爆熱的世界杯正在如火如荼進(jìn)行，各種爆冷充滿了話題。外行看門道，內(nèi)行看熱鬧，作為工程師的我們，足球的門道各自修為不同，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道：各種技術(shù)指標(biāo)背后的科技秘密——C羅那被稱作“不是人”的極限速度（9.43m/s）是怎么測試出來的？這么高的精度如何達(dá)到的？可以針對任何一個球員的全場跑動距離數(shù)據(jù)是如何測到的？……fekesmc
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(shè)計工程師Tom Westenburg，也是美國奧運(yùn)會體育科學(xué)部門的首席工程師，嘗試借助ADI對精密測量獨(dú)到的技術(shù)和自己作為運(yùn)動測量領(lǐng)域的專業(yè)人士，做出一些案例的科學(xué)分析。fekesmc
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解決測試缺陷，光源很關(guān)鍵
在四個多月前在韓國平昌奧運(yùn)會上，德國和加拿大的雙人雪橇隊以完全相同的速度到達(dá)終點(diǎn)而雙雙獲得金牌，這是非常不可思議的一件事。因?yàn)橐话銇碚f，這樣的運(yùn)動項目其勝負(fù)之差只有1/100s，怎會出現(xiàn)雙金牌的情況呢？由此可見，即使是這樣世界級的奧運(yùn)賽事，其精密測量技術(shù)仍然至關(guān)重要。fekesmc
“有舵雪橇和無舵雪橇軌道在起點(diǎn)和終點(diǎn)使用光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)位置測量，它們使用調(diào)制光源，因此不會受到周圍照明變化的影響，例如當(dāng)云朵遮住太陽時。”Tom從專業(yè)角度去分析。fekesmc
但在這個精密測量技術(shù)中，光源需要找到一個特定的調(diào)制速率，比如100Hz。而當(dāng)運(yùn)動員中斷這一光束時，光源處于閃光周期的位置會很重要，起點(diǎn)和終點(diǎn)將可能因此而產(chǎn)生10ms的隨機(jī)錯誤?？蛇@對于一名不受“上天眷顧”的運(yùn)動員來說，10ms的錯誤極可能對其不利。無舵雪橇的這種運(yùn)動成績其精確度是毫秒級的，所以為了更加公平地評判每位運(yùn)動員的實(shí)力水平，測量精度必須比這還要高很多才行。fekesmc
面對這樣的問題缺陷，Tom認(rèn)為應(yīng)該盡可能地提高調(diào)制率，并且還為此親自進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)測試。Tom表示調(diào)制速率為20kHz時看起來還不錯，不過在軌道上的誤觸發(fā)太多；而在9.4kHz時，它的整體性能達(dá)到了最佳。測試結(jié)果雖然不盡理想，但至少確定了方向。Tom還提到，“當(dāng)光束被中斷時，通常須丟失三個脈沖，才會將其算作一次有效中斷。隨機(jī)部分是當(dāng)運(yùn)動員進(jìn)入脈搏周期的時候。第二個和第三個脈沖增加一個很小延遲，這在起點(diǎn)和終點(diǎn)是相等的，所以不會影響精度。”fekesmc
NIST時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)的不確定性fekesmc
毫秒必究，計時系統(tǒng)很敏感
在有了可以接受的定時光源后，還要確保其端到端的精度。Tom在與NIST的時間頻率專家聯(lián)系后，構(gòu)建了一個具有超高速鈹快門（用于手術(shù)應(yīng)用中發(fā)射激光脈沖）的系統(tǒng)。在起點(diǎn)和終點(diǎn)都設(shè)置一組帶衛(wèi)星接收器的快門，用來設(shè)置這些快門以100ns的分辨率中斷定時光束。（包括快讓在內(nèi)的50-100us）。由此可見，衛(wèi)星裝置參與這樣的測試項目是非常高效的。fekesmc
新方案將計時系統(tǒng)在進(jìn)行了重配置后，在無舵雪橇滑道上確實(shí)取得了良好的應(yīng)用效果。過去許多舊軌道使用的是反光定時光源，發(fā)射器和接收器位于軌道同一側(cè)，而反射器在另一側(cè)。計時器運(yùn)作理論：來自發(fā)射器的光線會反射回接收器，而一旦無舵雪橇運(yùn)動員的腳穿過并中斷了光束，那么計時器就開始啟動。fekesmc
然而有趣的是，有一部分運(yùn)動員卻穿著高反光材料服裝和啞光黑色頭盔。這樣一來，運(yùn)動員的服裝就會將光束反射回接收器，只有直到運(yùn)動員的頭部完全穿過去，這時傳感器才會記錄光束的中斷。因此運(yùn)動員將會搶占了一個來自身體的先機(jī)，而這個中間時間將會超過200ms。在勝敗的關(guān)鍵時刻，這極短的一瞬間也將會是一個巨大的優(yōu)勢。然而這也需要運(yùn)動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。fekesmc
在奧運(yùn)會這樣的比賽中，運(yùn)動員的興奮度會讓雪橇推動的時間比預(yù)期稍長一點(diǎn)。如果四人雪橇隊的前三位運(yùn)動員都這樣做，使其載入時間延遲，就可能導(dǎo)致制動員不得不跑遠(yuǎn)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(dǎo)致裝載不佳，從而拖慢雪撬進(jìn)入第一個定時光源的時間。fekesmc
而我們的新方案計時系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計算出他們在賽道上的位置以及裝載的時間，它還能將雪橇數(shù)據(jù)混合到運(yùn)動員實(shí)況視頻中，傳輸?shù)浇叹毜墓P記本電腦。上面還將顯示一個力曲線圖，并計算其他指示推力和裝載質(zhì)量的參數(shù)，團(tuán)隊也可以知道他們推動和裝載的好壞。這樣的實(shí)時反饋能夠幫助運(yùn)動員在記憶猶新的時候通過糾正來找到最佳點(diǎn)，從而為賽事取得勝利增加分量。fekesmc
科技助力，運(yùn)動更精彩
據(jù)媒體盤點(diǎn)，在本屆俄羅斯世界杯充滿了很多科技看點(diǎn)，包括：部署了目前歐洲最大規(guī)模的Massive MIMO部署；首次采用了高速率、低時延的VAR，即視頻助理裁判系統(tǒng)；采用了電子追蹤系統(tǒng)，其通過球場內(nèi)的追蹤攝像機(jī)、通過球員球衣上的帶有GPS的MEMS記錄心率等收集數(shù)據(jù)……試想，如果我們的速度測量、定時系統(tǒng)……都還停留在上個世紀(jì)早期階段，今天的世界杯、奧運(yùn)會……很多運(yùn)動會缺少很多看點(diǎn)，科技讓運(yùn)動更精彩。fekesmc
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