年1月19日凌晨4时，北理工机械与车辆学院教授、中国工程院院士孙逢春再一次亲自带队，在牙克石的冰湖上进行赛前最后一次面向冬奥国产新能源汽车整车技术极寒环境实地测试。为了挑战极限条件，孙逢春坚持提前把车辆停在冰面上三天三夜，确保整车冻透。
“北京2022年冬奥会相关区域要实现新能源汽车全覆盖，这对纯电动汽车的整体性能提出了历史性挑战。”孙逢春介绍，冬奥会雪上项目主办地张家口，冬季最低气温可达零下20摄氏度。“在冬季低温条件下，动力电池无法充放电、整车无法低温冷启动、采暖能耗高，这是纯电动车辆面临的世界性技术难题”。
“在没有外援的情况下，全世界没有一辆纯电动车在近零下40摄氏度环境下放置72小时后，还能自己发动的。”孙逢春说，“我们在2018年就做到了。”2018年至2020年，团队先后3次到牙克石进行了新能源汽车整车关键技术的极寒测试，最低测试温度接近零下40摄氏度。
“我们的任务既包括基础科研创新，又包括工程技术创新，最后还要落实到成熟的车辆产品上。”团队成员、北理工机械与车辆学院教授林程介绍，2016年至2017年，团队度过了“压力山大”的两年，先是与一位美籍华裔学者合作解决了电池的低温技术问题，与北汽新能源、北汽福田合作解决了整车技术问题，又与湖南华强合作解决了车载空调问题。“冬奥会项目对时间的要求是不能动摇的，我们只能不断挖掘自己的潜能与创造力”。
低温条件下，新能源汽车的空调效率问题，是车主们的普遍困扰。“这对整个汽车空调行业都是一个很大的挑战。”团队成员、湖南华强电气股份有限公司董事长罗岳华说，“经过3年的技术攻关，2020年，团队实现了在车内零下30摄氏度时，汽车空调依然能够可靠运行。自此，新能源汽车空调将不再受低温制约。
中国作为人口众多、能源有限的发展中国家，纯电动客车有着广阔的市场需求。“拥有中国自主知识产权的新能源汽车，不仅将有效服务‘绿色冬奥’，而且将彻底解决东北、西北或高寒地带的新能源汽车推广应用问题，让中国的新能源汽车不再有禁区。”孙逢春说。
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