为亿滑雪者制作科技“行头”

曹青

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。

2019年初，由硕士、博士和多名教师组成的北理工课题组，加固了国家重点RD计划中的“科技冬奥”项目——研制一套可供滑雪者在室内常年训练的设备，主要包括一套可穿戴式“行头”和一个室内模拟滑雪台。

“服装”以人体姿态的采集和识别为关键技术，结合实时数据分析，为滑雪爱好者和滑雪教练提供技术分析和指导；该平台主要满足滑雪速度快、范围大的特点。通过控制策略和虚拟场景的结合，让滑雪者在训练时有身临其境的感觉。

时间一算，距离北京冬奥会开幕只有三年，再加上提前培养运动员的时间减少，剩下的发展时间迫在眉睫。带动3亿人滑雪

课题组的每个人都是第一次接触这么大规模的项目，对相关技术了解不多，对研究方案毫无头绪。在老师的指导下，我们几个硕士、博士查阅了相关文献，了解了研究现状，制定了研究计划。

目前市场上有两三种穿戴式“衣柜”姿态采集装置，但都存在一些缺陷。比如不能在户外使用，精度不够高，需要自主研发一套设备来满足项目的需要。

国内外对室内模拟滑雪平台的研究很少，迄今为止还没有能提供真实滑雪体验的设备。主要原因是滑雪运动具有动作复杂、速度快、幅度大的特点，增加了装备研制的难度。同时，运动员、滑雪平台和虚拟场景之间的耦合关系也增加了系统协调控制的难度。

问题是一座又一座大山，矗立在课题组面前。但在课题组眼里，没有翻不倒的山。在他们心中，比大山更高的，是中国在申办2015年北京冬奥会时对国际社会的郑重承诺:带动3亿人参与冰雪运动。课题组明确，虽然中国滑雪人数连年大幅增长，但与“3亿人”的承诺和中国14亿人口基数相比，大众滑雪的规模仍有巨大潜力。面对我国冬季竞技体育“冰强雪弱”的现状，一套不受气候、场地限制，能逼真模拟滑雪体验的室内多自由度模拟滑雪训练系统，既能推广滑雪运动，又能提高专业运动员的水平。“嘉哥”是第一个吃螃蟹的。

如何让惯性传感器指导滑雪训练？

我们遇到了一些棘手的问题，不知道如何将收集到的数据转化为有效的指导和建议。

我国对滑雪项目的研究起步较晚，对室内模拟滑雪训练平台的研究较少，缺乏指导滑雪训练的参考资料。现在我们要开辟新的研究领域，设计实验方案，收集数据，设计相关算法，把有限的数据转化为有效的指导和建议。

第一步是收集大量数据。这是科学分析的前提，需要我们集合不同水平的滑雪者，在室内模拟滑雪训练平台上行走进行训练，并采集训练时的身体姿态数据。

从一开始，我们就在担心:哪里能找到滑雪者？因为模拟设备的危险性，不能随便找志愿者在不成熟的设备上训练。课题组唯一的女同学、人称“嘉哥”的张仪嘉果断地站了起来:“不就是个滑雪板吗？我精通羽毛球、跑步、乒乓球和篮球。我什么都精通，甚至滑雪。让嘉哥上去先体验一下！”

在我们的帮助下，张仪嘉穿上雪鞋，爬上梯子，咔嚓一声，将雪鞋与装备固定好，准备在模拟装备上开始第一次训练。我们按下马达开启按钮，点击屏幕上的“开启”，让设备上下左右前后移动，并伴有转动。易佳站在器材上，双手紧紧握住面前的铁棒。在逐渐适应器械的动作后，她慢慢挥动雪板，把手放在铁棒上。随着雪板的轻微转动，她开始了左右往复的模拟转弯动作。虽然速度不快，但她终于迈出了第一步。

张仪嘉被扶下装备后，满头大汗，软绵绵的，嘴里一点也不软:“我告诉你，这种事能打得过你的好兄弟吗？”张仪嘉已经成为研究小组的一面旗帜。实验室专门组织滑雪活动，让我们第一次在南山滑雪场系统的学习滑雪技巧。回到实验室后，在张仪嘉的指导下，他们都站在设备上练习滑雪。在收集了大量数据的情况下，他们对不同水平滑雪者的滑雪数据进行分析对比，通过相应的算法提取出能够反映滑雪水平的滑雪特征。最后，对比高水平滑雪者的标准滑行特征，实时为滑雪者提供相应的技术指导。叹气的同学扇了我一巴掌。

无论是实验室中滑雪设备的模拟，还是滑雪运动的分析训练，只有在滑行过程中准确捕捉到姿态信息，才能更科学地开展后续工作。

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？”

南山滑雪场学滑雪然而，在开发人体姿态捕捉装置时，存在通信不稳定、惯性传感器漂移等问题。负责这部分设备研制的李每天不是叹气就是发呆。有人劝他，他却总是问:“失败无止境，意外失误无止境。我知道有错误，也知道错误可能发生在哪里，但我就是不会改，也不敢改。你说我该怎么办？”南山滑雪场学滑雪。

雪场测试雪原试验

一周后的中午，李突然用力拍了一下我的胳膊:“这一周我一直在刷论坛，终于发现了有类似问题的同事。从他发的图片的水印里，我找到了他的微博，给他写了一封私信。他推荐我看一本英国人写的书《捷联惯性导航技术》，对我启发很深。马上改代码！”我看到他的手飞快地滑动着鼠标滚轮，他的大脚上下摆动，还有他充满希望的眼神。我知道这离成功不远了。

一个月后，李给我们看了电脑屏幕上的虚拟图。这个人物和李做着同样的动作，这说明人体的每一个姿态都被准确地捕捉到了。路漫漫其修远兮，行也。捏银针缝绷带。

姿态捕获模块需要按照相应的位置固定在人体的各个肢体部位，不能晃动，才能捕获到准确的姿态数据。

当我们第一次开发姿态模块时，我们只是简单地用透明胶带将模块粘在车身上。有时粘得不好，图像就飘走了。有一天，一个同学指着电脑屏幕上虚拟人物的腿说:“滑雪的时候，我们要动。如果没有固定牢固，这个模块做的再好也没用。收集的数字都是错的。”

我们赶紧查了一下类似的产品是怎么做的，发现姿态采集模块是固定在弹力带上的，然后弹力带绑在身体各个部位。我们在网购平台上搜索成品弹力带。找了半天也没找到，于是决定在网上买弹力布，让裁缝做弹力带，去南山滑雪场滑雪的时候试着用一下，顺便收集一些野外滑雪的数据。

去滑雪场的前一天下午，我们按照和裁缝的约定，拿了布，去了门口。没想到裁缝临时出去了。其他裁缝店一时难求，我立马傻眼了:明天去不了滑雪场，用透明胶带粘。

“我会缝纫，让我试试！缝不好的话，差不多可以用。”平时说话慢吞吞的方同学成了我们的“大救星”。

晚饭后，我们回到实验室，围着方做“针线活”。通常，实验室的桌子上有烙铁、万用表和焊丝，它们被布和针线包取代。方一边教我们如何打结和缝纫线，一边用他的仙女手开始工作，摘星戴月。两个小时后，十几条松紧带做好了。虽然布线不是很整齐，外观也不是很好看，但还是可以用的。有人说，“理工科学生无所不能。他们可以拿着烙铁焊零件，在电脑上打代码，捏银针缝带子！”

课题组迎来了金秋时节:2项成果已受理发明专利，3项成果正在申请发明专利，3篇论文已录用，3篇论文正在评审中。还获得了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。

编辑:王新伟