CN113538999A

CN113538999A - 一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统

Info

Publication number: CN113538999A
Application number: CN202110834388.5A
Authority: CN
Inventors: 李波; 张渊召; 韩振; 田玉基
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本发明提供了一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统。包括：风洞、测力天平、摄像监控装置、信息实时显示装置和姿态调整装置。测力天平固定安装在风洞的底板上，姿态调整装置固定安装在测力天平上，姿态调整装置与用户连接，摄像监控装置多机位安装固定在风洞内壁，对用户进行多角度实时拍摄，信息实时显示装置的信息画面位于用户正前方的风洞底面上。摄像监控装置录制用户的实时运动视频，测力天平测量用户受到的风阻数据，风阻、风速、监控画面数据和动作指令信息集成到信息实时显示装置的画面当中。本发明系统用定量化的风阻力，帮助教练员、用户进行关键技术动作的姿态优化与强化训练，协助技术人员进行高性能运动装备的研发。

Description

一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统

技术领域

本发明涉及雪上项目模拟训练技术领域，尤其涉及一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统。

背景技术

雪上项目(如高山滑雪、越野滑雪、自由式滑雪、单板滑雪等)在运动过程中，运动速度引起的风阻力是占比最大的阻力，对比赛成绩的影响很大。而风阻力的大小又和用户的运动姿态、运动装备密切相关。

根据相对运动原理，利用风洞里的风速能够模拟雪上项目的运动速度，在此环境下便于开展姿态风阻优化、装备风阻优化与强化训练。

现有技术中的雪上项目的风阻模拟方法的缺点为：

1、实际场地无法准确测量得到雪上项目运动员受到的风阻力，只能依据理想化的模型，反推风阻力，因此误差较大；

2、在现有技术条件下，无法通过实时显示的定量数据去优化运动员关键技术动作的姿态。

3、在现有技术条件下，运动员的姿态优化，多是依靠经验进行，效果欠佳；

4、运动装备研发大多依据人台模型试验，无法快速、准确评测运动装备的风阻性能。

发明内容

本发明的实施例提供了一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统，包括：风洞、测力天平、摄像监控装置、信息实时显示装置和姿态调整装置；

所述测力天平固定安装在风洞的底板上，所述姿态调整装置固定安装在测力天平上，所述姿态调整装置与用户连接，所述摄像监控装置多机位固定安装在风洞内壁，对用户进行多角度实时拍摄，所述信息实时显示装置与所述摄像监控装置相连，所述信息实时显示装置的信息画面位于用户正前方的风洞底面上；

所述风洞产生的风速大小可调，吹往用户所在的方向，所述姿态调整装置辅助调整用户的姿态，保持用户在不同风速、姿态下的动作稳定；所述摄像监控装置录制用户的实时运动视频，所述测力天平测量所述用户受到的风阻数据，将风阻数据传输给所述信息实时显示装置，所述信息实时显示装置的信息画面实时显示风洞的风速、用户受到的风阻数据、用户的姿势状态信息和对用户的运动姿势控制命令。

优选地，所述信息实时显示装置设置在用户位置的正前方地面处，所述信息实时显示装置实时显示风洞的风速、用户受到的风阻数据、用户的姿势状态信息和对用户的运动姿势控制命令。

优选地，所述风洞的试验段的长*宽*高不小于8m*2.5m*2m，所述风洞的侧壁设置透明观察窗，将风洞的相对风速控制在4-42m/s。

优选地，所述测力天平的水平量程不小于300N，测力天平的上表面与风洞试验段地面齐平。

优选地，所述姿态调整装置包括互相连接的转接装置和姿态固定装置，所述接装置包括：转接板、雪板立刃件、转接板迎风刃缘和雪板立刃件位置调节螺孔；

所述姿态固定装置包括：位置调节立杆、位置调节立杆底座、位置调节横杆、杆间连接件、U型腰腹卡、腰腹卡旋转件和姿态固定装置位置调节螺孔。

优选地，所述转接板为刚性板，通过在转接板中不同位置处预设螺孔和螺孔，以调节雪板立刃件、姿态固定装置在板面上的位置；利用螺栓将转接板的下表面与测力天平刚性连接。

优选地，所述雪板立刃件由雪板单侧顶升件和雪板限位墩组成，所述雪板单侧顶升件的内部带有条状孔洞，配合雪板立刃件的螺孔使用，将雪板的一侧进行0～45°连续顶升；雪板限位墩安置在雪板未被顶升一侧，将雪板立刃件通过螺杆对称安放在雪板的两侧。当测试风速较大且雪板无需立刃时，可将雪板单侧顶升件旋转180°，同时配合雪板限位墩使用，将雪板扣押在两个构件预设的凹槽中，并利用螺栓加强对雪板的固定，避免雪板滑移及用户倾覆。

优选地，所述位置调节立杆的一端刚性连接接在位置调节立杆底座上，通过姿态固定装置上的位置调节螺孔进行位置调节立杆底座的位置调节；位置调节立杆的另一端通过杆间连接件与位置调节横杆进行连接，位置调节立杆和位置调节横杆的相对位置通过立杆螺孔和限位螺杆调节实现。

优选地，所述U型腰腹卡卡扣在用户的腰腹位置，当倾斜角度过大用户的姿态不能稳定时，利用魔术贴对用户的腰腹和U型腰腹卡缠绕固定；U型腰腹卡通过其背部刚性连接的四条螺杆与腰腹卡旋转件上的“()型”孔洞相连，令U型腰腹卡9实现0～60°的连续旋转，当旋转角度固定后，根据需要将U型腰腹卡9在“()型”孔洞的方向上水平移动，以配合用户腰腹位置在“()型”孔洞101方向上的限幅调整。

优选地，当用户的平移位置确定后，用两组螺母分别固定在“()型”孔洞的前后两侧，通过加强螺杆的固定增加U型腰腹卡的稳定性，腰腹卡旋转件利用通孔和螺杆与横杆进行不同角度旋转以及水平位置的调整和固定，实现用户沿身体前后两侧倾斜并稳定保持；令用户的腰腹在x、y、z、Mx、My、Mz6个方向上实现一定范围内的位置固定。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统，用定量化的风阻力，帮助教练员、用户进行关键技术动作的姿态优化与强化训练，协助技术人员进行高性能运动装备的研发。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统的应用场景示意图；

图2是本发明实施例提供的一种姿态调整装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的一种雪板立刃件示意图

图4是本发明实施例的一种位置调节立杆、位置调节横杆和位置调节立杆底座的结构示意图；

图5是本发明实施例的一种U型腰腹卡、腰腹卡旋转件的结构示意图。

附图标记说明：

I风洞；II-测力天平；III-摄像监控装置；IV-信息实时显示装置；V-姿态调整装置V；VI-用户；1-转接板；；2-雪板立刃件；3-转接板迎风刃缘；4-雪板立刃件位置调节螺孔；5-位置调节立杆；6-位置调节立杆底座；7-位置调节横杆；8-杆间连接件；9-U型腰腹卡；10-腰腹卡旋转件；11-姿态固定装置位置调节螺孔；21-雪板单侧顶升件；22-雪板限位墩；23-条状孔洞；24-螺杆；25-压板螺杆；51-立杆螺孔；81-杆间连接件限位螺杆；91-螺杆；101-“()型”孔洞；102-通孔；103-螺杆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供了一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统，根据相对运动原理，利用风洞里的风速模拟雪上项目的运动状态，在此环境下开展姿态风阻优化、装备风阻优化和强化训练。

图1为本发明实施例提供的一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统的应用场景示意图。图1所示的场景中包括风洞I、测力天平II、摄像监控装置III、信息实时显示装置IV、姿态调整装置V和用户VI，共同组成测试系统，协同工作。

所述测力天平固定安装在风洞的底板上，所述姿态调整装置固定安装在测力天平上，所述姿态调整装置与用户连接，所述摄像监控装置多机位安装固定在风洞内壁对用户进行多角度实时拍摄，所述信息实时显示装置的信息画面位于用户正前方的风洞底面上。

所述风洞产生的风速大小可调，吹往用户所在的方向，所述姿态调整装置调整用户的姿态，保持用户在不同的风速、不同姿态下的动作稳定；所述摄像监控装置录制用户的实时运动视频，所述测力天平测量所述用户受到的风阻数据，将风阻数据传输给所述摄像监控装置。

各个部件配合使用的技术要求为：

风洞I：风阻测试训练系统的风洞I试验段长*宽*高不宜小于8m*2.5m*2m，应保证风洞可产生均匀稳定的风场，足够的空间进行器材设备的安装与摆放，风洞的侧壁宜设置透明观察窗，以便于实时监测运动的动作是否存在问题或危险；满足单人雪上项目训练测试，还满足于多人团队训练要求。参考雪上项目比赛中的滑行速度，将风洞的相对风速控制在4-42m/s，其中，越野滑雪速度最小，高山滑降速度最大；

2、测力天平II：测力天平II的水平量程不小于300N，精度不低于1N，测力天平II的高度与风洞试验段地面齐平；

3、摄像监控装置III：设置两部摄像监控装置III，分别设置在用户的正上方和正侧面，摄像监控装置能够及时地记录用户在不同风速下的滑行姿态，便于实时观察和优化各技术动作，还可方便重复查阅视频资料。

4、信息实时显示装置IV：在用户测试位置的正前方地面处设置信息实时显示区，信息实时显示区域可实时显示风洞的风速、测试用户受到的阻力、用户的姿势状态和对用户的运动姿势控制命令等信息，信息实时显示区可直接通过电子设备放映呈现，也可通过在风洞顶部设置投影仪，将信息投放在信息实时显示区，能使用户清楚看到投影画面中的动作指令即可。若要提高投影画面清晰，可在投影区域铺粘成像效果好的材料辅助呈像。

整体而言，风洞I可产生稳定且大小可调的风速，风洞I内部可形成稳定均匀的流场，吹往用户VI所在的方向，用户VI依靠本发明的实施例装置V保持不同姿态下的动作稳定；利用摄像监控装置III转播并录制训练及测试的实况视频，通过信息实时显示装置IV中的画面，随时对用户下达技术动作指令；最后通过本发明的实施例装置V，将固定在其上的用户VI受到的风阻，实时、稳定地传递到测力天平II上，并进行阻力数据采集。

图2是本发明实施例提供的一种姿态调整装置V的结构示意图，上述姿态调整装置V包括互相连接的转接装置和姿态固定装置。转接装置包括：转接板1、雪板立刃件2、转接板迎风刃缘3和雪板立刃件位置调节螺孔4。姿态固定装置包括：位置调节立杆5、位置调节立杆底座6、位置调节横杆7、杆间连接件8、U型腰腹卡9、腰腹卡旋转件10和姿态固定装置位置调节螺孔11；所述各构件均为可抵抗风致变形的构件，以防干扰风阻测试的结果。

转接板1为刚性板，通过在转接板1中不同位置处预设螺孔4和螺孔11，以调节雪板立刃件2、姿态固定装置在板面上的位置；利用螺栓将转接板1的下表面与测力天平II刚性连接，以确保测量风力的稳定传输；对转接板1的前缘做迎风刃缘3处理，以优化转接板1对风场的影响。

本发明实施例提供的一种雪板立刃件2的构件放大图如图3所示，图中分别展示了雪板立刃状态和雪板平放状态的雪板立刃件2的摆放状态，雪板立刃状态雪板立刃件2由雪板单侧顶升件21和雪板限位墩22组成，雪板单侧顶升件21的外形均为直角梯形块，雪板限位墩22的外形为等腰梯形块，雪板单侧顶升件21内部带有条状孔洞23，配合雪板立刃件2的螺孔9使用，可将雪板的一侧进行0～45°连续顶升；雪板限位墩22安置在雪板未被顶升一侧，以防止雪板侧滑；将雪板立刃件2通过螺杆24对称安放在雪板的两侧。当测试风速较大且雪板无需立刃时，可将雪板单侧顶升件21旋转180°，同时配合雪板限位墩22使用，将雪板扣押在两个构件预设的凹槽中，并利用螺栓25加强对雪板的固定，避免雪板滑移及用户倾覆。

本发明实施例提供的一种位置调节立杆5、位置调节立杆底座6、位置调节横杆7的构件放大图如图4所示，位置调节立杆5的一端刚性连接接在底座6上，通过姿态固定装置上的位置调节螺孔11进行底座6的位置调节；位置调节立杆5的另一端通过杆间连接件8与位置调节横杆7进行连接，立杆5和横杆7的相对位置可以通过立杆螺孔51和限位螺杆81调节实现。

图5是本发明实施例的一种U型腰腹卡9和腰腹卡旋转件10的结构示意图，U型腰腹卡9卡扣在用户的腰腹位置，以辅助用户模拟运动姿态时能长期、稳定的保持，若姿态倾斜角度较大难以稳定，可利用无弹性的魔术粘对用户腰腹和U型腰腹卡9缠绕固定；U型腰腹卡9通过其背部刚性连接的四条螺杆91与腰腹卡旋转件10上的“()型”孔洞101相连，可令U型腰腹卡9实现0～60°的连续旋转；当旋转角度确定后，可根据需要将U型腰腹卡9在“()型”孔洞101的方向上水平移动，以配合用户腰腹位置在“()型”孔洞101方向上的限幅调整；当平移位置确定后，可用两组螺母分别固定在“()型”孔洞101的前后两侧，通过加强螺杆91的固定增加U型腰腹卡9的稳定性，即强化了用户沿身体左右两侧大幅度倾斜时的稳定性；腰腹卡旋转件10利用通孔102和螺杆103与横杆7进行不同角度旋转以及水平位置的调整和固定，实现用户沿身体前后两侧大幅度倾斜并稳定保持；即姿态固定装置能令用户的腰腹在x、y、z、Mx、My、Mz(既沿三个轴的平动和转动)6个方向上实现一定范围内的位置固定，能使用户长期、稳定的复现比赛时大倾斜角度下的关键技术姿态，进而在模拟训练和风阻测试的过程中取得较好的效果。

上述本发明实施例提供的一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统的使用过程包括：

用户在测试前，先将转接装置中的转接板通过预设螺纹孔洞与测力天平刚性连接，依据用户滑雪板的具体尺寸和测试(或训练)项目立刃角度的需求，通过转接板上表面的雪板立刃件位置调节螺孔，对雪板立刃件的具体固定位置进行调整，以满足不同尺寸滑雪板的限位固定和立刃顶升的需要；待转接装置安装完成后，再将辅助支撑装置通过其位置调节螺孔刚性固定在转接板的上表面，用户依靠姿态固定装置令身体在测试时保持平稳，从而能够保持风阻测试结果的相对稳定，通过控制风洞实现风速调节，风速的变化范围为4-42m/s，每一个风速下保持一种运动姿态测试15-30秒，通过调整姿态固定装置不同构件的相对位置，辅助用户进行姿态更换并保持运动姿势稳定；因受测试环境限制无法与被测人员进行沟通(如风速较大时与被测试用户难以进行语言交流)，可利用信息实时显示装置对被测人员进行指令传递，此外还可实时显示被测试人员受到的风阻力、风速等信息；在测试(或训练)时，可通过摄像监控装置对被测人员及测试现场进行监控和录制，如发现不规范的测试(或训练)姿态，可及时纠正，待测试结束后，可重复观看视频，查找测试和训练的相关问题。

上述利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统的构造中，各部件的尺寸、材料、配置等可根据具体的要求进行替换修改，可适用于其他雪上及冰上项目的训练测试。

综上所述，本发明实施例提供了一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统，用定量化的风阻力，帮助教练员、用户进行关键技术动作的姿态优化与强化训练，协助技术人员进行高性能运动装备的研发。

本发明实施例设置辅助支撑装置，帮助用户保持运动姿态，实现关键技术动作的分解，进而进行优化。本发明实施例通过测力天平可获取用户在测试过程中的风阻力，实现风阻测试的定量化。本发明实施例通过投影可将风速、风阻力、姿态实时提供给教练员、用户，为姿态优化、强化训练提供科学依据。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种利用风洞的雪上项目风阻测试和模拟训练系统，其特征在于，包括：风洞、测力天平、摄像监控装置、信息实时显示装置和姿态调整装置；

所述风洞产生的风速大小可调，吹往用户所在的方向，所述姿态调整装置辅助调整用户的姿态，保持用户在不同风速、姿态下的动作稳定；所述摄像监控装置录制用户的实时运动视频，所述测力天平测量所述用户受到的风阻数据，将风阻数据传输给所述信息实时显示装置，所述信息实时显示装置的信息画面实时显示风洞的风速、用户受到的风阻数据、用户的姿势状态信息和对用户运动姿势的控制命令。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息实时显示装置设置呈现的画面呈现在用户位置的正前方地面处，所述信息实时显示装置实时显示风洞的风速、用户受到的风阻数据、用户的姿势状态信息和对用户的运动姿势控制命令。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风洞的试验段的长*宽*高不小于8m*2.5m*2m，所述风洞的侧壁设置透明观察窗，将风洞的相对风速控制在4-42m/s。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测力天平的水平量程不小于300N，测力天平的上表面与风洞试验段地面齐平。

5.根据权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，所述姿态调整装置包括互相连接的转接装置和姿态固定装置，所述接装置包括：转接板、雪板立刃件、转接板迎风刃缘和雪板立刃件位置调节螺孔；

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述转接板为刚性板，通过在转接板不同位置处预设螺孔，以调节雪板立刃件、姿态固定装置在板面上的位置；利用螺栓将转接板的下表面与测力天平刚性连接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述雪板立刃件由雪板单侧顶升件和雪板限位墩组成，所述雪板单侧顶升件的内部带有条状孔洞，配合雪板立刃件的螺孔使用，将雪板的一侧进行0～45°连续顶升；雪板限位墩安置在雪板未被顶升一侧，将雪板立刃件通过螺杆对称安放在雪板的两侧。当测试风速较大且雪板无需立刃时，将雪板单侧顶升件旋转180°，同时配合雪板限位墩使用，将雪板扣押在两个构件预设的凹槽中，并利用螺栓加强对雪板的固定。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述位置调节立杆的一端刚性连接接在位置调节立杆底座上，通过姿态固定装置上的位置调节螺孔进行位置调节立杆底座的位置调节；位置调节立杆的另一端通过杆间连接件与位置调节横杆进行连接，位置调节立杆和位置调节横杆的相对位置通过立杆螺孔和限位螺杆调节实现。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述U型腰腹卡卡扣在用户的腰腹位置，当倾斜角度过大用户的姿态不能稳定时，利用魔术贴对用户的腰腹和U型腰腹卡缠绕固定；U型腰腹卡通过其背部刚性连接的四条螺杆与腰腹卡旋转件上的“()型”孔洞相连，令U型腰腹卡9实现0～60°的连续旋转，当旋转角度固定后，根据需要将U型腰腹卡9在“()型”孔洞的方向上水平移动，以配合用户腰腹位置在“()型”孔洞101方向上的限幅调整。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当用户的平移位置确定后，用两组螺母分别固定在“()型”孔洞的前后两侧，通过加强螺杆的固定增加U型腰腹卡的稳定性，腰腹卡旋转件利用通孔和螺杆与横杆进行不同角度旋转以及水平位置的调整和固定，实现用户沿身体前后两侧倾斜并稳定保持；令用户的腰腹在x、y、z、Mx、My、Mz6个方向上实现一定范围内的位置固定。