宋昌江，姜 洋，叢曉丹

(1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

0 引言

北京成功取得2022年冬季奧運(yùn)會的主辦權(quán)之后，習(xí)總書記提出“3億人上冰雪”的號召[1]，以此帶動冰雪運(yùn)動產(chǎn)業(yè)全面興起。我國冰雪運(yùn)動產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成了以健身休閑為主，競賽表演、場館服務(wù)、運(yùn)動培訓(xùn)和體育旅游等業(yè)態(tài)協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局[2]。

對現(xiàn)有室內(nèi)滑雪機(jī)進(jìn)行智能升級改造，增加人工智能輔助訓(xùn)練功能，并實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境及虛擬教練三維投射。綜合體現(xiàn)出的優(yōu)勢有：絕對安全的平臺，智能四季滑雪機(jī)附帶的安全保護(hù)裝置，可以杜絕因不規(guī)范操作發(fā)生意外?？梢愿咝О踩卣莆栈┻\(yùn)動的初級技能，不受年齡限制(3歲就可接受訓(xùn)練)，無論青少年、成年人及中老年人，甚至是殘疾人，只要滿足身體基本運(yùn)動條件者，均可進(jìn)行滑雪模擬訓(xùn)練。人工智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)會根據(jù)滑雪者身體情況，選擇適合的領(lǐng)滑教程。不受季節(jié)影響、地域限制，可以更快速、更有效地讓體驗(yàn)者感受到滑雪的樂趣，快速掌握滑雪技巧及要領(lǐng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計開發(fā)一款針對于室內(nèi)滑雪機(jī)[3]人工智能四季滑雪輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，在現(xiàn)有室內(nèi)滑雪機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化升級改造，增加了虛擬現(xiàn)實(shí)顯示裝置、三維姿態(tài)測量裝置和人工智能運(yùn)動診斷計算單元，解決青少年室內(nèi)模擬滑教學(xué)過程中出現(xiàn)的難以掌握的技術(shù)要領(lǐng)、滑雪動作不規(guī)范、模擬環(huán)境實(shí)感低等問題，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)滑雪運(yùn)動的智能化教學(xué)。人工智能四季滑雪輔助訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。人工智能四季滑雪輔助訓(xùn)練系統(tǒng)以系統(tǒng)處理單元SPU(System Process Unit)為核心，共分為5個子系統(tǒng)，設(shè)計重點(diǎn)定位在滑雪運(yùn)動虛擬顯示平臺的搭建、關(guān)鍵硬件的協(xié)調(diào)控制和軟件控制的實(shí)現(xiàn)，主要設(shè)計內(nèi)容如圖1。

圖1 人工智能四季滑雪輔助訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 基于多傳感器融合的滑雪者姿態(tài)及軌跡測量技術(shù)

微慣性傳感器[4]因其體積小、重量輕、成本低及不受外界環(huán)境影響在運(yùn)動控制、姿態(tài)測量、導(dǎo)航定位等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。微慣性傳感器由三軸陀螺儀和三軸加速度計構(gòu)成。根據(jù)傳感器的應(yīng)用場合，研究合適的微慣性傳感器噪聲抑制技術(shù)、慣性傳感器現(xiàn)場標(biāo)校技術(shù)及環(huán)境誤差補(bǔ)償技術(shù)，是保障人體姿態(tài)精確測量的重要前提。慣性傳感器軌跡計算誤差隨時間逐漸增大，所以結(jié)合UWB(超寬帶)室內(nèi)定位技術(shù)，在滑雪場室內(nèi)建立基站，提高單組慣性傳感器人體姿態(tài)的定位精度，實(shí)現(xiàn)單個節(jié)點(diǎn)九自由度姿態(tài)測量。在人體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置及雪板布置微慣性傳感器，然后將補(bǔ)償后的多組微慣性傳感器測量數(shù)據(jù)結(jié)合磁傳感器提供的初始方向信息、初始位置和滑雪機(jī)速度信息，采用捷聯(lián)姿態(tài)四元數(shù)算法及捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法進(jìn)行人體姿態(tài)的融合與解算，并對多傳感器節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行約束集合，精確提供每一個測量節(jié)點(diǎn)的三維姿態(tài)信息。通過藍(lán)牙通信協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)上分析傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)時計算出雪板三維連續(xù)速度、姿態(tài)和位置信息，并驅(qū)動以骨架的模型運(yùn)動實(shí)現(xiàn)運(yùn)動姿態(tài)重構(gòu)，為后續(xù)運(yùn)動診斷姿態(tài)工作提供基礎(chǔ)。多傳感器融合姿態(tài)及軌跡測量系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 多傳感器融合姿態(tài)及軌跡測量系統(tǒng)框圖

2.2 基于人工智能的多級運(yùn)動診斷算法

提出了一種基于人工智能的多級運(yùn)動診斷算法，對采集到的三維滑雪姿態(tài)信息進(jìn)行濾波處理，采用動態(tài)時間規(guī)整算法，把時間規(guī)整和距離測度計算結(jié)合起來。DTW算法中參考模版在本系統(tǒng)中分別對應(yīng)三維滑雪運(yùn)動數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動主鏈和關(guān)鍵關(guān)節(jié)特征序列。將DTW算法“局部最優(yōu)、全局最優(yōu)”的思想在滑雪運(yùn)動識別系統(tǒng)尋找模版匹配中最相近的節(jié)點(diǎn)，識別每位滑雪者的運(yùn)動狀態(tài)節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對識別到的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動識別層的運(yùn)動診斷，將運(yùn)動診斷的結(jié)果提交給顯示系統(tǒng)。多級運(yùn)動診斷算法結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 多級運(yùn)動診斷算法結(jié)構(gòu)框圖

2.3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化動態(tài)模擬技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[5]是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景。可視化滑雪人工智能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)通過三維建模技術(shù)，依照真實(shí)滑雪場賽道場景構(gòu)建多條數(shù)字虛擬賽道，并根據(jù)旗門位置、數(shù)量、顏色的要求差異，設(shè)計出10條不同功能、不同難度的滑雪比賽模式。建立虛擬滑雪人物，將運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的多節(jié)點(diǎn)六自由度運(yùn)動信息賦予滑雪人物的運(yùn)動姿態(tài)，通過虛擬滑雪人物在虛擬雪道上的運(yùn)動軌跡顯示滑雪者實(shí)時的運(yùn)動狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)測試

系統(tǒng)與黑龍江天行健體育科技有限責(zé)任公司合作開發(fā)，并由該公司推廣應(yīng)用。圖4為現(xiàn)場拍攝演示人員演示系統(tǒng)體驗(yàn)，圖5為制作的虛擬雪場圖。

圖4 系統(tǒng)演示現(xiàn)場照片

圖5 虛擬雪場視頻顯示圖

4 結(jié)論

提出的人工智能虛擬教練教學(xué)及評價輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，其特點(diǎn)是增加人工智能運(yùn)動診斷、滑雪運(yùn)動學(xué)訓(xùn)練資源庫、虛擬教練示范等模塊，實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)仿真更具真實(shí)化、智能化、應(yīng)用化。一次性解決傳統(tǒng)滑雪教學(xué)過程中出現(xiàn)的難以掌握技術(shù)要領(lǐng)、滑雪動作不規(guī)范、模擬環(huán)境實(shí)感低、用戶友好度差等問題，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)滑雪運(yùn)動的智能化教學(xué)，有助于滑雪運(yùn)動的普及和推廣，更有益于滑雪人才的儲備和培養(yǎng)。