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从C罗的世界杯速度谈起,那些“毫秒必究”的运动测量之秘

从C罗的世界杯速度谈起,那些“毫秒必究”的运动测量之秘

各种技术指标背后的科技秘密——C罗那被称作“不是人”的极限速度(9.43m/s)是怎么测试出来的?

爆热的世界杯正在如火如荼进行,各种爆冷充满了话题。外行看门道,内行看热闹,作为工程师的我们,足球的门道各自修为不同,但“职业病”深重的不少小伙伴在看球中也看到了另外的门道:各种技术指标背后的科技秘密——C罗那被称作“不是人”的极限速度(9.43m/s)是怎么测试出来的?这么高的精度如何达到的?可以针对任何一个球员的全场跑动距离数据是如何测到的?……oiqesmc

这背后的科技秘密可真不是一般人能解的,但真有“不一般”的人想办法为大家揭秘——高性能模拟技术领头羊ADI的设计工程师Tom Westenburg,也是美国奥运会体育科学部门的首席工程师,尝试借助ADI对精密测量独到的技术和自己作为运动测量领域的专业人士,做出一些案例的科学分析。oiqesmc

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解决测试缺陷,光源很关键

在四个多月前在韩国平昌奥运会上,德国和加拿大的双人雪橇队以完全相同的速度到达终点而双双获得金牌,这是非常不可思议的一件事。因为一般来说,这样的运动项目其胜负之差只有1/100s,怎会出现双金牌的情况呢?由此可见,即使是这样世界级的奥运赛事,其精密测量技术仍然至关重要。oiqesmc

“有舵雪橇和无舵雪橇轨道在起点和终点使用光学传感器实现位置测量,它们使用调制光源,因此不会受到周围照明变化的影响,例如当云朵遮住太阳时。”Tom从专业角度去分析。oiqesmc

但在这个精密测量技术中,光源需要找到一个特定的调制速率,比如100Hz。而当运动员中断这一光束时,光源处于闪光周期的位置会很重要,起点和终点将可能因此而产生10ms的随机错误。可这对于一名不受“上天眷顾”的运动员来说,10ms的错误极可能对其不利。无舵雪橇的这种运动成绩其精确度是毫秒级的,所以为了更加公平地评判每位运动员的实力水平,测量精度必须比这还要高很多才行。oiqesmc

面对这样的问题缺陷,Tom认为应该尽可能地提高调制率,并且还为此亲自进行了一些实验测试。Tom表示调制速率为20kHz时看起来还不错,不过在轨道上的误触发太多;而在9.4kHz时,它的整体性能达到了最佳。测试结果虽然不尽理想,但至少确定了方向。Tom还提到,“当光束被中断时,通常须丢失三个脉冲,才会将其算作一次有效中断。随机部分是当运动员进入脉搏周期的时候。第二个和第三个脉冲增加一个很小延迟,这在起点和终点是相等的,所以不会影响精度。”oiqesmc

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NIST时间和频率标准的不确定性oiqesmc

毫秒必究,计时系统很敏感

在有了可以接受的定时光源后,还要确保其端到端的精度。Tom在与NIST的时间频率专家联系后,构建了一个具有超高速铍快门(用于手术应用中发射激光脉冲)的系统。在起点和终点都设置一组带卫星接收器的快门,用来设置这些快门以100ns的分辨率中断定时光束。(包括快让在内的50-100us)。由此可见,卫星装置参与这样的测试项目是非常高效的。oiqesmc

新方案将计时系统在进行了重配置后,在无舵雪橇滑道上确实取得了良好的应用效果。过去许多旧轨道使用的是反光定时光源,发射器和接收器位于轨道同一侧,而反射器在另一侧。计时器运作理论:来自发射器的光线会反射回接收器,而一旦无舵雪橇运动员的脚穿过并中断了光束,那么计时器就开始启动。oiqesmc

然而有趣的是,有一部分运动员却穿着高反光材料服装和哑光黑色头盔。这样一来,运动员的服装就会将光束反射回接收器,只有直到运动员的头部完全穿过去,这时传感器才会记录光束的中断。因此运动员将会抢占了一个来自身体的先机,而这个中间时间将会超过200ms。在胜败的关键时刻,这极短的一瞬间也将会是一个巨大的优势。然而这也需要运动员完全平躺在雪橇上才能使头盔触发光源,但他们也并不总是这样做。oiqesmc

在奥运会这样的比赛中,运动员的兴奋度会让雪橇推动的时间比预期稍长一点。如果四人雪橇队的前三位运动员都这样做,使其载入时间延迟,就可能导致制动员不得不跑远一点,甚至超出其对雪撬施加推进力的地方。然后他们又不得不把自己再次拉进雪橇中。而所有的这些行为都极可能导致装载不佳,从而拖慢雪撬进入第一个定时光源的时间。oiqesmc

而我们的新方案计时系统可以准确计算出他们在赛道上的位置以及装载的时间,它还能将雪橇数据混合到运动员实况视频中,传输到教练的笔记本电脑。上面还将显示一个力曲线图,并计算其他指示推力和装载质量的参数,团队也可以知道他们推动和装载的好坏。这样的实时反馈能够帮助运动员在记忆犹新的时候通过纠正来找到最佳点,从而为赛事取得胜利增加分量。oiqesmc

科技助力,运动更精彩

据媒体盘点,在本届俄罗斯世界杯充满了很多科技看点,包括:部署了目前欧洲最大规模的Massive MIMO部署;首次采用了高速率、低时延的VAR,即视频助理裁判系统;采用了电子追踪系统,其通过球场内的追踪摄像机、通过球员球衣上的带有GPS的MEMS记录心率等收集数据……试想,如果我们的速度测量、定时系统……都还停留在上个世纪早期阶段,今天的世界杯、奥运会……很多运动会缺少很多看点,科技让运动更精彩。oiqesmc

二维码oiqesmc

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