各種技術(shù)指標背后的科技秘密——C羅那被稱(chēng)作“不是人”的極限速度（9.43m/s）是怎么測試出來(lái)的？電子制作模塊
爆熱的世界杯正在如火如荼進(jìn)行，各種爆冷充滿(mǎn)了話(huà)題。外行看門(mén)道，內行看熱鬧，作為工程師的我們，足球的門(mén)道各自修為不同，但“職業(yè)病”深重的不少小伙伴在看球中也看到了另外的門(mén)道：各種技術(shù)指標背后的科技秘密——C羅那被稱(chēng)作“不是人”的極限速度（9.43m/s）是怎么測試出來(lái)的？這么高的精度如何達到的？可以針對任何一個(gè)球員的全場(chǎng)跑動(dòng)距離數據是如何測到的？……
這背后的科技秘密可真不是一般人能解的，但真有“不一般”的人想辦法為大家揭秘——高性能模擬技術(shù)領(lǐng)頭羊ADI的設計工程師Tom Westenburg，也是美國奧運會(huì )體育科學(xué)部門(mén)的首席工程師，嘗試借助ADI對精密測量獨到的技術(shù)和自己作為運動(dòng)測量領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人士，做出一些案例的科學(xué)分析。
解決測試缺陷，光源很關(guān)鍵
在四個(gè)多月前在韓國平昌奧運會(huì )上，德國和加拿大的雙人雪橇隊以完全相同的速度到達終點(diǎn)而雙雙獲得金牌，這是非常不可思議的一件事。因為一般來(lái)說(shuō)，這樣的運動(dòng)項目其勝負之差只有1/100s，怎會(huì )出現雙金牌的情況呢？由此可見(jiàn)，即使是這樣世界級的奧運賽事，其精密測量技術(shù)仍然至關(guān)重要。
“有舵雪橇和無(wú)舵雪橇軌道在起點(diǎn)和終點(diǎn)使用光學(xué)傳感器實(shí)現位置測量，它們使用調制光源，因此不會(huì )受到周?chē)彰髯兓挠绊?，例如當云朵遮住太?yáng)時(shí)。”Tom從專(zhuān)業(yè)角度去分析。
但在這個(gè)精密測量技術(shù)中，光源需要找到一個(gè)特定的調制速率，比如100Hz。而當運動(dòng)員中斷這一光束時(shí)，光源處于閃光周期的位置會(huì )很重要，起點(diǎn)和終點(diǎn)將可能因此而產(chǎn)生10ms的隨機錯誤?？蛇@對于一名不受“上天眷顧”的運動(dòng)員來(lái)說(shuō)，10ms的錯誤極可能對其不利。無(wú)舵雪橇的這種運動(dòng)成績(jì)其精確度是毫秒級的，所以為了更加公平地評判每位運動(dòng)員的實(shí)力水平，測量精度必須比這還要高很多才行。
面對這樣的問(wèn)題缺陷，Tom認為應該盡可能地提高調制率，并且還為此親自進(jìn)行了一些實(shí)驗測試。Tom表示調制速率為20kHz時(shí)看起來(lái)還不錯，不過(guò)在軌道上的誤觸發(fā)太多；而在9.4kHz時(shí)，它的整體性能達到了最佳。測試結果雖然不盡理想，但至少確定了方向。Tom還提到，“當光束被中斷時(shí)，通常須丟失三個(gè)脈沖，才會(huì )將其算作一次有效中斷。隨機部分是當運動(dòng)員進(jìn)入脈搏周期的時(shí)候。第二個(gè)和第三個(gè)脈沖增加一個(gè)很小延遲，這在起點(diǎn)和終點(diǎn)是相等的，所以不會(huì )影響精度。”
NIST時(shí)間和頻率標準的不確定性
毫秒必究，計時(shí)系統很敏感
在有了可以接受的定時(shí)光源后，還要確保其端到端的精度。Tom在與NIST的時(shí)間頻率專(zhuān)家聯(lián)系后，構建了一個(gè)具有超高速鈹快門(mén)（用于手術(shù)應用中發(fā)射激光脈沖）的系統。在起點(diǎn)和終點(diǎn)都設置一組帶衛星接收器的快門(mén)，用來(lái)設置這些快門(mén)以100ns的分辨率中斷定時(shí)光束。（包括快讓在內的50-100us）。由此可見(jiàn)，衛星裝置參與這樣的測試項目是非常高效的。
新方案將計時(shí)系統在進(jìn)行了重配置后，在無(wú)舵雪橇滑道上確實(shí)取得了良好的應用效果。過(guò)去許多舊軌道使用的是反光定時(shí)光源，發(fā)射器和接收器位于軌道同一側，而反射器在另一側。計時(shí)器運作理論：來(lái)自發(fā)射器的光線(xiàn)會(huì )反射回接收器，而一旦無(wú)舵雪橇運動(dòng)員的腳穿過(guò)并中斷了光束，那么計時(shí)器就開(kāi)始啟動(dòng)。
然而有趣的是，有一部分運動(dòng)員卻穿著(zhù)高反光材料服裝和啞光黑色頭盔。這樣一來(lái)，運動(dòng)員的服裝就會(huì )將光束反射回接收器，只有直到運動(dòng)員的頭部完全穿過(guò)去，這時(shí)傳感器才會(huì )記錄光束的中斷。因此運動(dòng)員將會(huì )搶占了一個(gè)來(lái)自身體的先機，而這個(gè)中間時(shí)間將會(huì )超過(guò)200ms。在勝敗的關(guān)鍵時(shí)刻，這極短的一瞬間也將會(huì )是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。然而這也需要運動(dòng)員完全平躺在雪橇上才能使頭盔觸發(fā)光源，但他們也并不總是這樣做。
在奧運會(huì )這樣的比賽中，運動(dòng)員的興奮度會(huì )讓雪橇推動(dòng)的時(shí)間比預期稍長(cháng)一點(diǎn)。如果四人雪橇隊的前三位運動(dòng)員都這樣做，使其載入時(shí)間延遲，就可能導致制動(dòng)員不得不跑遠一點(diǎn)，甚至超出其對雪撬施加推進(jìn)力的地方。然后他們又不得不把自己再次拉進(jìn)雪橇中。而所有的這些行為都極可能導致裝載不佳，從而拖慢雪撬進(jìn)入第一個(gè)定時(shí)光源的時(shí)間。
而我們的新方案計時(shí)系統可以準確計算出他們在賽道上的位置以及裝載的時(shí)間，它還能將雪橇數據混合到運動(dòng)員實(shí)況視頻中，傳輸到教練的筆記本電腦。上面還將顯示一個(gè)力曲線(xiàn)圖，并計算其他指示推力和裝載質(zhì)量的參數，團隊也可以知道他們推動(dòng)和裝載的好壞。這樣的實(shí)時(shí)反饋能夠幫助運動(dòng)員在記憶猶新的時(shí)候通過(guò)糾正來(lái)找到最佳點(diǎn)，從而為賽事取得勝利增加分量。
科技助力，運動(dòng)更精彩
據媒體盤(pán)點(diǎn)，在本屆俄羅斯世界杯充滿(mǎn)了很多科技看點(diǎn)，包括：部署了目前歐洲最大規模的Massive MIMO部署；首次采用了高速率、低時(shí)延的VAR，即視頻助理裁判系統；采用了電子追蹤系統，其通過(guò)球場(chǎng)內的追蹤攝像機、通過(guò)球員球衣上的帶有GPS的MEMS記錄心率等收集數據……試想，如果我們的速度測量、定時(shí)系統……都還停留在上個(gè)世紀早期階段，今天的世界杯、奧運會(huì )……很多運動(dòng)會(huì )缺少很多看點(diǎn)，科技讓運動(dòng)更精彩。
