人工智能四季滑雪辅助训练系统的设计

宋昌江，姜 洋，丛晓丹

(1.黑龙江省科学院智能制造研究所，哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020)

0 引言

北京成功取得2022年冬季奥运会的主办权之后，习总书记提出“3亿人上冰雪”的号召[1]，以此带动冰雪运动产业全面兴起。我国冰雪运动产业已经初步形成了以健身休闲为主，竞赛表演、场馆服务、运动培训和体育旅游等业态协同发展的产业格局[2]。

对现有室内滑雪机进行智能升级改造，增加人工智能辅助训练功能，并实现虚拟环境及虚拟教练三维投射。综合体现出的优势有：绝对安全的平台，智能四季滑雪机附带的安全保护装置，可以杜绝因不规范操作发生意外。可以高效安全地掌握滑雪运动的初级技能，不受年龄限制(3岁就可接受训练)，无论青少年、成年人及中老年人，甚至是残疾人，只要满足身体基本运动条件者，均可进行滑雪模拟训练。人工智能辅助训练系统会根据滑雪者身体情况，选择适合的领滑教程。不受季节影响、地域限制，可以更快速、更有效地让体验者感受到滑雪的乐趣，快速掌握滑雪技巧及要领。

1 系统结构设计

设计开发一款针对于室内滑雪机[3]人工智能四季滑雪辅助训练系统，在现有室内滑雪机机械结构的基础上进行智能化升级改造，增加了虚拟现实显示装置、三维姿态测量装置和人工智能运动诊断计算单元，解决青少年室内模拟滑教学过程中出现的难以掌握的技术要领、滑雪动作不规范、模拟环境实感低等问题，实现了室内滑雪运动的智能化教学。人工智能四季滑雪辅助训练系统结构如图1所示。人工智能四季滑雪辅助训练系统以系统处理单元SPU(System Process Unit)为核心，共分为5个子系统，设计重点定位在滑雪运动虚拟显示平台的搭建、关键硬件的协调控制和软件控制的实现，主要设计内容如图1。

图1 人工智能四季滑雪辅助训练系统结构框图

2 关键技术设计

2.1 基于多传感器融合的滑雪者姿态及轨迹测量技术

微惯性传感器[4]因其体积小、重量轻、成本低及不受外界环境影响在运动控制、姿态测量、导航定位等领域广泛应用。微惯性传感器由三轴陀螺仪和三轴加速度计构成。根据传感器的应用场合，研究合适的微惯性传感器噪声抑制技术、惯性传感器现场标校技术及环境误差补偿技术，是保障人体姿态精确测量的重要前提。惯性传感器轨迹计算误差随时间逐渐增大，所以结合UWB(超宽带)室内定位技术，在滑雪场室内建立基站，提高单组惯性传感器人体姿态的定位精度，实现单个节点九自由度姿态测量。在人体关键节点位置及雪板布置微惯性传感器，然后将补偿后的多组微惯性传感器测量数据结合磁传感器提供的初始方向信息、初始位置和滑雪机速度信息，采用捷联姿态四元数算法及捷联惯性导航算法进行人体姿态的融合与解算，并对多传感器节点之间的关联关系进行约束集合，精确提供每一个测量节点的三维姿态信息。通过蓝牙通信协议传输到上位机，在上位机上分析传输数据进行数据融合，实时计算出雪板三维连续速度、姿态和位置信息，并驱动以骨架的模型运动实现运动姿态重构，为后续运动诊断姿态工作提供基础。多传感器融合姿态及轨迹测量系统框图如图2所示。

图2 多传感器融合姿态及轨迹测量系统框图

2.2 基于人工智能的多级运动诊断算法

提出了一种基于人工智能的多级运动诊断算法，对采集到的三维滑雪姿态信息进行滤波处理，采用动态时间规整算法，把时间规整和距离测度计算结合起来。DTW算法中参考模版在本系统中分别对应三维滑雪运动数据库中的标准运动主链和关键关节特征序列。将DTW算法“局部最优、全局最优”的思想在滑雪运动识别系统寻找模版匹配中最相近的节点，识别每位滑雪者的运动状态节点。在此基础上，对识别到的状态节点数据进行运动识别层的运动诊断，将运动诊断的结果提交给显示系统。多级运动诊断算法结构框图如图3所示。

图3 多级运动诊断算法结构框图

2.3 基于虚拟现实的可视化动态模拟技术

虚拟现实技术[5]是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景。可视化滑雪人工智能辅助训练系统通过三维建模技术，依照真实滑雪场赛道场景构建多条数字虚拟赛道，并根据旗门位置、数量、颜色的要求差异，设计出10条不同功能、不同难度的滑雪比赛模式。建立虚拟滑雪人物，将运动姿态监测系统反馈的多节点六自由度运动信息赋予滑雪人物的运动姿态，通过虚拟滑雪人物在虚拟雪道上的运动轨迹显示滑雪者实时的运动状态。

3 实验测试

系统与黑龙江天行健体育科技有限责任公司合作开发，并由该公司推广应用。图4为现场拍摄演示人员演示系统体验，图5为制作的虚拟雪场图。

图4 系统演示现场照片

图5 虚拟雪场视频显示图

4 结论

提出的人工智能虚拟教练教学及评价辅助训练系统，其特点是增加人工智能运动诊断、滑雪运动学训练资源库、虚拟教练示范等模块，实现了超大规模复杂系统的发展，系统仿真更具真实化、智能化、应用化。一次性解决传统滑雪教学过程中出现的难以掌握技术要领、滑雪动作不规范、模拟环境实感低、用户友好度差等问题，实现了室内滑雪运动的智能化教学，有助于滑雪运动的普及和推广，更有益于滑雪人才的储备和培养。