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亮点 精准时空技术借助“北斗”还原赛道场景

当一个以航空航天为重点的高校科研团队研究运动员时,会擦出怎样的火花?在赛车项目中,风阻是运动员的“敌人”。“控风之人”如何帮助运动员优化姿势,找到最佳竞技路线?……当科学家参与运动训练时,会碰撞出哪些意想不到的惊喜?

北京航空航天大学

航空航天技术为运动员“敞开大门”

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带队,充分借鉴航空工程基础理论和技术方法,参与北京市科技援助冬奥会。

三年来,我们为运动队训练方案建模,利用大数据分析运动员的技能,为运动器材和溜冰场提供最优参数……科学家们通过努力将他们的假设变为现实,创造适合中国国情的体育项目。科技创新之路。

将飞行力学知识应用于冰雪项目

2021年12月中旬的一个电话,让柯鹏一行人立即从北航赶往西南五环外的中车二七国家冰雪运动训练研究基地(“二七基地”)。这是他一年来走过的路线,再熟悉不过了。

“为了让运动员训练更有效率、更有针对性,需要学科相关的科技人员进入传统体育训练体系,组成复合型科研训练队伍,分批培养高水平运动员。 。” 柯鹏介绍北京奥运会模拟器,运动员在运动过程中,科学家可以通过传感器和图像数据,有效采集运动路线、肌肉力量、技术动作、滑雪板、滑板、停滞、触地时刻等数据,并实时解构。打造更精准的技术能力,探索进一步的提升空间,提升整体运动表现。

此外,柯鹏带领的团队还可以根据航空领域的飞行力学、理论力学和运动生物力学等原理,对运动员的运动状态进行个性化分析评估,最终给出特殊运动的科学数学公式。 . 模型。“比如滑行转弯时,提前减速还是不减速?大还是小?我们都可以给你优化方案。”

柯鹏团队提出“运动、科学、医学交叉,人、设备、环境融合”的理念,以人为本,从多维度帮助运动员优化运动技能。例如,在高山滑雪项目中,柯鹏研究分析发现,运动员下山的速度比较快,与飞机的飞行过程非常相似。

“下坡项目是比赛项目,比较谁的时间最短,不同的路线有不同的局部力量。因此,在评估时,我们应该结合所有可能影响运动员的因素,例如设备和环境,以提高他的能力。”滑道。同时,要兼顾运动医学,在保证运动员安全的同时,提高运动员的表现。” 柯鹏笑道:“不能只比速度,不要死。”

给出受力面积最小的姿势,构建理想的转弯模型,提出降低能耗的技术……就这样,科鹏团队一次搞定了一个项目。从科学家的角度,科鹏团队向团队展示了实用的技术方案,一一提供给他们参考和培训。

应用于运动员实战的航空航天模拟器

除了建模,二七基地的很多“大佬”还依靠科学家的帮助,比如辅助运动员训练的六自由度电动模拟运动训练系统。

柯鹏介绍,发展出来的这些技巧和方法,一定要应用到运动员的实战中。雪上运动训练受天气影响,只能在雪地上进行。火车。六自由度模拟器是当时提出的一种新的训练模式,可以模拟运动员实际转身等一些技术动作。而这与航空领域的模拟训练系统帮助飞行员了解飞机特性的原理完全一样。

六自由度模拟器由一家制造硬件的公司制造,科学家负责为模拟建模提供软件数据。例如,爬坡的速度是多少,转弯的角度是多少,跑步轨迹和身体姿势等,这些都需要科鹏团队优化数据并提供给机器。同时,机器训练过程中产生的第一手数据也可以被科学家获取,进行进一步的分析和建模,逐步优化运动员的训练技巧和能力,形成闭环。

据介绍,目前已经完成了大规模测试,六自由度模拟器填补了训练中的技术空白。

运动场上哪怕是一瞬间的时间,都能影响到最终的排名,这充满了科学家严谨的科学态度。柯鹏表示,考虑到近几年的国内和国际比赛,他对运动员取得的成绩感到非常满意,这让球队觉得之前的努力是值得的。

开发带有涡扇发动机的“涵道风扇”螺旋桨

新京报记者在采访中发现,在航天领域的经验已经在各个方面得到运用。另一个值得一提的“训练神器”是“涵道风扇”辅助推进器。

柯鹏介绍,这是一款由航空航模的涵道风扇改造而成的微型涡扇发动机。它长约15厘米,直径约7厘米。它是一种轻量级的银色桶形装置,可携带在运动员的背部。开机,启动机器,风叶转动,就像推着一架飞机,将在溜冰鞋或轮滑鞋上行走的人向前推,在比赛时可以给运动员更高的速度提升。

这不是对运动员“开放”吗?柯鹏笑着解释说,这不能用于比赛,是训练运动员的器械。例如,运动员在高速滑行时,有时由于各种原因难以进一步提高速度,有时甚至在转弯时下意识地减速。然后助推器给了他一个被动的力量,让他体验超速的感觉,在超速中完成对力量和技能的控制。当他体验并习惯了高速运动时,他也可以创造出更高的速度来实现比赛。目标,也会减少“刹车”。

但在开发这款设备的过程中,团队也遇到了困难。柯鹏说,当时,他希望有一个运动员能够测试这个设备。他需要全力滑行500米,然后背着机器滑行500米,对比数据。当教练听说要让运动员连续两次滑冰500米时,他立即不同意。

这时,科学家们意识到,全力以赴的滑冰对运动员来说是消耗大量体力的。比如上届夏季奥运会,苏炳添跑完9.83秒后,在两个多小时后跑完第二个100米,很难达到起跑成绩。因此,连续两次打滑相同的500米,是运动员无法高质量完成的任务。

在充分了解情况后,科学家和运动队想出了解决办法,分阶段完成了测试。滑行500米后,充分休息后,运动员将背着机器再次滑行。

经过测试,数据证明是非常好的。柯鹏说,助推器使运动员的速度至少提高了10%。不仅参加测试的运动员非常兴奋,现场的其他运动员也纷纷表达了想要尝试的愿望。这个“神器”研制成功。现在已用于运动队的冰雪训练项目中。

2019年以来,科鹏团队让体育赛事看到了更多的可能。但这背后也有艰辛,柯鹏笑着说,冰天雪地打了半天,基本上每个队员都感冒了。但没有一个学生和老师抱怨,他们的责任感让他们一直坚持到今天。

他表示,即使在奥运会之后的未来,备战冬奥所留下的科学态度和精神财富,也会在高校继续传承下去。

北京交通大学

风洞实验室助力冬奥会备战

在赛车项目中,风阻是运动员的“敌人”。在冰天雪地中,强风是场馆建设的一大挑战。为了保障冬奥会的顺利举办,北京交通大学土木工程与建筑学院风洞实验室有一个团队。他们专门解决与风有关的技术问题,被称为“乘风的人”。

“抗风优化”运动员姿势

近一年多来,除了运动员和教练员外,二七国家冰雪运动训练基地(简称“二七基地”)也一直是科学家们的“训练场”。

测量什么?如何测量?体育和科技是什么关系?中国冰雪科学家、北京交通大学风洞实验室主任李波为大家解说。

李波介绍,在比赛项目中提高成绩有两个关键:一是提高运动员的能力,二是减少运动中的阻力。对于冰雪赛事来说,除了冰雪的摩擦,空气阻力也占了很大的比重。以速滑为例,空气阻力占80%,冰阻力仅为20%。空气阻力越快,空气阻力就越大。

风洞实验室就是利用科技手段寻找合适的方法来降低运动时空气阻力对运动表现的影响,李波称之为“风阻优化”。

以钢架雪橇为例。运动员在雪橇上滑行后,肩膀是应该越过雪橇,还是应该后缩一点?身体需要抬高吗?腿需要伸直吗?这些小细节会影响运动员在比赛中的速度,也是需要科学家通过仔细测试才能给出的答案。

李波介绍,球队除了抗风能力外,还要考虑运动员技术动作的生物力学特性,以发挥运动员的技术动作和能力。“你不能用力来减少风阻的影响。”

《Wind Rider》设计最佳竞技路线

冬季项目场地开放期短,培训效率低。模拟训练是提高训练效率的一种科技手段。风洞中的风速可以模拟运动的高速运动。团队利用滑板、跑步机、六自由度系统设计了冬季运动风洞模拟训练方法,辅助运动队开展模拟训练,助力冬季运动跨越式发展。

李波介绍,在筹备2022年北京冬奥会时,风洞技术紧紧围绕人、机、环境三个方面提供技术服务。“人”是指上述风阻优化和风洞模拟训练;“机”是指运动装备的研发也依赖于风洞技术,可以测试运动员服装、头盔、雪地车等装备的抗风性能,辅助研发低风阻、高性能运动器材。

“环”是指环境风评。在冬季运动管理中心的组织下,李波带领北京交通大学风洞实验室对北京冬奥会各赛区的主要赛道进行风环境风洞试验。在关键区域评估了比赛时间的风速和风向。“这些都是影响运动员现场表现的关键环境因素,可见我们的准备工作是多么的细致和全面。” 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克服“硬骨头”的精神。由于经验不足,李博一开始在风洞调试时只戴了一顶毛线帽,风吹过。有一次他在那里呆了一天,头疼了一周。“我知道后面风很大,风速超过每小时20米,就得戴头盔了。” 李博笑着说道。

团队做过的最复杂的项目是汽车撬装项目。李波回忆说,教练组提出要增加一个赛道,但从技术优化的角度来看,同样的条件下可以做对比。运动员的心理作用只有在交流之后才能意识到,这一点也很重要。将赛道恢复到原来的比例,可以增强运动员的信心。但是,在测试中风速高达 14 时,该设备是否安全?连接可靠吗?这些都是面临的挑战。为了保证运动员的安全和测试数据的可靠性,李博在设备安装后率先进行了测试。每组运动员的测试时间为2-3分钟,而这次冒险的测试用了整整5分钟。

李波欣慰的是,自2020年10月起,体育综合风洞实验室在二七基地建成。在大规模的应用下,他确实看到了一些成绩,很多运动员也在本赛季的国际比赛中创造了成绩。史上最好成绩。成绩的背后,是整个团队的付出。

首都体育学院

高山滑雪用的“北斗”

近日,记者从首都体育学院获悉,为科技助力冬奥会,首都体育学院等多家单位基于北斗精准定位,启动了“北斗+冬奥会”项目。时空冰雪运动智能服务系统及冬奥会应用示范。据研究,该系统已应用于延庆高山滑雪中心,帮助高山滑雪和越野滑雪运动员备战冬奥会。

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

北斗精密时空技术首次应用于体育运动

王子璞说,简单来说,在环境复杂、面积大的高山滑雪场,跟踪和识别运动员和工作人员的运动轨迹是一个很大的难点。过去,为了解决这个问题,经常使用对讲机等定位系统的方法,但仍然存在很大的局限性。该系统采用北斗精准时空技术,利用其高精度定位,帮助识别雪场内运动员和工作人员的运动轨迹和危险区域。

针对该系统的亮点,王子璞介绍,北斗的应用已进入“天上好用、地上好用”阶段,在交通、农业等行业拥有多个应用场景,但此前并未在运动领域推广应用。. 此次,基于北斗精准时空的雪上运动智能服务系统填补了该领域的空白。“该项目是北斗精准时空技术在体育领域的首次应用。” 王子璞说。

同时,该项目率先打造了高精度、小型化的北斗一体化可穿戴定位终端。王子璞进一步解释,可穿戴定位终端可以理解为运动员身上的接收器。该接收机满足体积小、功耗低、采样频率高、精度高等特点。接收机采用高精度北斗定位等技术,实现对运动员运动轨迹的测量、运动速度和加速度分析,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办“北斗+冬奥会”项目的契机,王子普透露,2021年,为服务国家“科技冬奥会”建设,首都体育学院体育与北控集团有限公司“干粮,不归”开展“北斗+冬奥”项目研发。

系统具有识别运动轨迹和辅助裁判的功能。

基于北斗精准时空的雪上运动智能服务系统涵盖运动员与教练员、裁判员、工作人员与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与危险区域识别系统、越野滑雪裁判员智能辅助系统、环境监测和决策系统。这也意味着,该系统除了捕捉运动轨迹外,还有辅助裁判、环境监测等多种应用。

在辅助运动员科学训练方面,该系统实时采集运动员滑行过程中各节点的速度、运动轨迹等数据,并进行姿态分析、人体动力学分析等,然后给出实时数据。时间通过APP反馈给教练,让运动员调整训练。计划。对于工作人员的安全监控,系统可以跟踪分析工作人员的日常轨迹,实现工作人员进入危险区域报警等功能。

在裁判辅助方面,对于一些场地较大、条件复杂的项目,如越野滑雪,系统可以辅助场地内的裁判在比赛过程中捕捉运动员的动作,有利于裁判的准确判断。游戏。

环境监测也是该系统的重要组成部分。由于滑雪赛道的地理环境复杂,风场复杂多变,运动员在高速滑行过程中容易受到赛道垂直风和横风突变的影响北京奥运会模拟器,从而影响比赛成绩。光,最坏的情况是运动员的安全。系统实时监测赛道纵风和横风,并提供危险预警,有利于运动员安全顺利的训练。

王子璞表示,他期待这个项目的成果能够服务于基础冰雪运动、高速运动、户外运动等。

新京报记者刘洋、吴萍萍