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北京理工大学科研项目 助力冬奥会国家科学化训练

2019-11-20 北京理工大学

为了备战北京2022年冬奥会,并大幅度提升我国冬季运动项目的训练水平和比赛成绩,迫切需要科技力量从训练装备、运动技术、体能康复等诸多方面,解决关键问题突破关键技术,为我国冬季项目的国家科学化训练基地提供有力的技术支持。


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北京理工大学汇聚优势科研力量,联合北京体育大学、东北师范大学等14家单位,牵头申请,并获批科技部国家重点研发计划——“国家科学化训练基地建设关键技术研究与示范”项目。


该项目针对国家北京2022年冬奥会备战重大需求,重点聚焦我国冬季项目有效训练时间短等问题,开展专项、体能、康复训练关键技术的集成研究,研发符合冬季相关专项训练要求的模拟训练系统,建立综合考虑姿态、外力、生理功能的生物力学模型。


在该项目中北理工主要承担了4大重要任务:


01冬季项目场景三维感知及重建技术

02室内多自由度模拟滑雪训练系统

03人体高速弹射技术

04冬季项目训练智能管理系统


1、冬季项目场景三维感知及重建技术


由光电学院牵头研制的“冬季项目场景三维感知及重建技术”旨在搭建运动员模拟训练平台视觉模拟系统,为高山滑雪、越野滑雪等冬季项目模拟训练平台搭建提供有力支撑。


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项目组采用车载激光雷达对北理工校园场景进行了闭环扫描实验,测试车载激光雷达扫描系统的稳定性与适用性。


机载激光雷达以无人机为平台,集成了激光测距技术、全球定位技术(GPS)和惯性测量技术(IMU),能够直接、快速、主动、精确地获取目标的三维空间信息,而且获取的数据密度高、分辨率高。无人机载激光雷达可克服地形障碍,针对奥运雪场较难开展地面扫描的区域,进行高精度的扫描工作。无人机上集成有高性能相机,通过采集图像获取扫描区域的颜色信息,实现对奥运雪场环境的真实还原。


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机载激光雷达系统调试


为适应雪场三维扫描,项目组多次开展野外实地扫描测试,改进车载系统组装方式以适应雪场环境,在多个滑雪场进行现场勘测,开展机载激光雷达系统扫描实验。


VR场景生成方面,项目组经过冰面渲染提升研究、雪面渲染提升研究、凹凸贴图渲染测试,成功通过提升材质平铺数量,对雪质与冰面的渲染效果实现了显著的提升。目前,项目组已实现使用VR设备较为真实地还原三维雪场场景。


2、室内多自由度模拟滑雪训练系统


由自动化学院牵头研制的“室内多自由度模拟滑雪训练系统”实现了滑雪训练和竞赛过程中运动员(人)、训练设备(机)、运动场地(环境)三者之间的耦合系统建模与仿真,为越野滑雪、高山滑雪等项目的运动员提供室内模拟滑雪训练设备,显著提升回转、滑行等专项技术动作的训练效率。同时,在滑雪训练平台上安装运动形态识别与位姿测量系统,对运动员人体运动数据进行采集和分析,为科学化训练提供指导依据。


课题组于2018年10月进驻国家高山滑雪队,并为国家队提供一套室内模拟滑雪训练设备用于日常训练。2019年6月,又将研制的滑台、平衡台及多自由度台送至秦皇岛国家冬奥训练基地,使用至今。


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科研设备用于哈尔滨基地国家队训练现场


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装备北理工设备的国家体育总局秦皇岛训练基地


项目提供的多自由度运动平台可以模拟滑雪过程中的各种环境地形变化,通过人工遥控运动平台的姿态变化、或者设置自动周期性的平台姿态变化,辅助运动员进行平衡训练、滑雪动作训练等,部分满足夏季运动员的滑雪训练需求。


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模拟真实雪场的运动平台控制与显示系统

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室内多自由度模拟滑雪训练系统构成


项目提供的运动感知与位姿测量及运动分析系统可以实时检测运动员训练过程中各关节的位姿变化、足底压力变化,从而辅助运动员分析训练动作和训练效果。


3、人体高速弹射技术


在速度滑冰运动中,弯道处的滑行技术是制胜的关键,而训练中滑行加速至高速,却非常耗费体力,因此运动员通常仅在临近比赛前才开始大量开展弯道技术训练。


由宇航学院牵头研制的“人体高速弹射装置”主要用于辅助速度滑冰运动员的弯道滑行技术训练,可帮助运动员减少体力消耗、提高训练效率、提升运动水平。首台装置已于2019年4月研制成功,可实现加速过程的精准控制,填补了这一领域的国内空白。装置同时具有应用于需要助力加速的其他运动项目的潜力,如为跳台滑雪训练提供加速。


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人体高速弹射技术原理示意图


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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


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高速弹射装备及主要研发人员郝继光博士


由光电学院牵头研制的“高精度跟踪定位及赛场运动分析系统”,通过综合运用复眼阵列图像采集、智能图像目标检测、双目机器视觉定位、精密运动伺服跟踪技术等,实现对标准400m场地运动员轨迹、速度、加速度、关键动作位置的精确采集,检测定位精度小于1cm,进行全景图像采集和分析。


目前,该项目原理样机能够初步实现近距离三维空间定位,下一步将针对大场景冰场及雪场运动员检测的任务,对系统进行进一步优化。


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高精度跟踪定位及赛场运动分析系统主要研发人员刘明博士接受媒体采访



4、冬季项目训练智能管理系统


由宇航学院牵头研制的“运动员训练/比赛姿态测量分析系统”可在室外低温条件下通过单目摄像测量技术获得运动员训练及比赛过程中的三维姿态,无需在运动员身体上布置任何传感器或合作标志,具有独立供电和GPS授时功能,同时利用系统自带的人体动力学分析软件,还可以对运动员动作的合理性进行分析,为教练员优化队员技术动作、提高训练效率和比赛成绩提供协助。


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运动员训练/比赛姿态测量与分析系统及主要研发人员马沁巍博士(右一)在向观众介绍


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运动员训练比赛姿态测量与分析系统


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运动员科学训练流程


应用1 跳台滑雪运动员姿态识别与分析


跳台滑雪运动员姿态识别与分析:该系统已配合国家跳台滑雪男子集训队赴日本长野训练、配合国家跳台滑雪女子集训队赴长春北大壶训练,通过对所有国家队员起跳姿态与飞行轨迹进行观测分析,为国家队教练员指导训练提供有力的数据支持。


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跳台滑雪运动员姿态测量服务现场


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跳台滑雪运动员的动作姿态


应用2 速度滑冰运动员姿态识别与分析


速度滑冰运动员姿态识别与分析:该系统已配合长春师范大学短道速滑队开展训练,通过对运动员起滑姿态进行观测分析,为教练员指导运动员提升速度滑冰出发能力提供支持。


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速度滑冰运动员姿态测量服务现场


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对速度滑冰运动员进行动作姿态分析


应用3 标枪运动员器械出手运动参数测量


标枪运动员器械出手运动参数测量:该系统已配合北京体育大学标枪运动员开展训练,对运动员标枪投掷出手角度与速度进行测量分析,为教练员了解运动员投掷能力,对比分析与国外运动员技术动作差异提供支持。


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标枪运动员器械出手运动参数测量服务现场


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标枪运动员的器械出手姿态



早在2017年,北京理工大学科技冬奥,相关工作就开始启动。


科技冬奥


2017.8 

国家体育总局苟仲文局长、刘爱杰副司长先后到北理工调研“科技助力奥运”工作。

2017.12

根据国家体育总局冬季运动管理中心洪平副主任对冬季奥运项目提出的重点技术对接任务,我校整合科研力量,积极参与冬季运动管理中心技术交流会。

2018.3

北京理工大学校长张军院士与国家体育总局局长苟仲文举行座谈,全面推进科技助力奥运和体教融合等工作,并联合启动“冬季运动科技提升计划”。

2018.5

科技部社发司处长刘健一行到北理工调研,针对“科技助力奥运”开展进一步交流。


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