人工智能四季滑雪輔助訓練系統(tǒng)的設計

宋昌江，姜 洋，叢曉丹

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

0 引言

北京成功取得2022年冬季奧運會的主辦權之后，習總書記提出“3億人上冰雪”的號召[1]，以此帶動冰雪運動產(chǎn)業(yè)全面興起。我國冰雪運動產(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、運動培訓和體育旅游等業(yè)態(tài)協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局[2]。

對現(xiàn)有室內(nèi)滑雪機進行智能升級改造，增加人工智能輔助訓練功能，并實現(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，智能四季滑雪機附帶的安全保護裝置，可以杜絕因不規(guī)范操作發(fā)生意外?？梢愿咝О踩卣莆栈┻\動的初級技能，不受年齡限制(3歲就可接受訓練)，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動條件者，均可進行滑雪模擬訓練。人工智能輔助訓練系統(tǒng)會根據(jù)滑雪者身體情況，選擇適合的領滑教程。不受季節(jié)影響、地域限制，可以更快速、更有效地讓體驗者感受到滑雪的樂趣，快速掌握滑雪技巧及要領。

1 系統(tǒng)結(jié)構設計

設計開發(fā)一款針對于室內(nèi)滑雪機[3]人工智能四季滑雪輔助訓練系統(tǒng)，在現(xiàn)有室內(nèi)滑雪機機械結(jié)構的基礎上進行智能化升級改造，增加了虛擬現(xiàn)實顯示裝置、三維姿態(tài)測量裝置和人工智能運動診斷計算單元，解決青少年室內(nèi)模擬滑教學過程中出現(xiàn)的難以掌握的技術要領、滑雪動作不規(guī)范、模擬環(huán)境實感低等問題，實現(xiàn)了室內(nèi)滑雪運動的智能化教學。人工智能四季滑雪輔助訓練系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。人工智能四季滑雪輔助訓練系統(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)，設計重點定位在滑雪運動虛擬顯示平臺的搭建、關鍵硬件的協(xié)調(diào)控制和軟件控制的實現(xiàn)，主要設計內(nèi)容如圖1。

圖1 人工智能四季滑雪輔助訓練系統(tǒng)結(jié)構框圖

2 關鍵技術設計

2.1 基于多傳感器融合的滑雪者姿態(tài)及軌跡測量技術

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)境影響在運動控制、姿態(tài)測量、導航定位等領域廣泛應用。微慣性傳感器由三軸陀螺儀和三軸加速度計構成。根據(jù)傳感器的應用場合，研究合適的微慣性傳感器噪聲抑制技術、慣性傳感器現(xiàn)場標校技術及環(huán)境誤差補償技術，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，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，實現(xiàn)單個節(jié)點九自由度姿態(tài)測量。在人體關鍵節(jié)點位置及雪板布置微慣性傳感器，然后將補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)慣性導航算法進行人體姿態(tài)的融合與解算，并對多傳感器節(jié)點之間的關聯(lián)關系進行約束集合，精確提供每一個測量節(jié)點的三維姿態(tài)信息。通過藍牙通信協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C，在上位機上分析傳輸數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，實時計算出雪板三維連續(xù)速度、姿態(tài)和位置信息，并驅(qū)動以骨架的模型運動實現(xiàn)運動姿態(tài)重構，為后續(xù)運動診斷姿態(tài)工作提供基礎。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動診斷算法

提出了一種基于人工智能的多級運動診斷算法，對采集到的三維滑雪姿態(tài)信息進行濾波處理，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)中分別對應三維滑雪運動數(shù)據(jù)庫中的標準運動主鏈和關鍵關節(jié)特征序列。將DTW算法“局部最優(yōu)、全局最優(yōu)”的思想在滑雪運動識別系統(tǒng)尋找模版匹配中最相近的節(jié)點，識別每位滑雪者的運動狀態(tài)節(jié)點。在此基礎上，對識別到的狀態(tài)節(jié)點數(shù)據(jù)進行運動識別層的運動診斷，將運動診斷的結(jié)果提交給顯示系統(tǒng)。多級運動診斷算法結(jié)構框圖如圖3所示。

圖3 多級運動診斷算法結(jié)構框圖

2.3 基于虛擬現(xiàn)實的可視化動態(tài)模擬技術

虛擬現(xiàn)實技術[5]是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(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練系統(tǒng)通過三維建模技術，依照真實滑雪場賽道場景構建多條數(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，將運動姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的多節(jié)點六自由度運動信息賦予滑雪人物的運動姿態(tài)，通過虛擬滑雪人物在虛擬雪道上的運動軌跡顯示滑雪者實時的運動狀態(tài)。

3 實驗測試

系統(tǒng)與黑龍江天行健體育科技有限責任公司合作開發(fā)，并由該公司推廣應用。圖4為現(xiàn)場拍攝演示人員演示系統(tǒng)體驗，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及評價輔助訓練系統(tǒng)，其特點是增加人工智能運動診斷、滑雪運動學訓練資源庫、虛擬教練示范等模塊，實現(xiàn)了超大規(guī)模復雜系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)仿真更具真實化、智能化、應用化。一次性解決傳統(tǒng)滑雪教學過程中出現(xiàn)的難以掌握技術要領、滑雪動作不規(guī)范、模擬環(huán)境實感低、用戶友好度差等問題，實現(xiàn)了室內(nèi)滑雪運動的智能化教學，有助于滑雪運動的普及和推廣，更有益于滑雪人才的儲備和培養(yǎng)。