李文婷关富余周妍

（1.哈尔滨体育学院研究生院 黑龙江 哈尔滨 150008；2.哈尔滨体育学院体育教育训练学院 黑龙江 哈尔滨 150008；3.哈尔滨体育学院冬季奥林匹克学院 黑龙江 哈尔滨 150008）

1、前言

中国冰壶在短短几十年的发展就取得了今天的斐然成绩，但与之相对分应的科学研究却相对落后。本研究对冰壶的运动轨迹进行研究，分别就冰壶任意滑行轨迹、刷冰轨迹两个方面进行运动分析，建立运动学方程使其可以较真实的模拟出冰壶的运动轨迹，并以直观图像展示出不同初速度、角速度、刷冰等情况下对冰壶运动轨迹的影响，能找出投壶质量的关键因素，从而指导冰壶运动训练。因此，为了更好地辅助投壶运动员进行训练，准确地把握投壶方向，减少投壶方向的偏离，精准地将冰壶按照既定的方向投出，对训练过程进行数据统计，并科学合理的提出训练辅助策略，为冰壶能够精准落位起着重要作用。如果运用智能化的器材与数据来分析完善冰壶投壶的运动轨迹，以辅助性训练帮助运动员们改进技术，以减小一点差距。对稳定控制壶的运行轨迹发明出优化运动轨迹装置，更好的控制与改变冰壶的运动轨迹，以提高投壶成功率达到战术目的，从而指导冰壶运动训练，帮助运动员提高训练水平，减少比赛中的失误，在保障运动员取得优异成绩上具有重要意义。实现冰壶运动轨迹的场景理解和视觉测量，构建了基于智能视觉的冰壶识别与测量系统。该系统完全基于真实场景而非模拟环境，涵盖了冰壶运动中的多种姿态和运动情况（例如：推出、滑行、自由碰撞、运动员擦冰等），从精准的赛道、冰壶、运动员识别到还原运动轨迹以及人体姿态，能够实现理解与分析冰壶运动过程的任务。系统搭设了改进的网络算法，达到了实时反馈的目的，同时实验结果显示测量误差较小，能够为辅助训练提供及时有效且真实的反馈信息。

2、研究方法

2.1、文献资料法

本文通过实地测量收集并整理比赛规则、冰壶的尺寸、冰壶场地、场地冰面等资料，并查阅冰壶运动轨迹、仿真轨迹等方面信息，利用中国知网、哈尔滨体育学院图书馆等资源进行文献收集与整理，了解当前冰壶运动轨迹装置的最新研究方向与进展，对收集到的信息进行整合，为本文研究奠定理论基础。

2.2、专家访谈法

通过实地拜访、电话交流、论坛讨论等方式，讨论冰壶运动轨迹装置的具体实施方案以及方案的可操作性，根据实际条件和开展情况，对冰壶运动轨迹装置设计的合理性与专家进行探讨与分析，对于实际操作中可能出现的问题，仪器探测的误差，听取专家的可行性建议和意见。

2.3、录像观察法

通过视频观察法发现冰壶的速度运行轨迹可以分为三个阶段，第一阶段是自由滑行，该阶段的特点是冰壶滑行速度较快，但旋转较慢，运行轨迹近乎于直线；第二阶段是刷冰，该阶段冰壶在刷过的冰面滑行，滑行速度较没有刷过的冰面速度快，而且旋转更加缓慢，运行轨迹更加笔直，但通过刷冰可以修改冰壶的滑行方向；第三阶段是自由滑行，冲向营垒，这阶段冰壶的速度明显降低，但旋转速度提升，这阶段的运行轨迹出现明显的偏转。再次用理论分析法，分析冰壶运动轨迹的受力。

2.4、数理统计法

通过生物力学的基本理论、角速度、方程等方法对冰壶出手后的滑行轨迹、方向、角速度、摩擦力等进行计算，对冰壶运动轨迹的路径变化的影响因素进行研究计算，运动轨迹的探测与计算都需要文献的参考，然后进行数据的统计与归纳。

3、研究结果与分析

3.1、研究的结果与分析

冰壶在整个的滑行过程中，受惯性的作用，重心前倾，冰壶底面接触圆环前半部分（下面简称前环，后半部分简称后环）会将冰粒融化并清除一些碎冰屑，这样前环和后环后所接触的冰面是不同的，当然所产生的摩擦力也不同。过程可分为三个阶段：第一阶段前环和粗糙的冰面相接触，后环和较光滑的冰面相接触；第二阶段整个冰壶底面都和光滑的冰面相接触；第三阶段冰壶的速度较慢，这造成表层冰面的瞬时融化，形成了一层非常薄的液体薄膜，这层薄膜在冰壶和冰面之间会产生一个粘滞力。而且液体会在旋转的作用下带到前环，故此合力偏移，所以偏移轨迹明显而且旋转加剧。最后分别从平面移动和旋转两个角度构建冰壶的运动轨迹方程。多相机同步数据采集模块、力学与环境数据采集模块、主控机软件模块。冰壶在冰面上滑行可以视为刚体的平面运动，可以将其分解为质心的平动和绕过质心轴的定轴旋转。以前卫线的中心为O,前卫线中线为x轴，垂直于x轴的是y轴，垂直于冰面的轴为z轴建立坐标系。

（1）旋转。

（2）平动。

图1

3.2、讨论与分析

对于冰壶运动轨迹装置进行研发分为以下三个部分：

（1）运动员使用冰刷的发力特点不同；刷冰的运动轨迹则呈现出前后折返的N字型轨迹，这刷冰方法的优点在于不仅可以节省运动员在刷冰时所消耗的能量，而且可以对目标范围的冰面进行大强度的快速刷冰，引导冰壶更好的运行针对运动员投壶时的运动轨迹，我们除去地面的摩擦、运动员技术水平等因素，有针对性地设计红外线感应、3D模拟、云计算等装置来矫正辅助运动员的出手习惯和力量，以帮助运动员在图像呈现、数据分析等助力下，找到最合适的投壶运动轨迹；

（2）冰壶出去之后运动轨迹的变化预测；冰壶投出后有一段滑行距离，如果在投壶时能够预判壶的准确落点，那么在投壶过程中，会减少很多的失误，就能稳定控制出壶方向，在这一部分，是采用精准测距、感应测距、C++的轨迹仿真训练等装置来把握冰壶轨迹，减少偏离；

（3）碰撞后轨迹的变化预测；科学判断碰撞之后冰壶的下一个落点，同时在训练过程中，运用力学基础及运动方程等方法，反复与运动员磨合，减小碰撞后的运动轨迹失误的判断。运用Visual C++与Matlab相结合的方式，开发无碰撞冰壶运动轨迹的仿真系统。系统分为三个模块分别是基础参数设置（水平初速度和初始角速度）、刷冰参数设置（刷冰起始时间和刷冰停止时间）和动画演示（自由滑行和刷冰后的运行轨迹）。使用刷冰模块时需输入刷冰的起止时间，时间应设置在合理的范围内，再点击“数据演示”按钮，便可以绘制出刷冰后的冰壶运行轨迹。系统默认的刷冰起始时间为10s，终止时间为20s。

①要保证数据的稳定性和真实性

由冰壶的规则可知，该运动是技巧主导兼策略性的体育项目，运动员的技术能力很大程度上决定了比赛的成败。在数据的辅助模拟练习有保障的情况下，那么能给结果带来不错的正面效应。反之，数据的偏差会导致整个训练计划的前功尽弃，而且建模相对复杂，耗时耗力，数据输出量大而精密，对于数据的改变和精准度需要严格要求，保证实验过程中数据的准确性。此外一定要对于数据进行云备份，并及时更新数据库。

②根据运动员自身情况来调节反馈结果

由于冰壶在运动中轨迹的改变在极大程度上具有不确定性，运动员不管是在训练中还是在比赛时，都有可能出现失误，冰壶出手后的轨迹无法预判。因此，就需要教练员在日常训练中结合运动员自身的运动风格、运动场地的变化，技战术的采用做针对性的训练。根据数据和图像的反馈，运动员结合自身的实际情况在最少的干扰下来做拟合训练。

③加强实操磨合

由于系统和计算仅输出结果，且仅停留在理论，对于很多细枝末节没有办法调节，对运动员的技术和控制能力有很高的要求，在整合数据之后，运动员要反复磨合，以达到理想状态。

4、结论

冰壶运动轨迹装置的研发能在一定程度上帮助运动员对投壶速度、出手后的运动轨迹及碰撞后冰壶的落点做一个预判作，在日常训练中减少误差和失利，有利于运动员得到客观且及时有效的反馈信息，能帮助运动员改善自己的动作，从而提高成绩。冰壶速度感应装置的研发能在一定程度上帮助运动员对投壶方向、出手后的方向及碰撞后方向的落点做出一个更加精准的预判。根据研究表明，冰壶速度的感应装置能达到辅助的要求。首先能完善投壶的的位置和冰面不同，摩擦力也不同，利用感应测距得到数据，通过图像结合数据来辅助运动员完成投壶；其次冰壶出手后的位置变化能够进行模拟仿真路线，对于方向的把控有很好的完善，设计三个机位的追踪系统来辅助定位，四周测距，减少偏离；最后碰撞预测落点，同步安装相机，通过力学方程、冰壶碰撞后的方位感应图像呈现，算出角速度及运动速度、摩擦力，精确判断冰壶的移动方向和落点，未来可以根据实验中影响冰壶运动轨迹，滑行速度的因素，整改冰壶的技战术，调整运动员的训练方案，让冰壶运动轨迹装置能够及时检测到运动员在比赛和训练中体现出来的问题、错误并及时调整，尽可能的把该装置充分利用在训练中，通过装置及时有效的反馈训练和比赛中运动员的成绩和状态，运动员能以最快方式找出问题并调整，从而达到目标，提高运动成绩。