“通过准确探测并记录铁饼的飞行状态、得出铁饼的出手速度与角度等关键数据、模拟完整的铁饼飞行轨迹并预测距离这三个关键技术路径 ， 实验解决了铁饼训练痛点、节省人力成本、提高效率 。 ”2021年10月31日下午 ， 来自南京市金陵中学国际部的中学生李仕嘉在“世界顶尖科学家英才交流对话会”上分享了他在计算机科学和体育科学领域的“铁饼室内投掷测试技术”研究 。
当天下午的“世界顶尖科学家英才交流对话会”上一共有82名同学 ， 其中有中国科协、上海市教委、顶科协等推荐的60名英才计划学生 ， 以及通过海选、高校科学营等活动选拔产生的22名同学 ， 与10余位专家学者交流互动 。
李仕嘉是2020年、2021年英才计划（中学生科技创新后备人才培养计划）学员 ， 跟随南京大学计算机系统钱柱中教授、南京大学计算机学院钱兵教授开展研究 ， 研究课题涉及蚂蚁社会的“行为算法”、企鹅走路摇晃与能量回收的关系、运用地理信息系统（基于降雨量和雨影效应）来设计程序帮助科学种植以及碳中和生态垃圾桶 。
李仕嘉分享道 ， 有一次我去省田径中心 ， 看到铁饼运动员因天气原因在室内投铁饼 ， 但由于受到场地限制投出的铁饼未完整飞行就被网拦截掉落 ， 这样的训练只能看技术动作 ， 不能判断投掷距离 。 在此背景下 ， 我开始寻找通过投掷铁饼的初始情况来判断其完整的飞行距离和飞行轨迹 。
具体来看 ， 李仕嘉的三步关键技术路径是 ， 第一步 ， 通过在新铁饼安装了九轴陀螺仪传感器 ， 精确地预测飞行轨迹 ， 并借助蓝牙传回电脑 ， 让“普通铁饼”变成“数字铁饼” 。
第二步 ， 从大量原始数据输入到关键有用的数据输出 ， 得出铁饼的出手速度和角度等有关数据 。 对此他设计了三种公式算法 ， 一、传感器坐标系与世界坐标系的转换；二、提取加速度积分求出速度；三、用欧拉角转换求出铁饼水平体轴平面与地面的夹角及出手角度 ， 然后根据铁饼投掷的物理特征和经验值域 ， 计算和提取出手速度和角度数据 。
第三步 ， 构建算法程序和模拟完整的铁饼飞行轨迹并预测距离 ， 通过对铁饼飞行受理的分析 ， 论证斜抛运动的适用性 ， 同时对于铁饼出手时刻的中小变化用最小二乘法拟合 ， 构建飞行曲线模拟及距离预测算法程序 。
实验铁饼设计改造完成后 ， 经过专业铁饼运动员通过五天实践 ， 共收集了约上万个铁饼运动数据 ， 并且测量了室外投掷实际距离 ， 最后对原始数据进行公式算法处理 。 另外李仕嘉还设计了一套辅助实验设备 ， 在外部进行测量 ， 计算铁饼抛掷角度 。
“我的研究也不是一帆风顺 ， 科研中遇到很多困难 ， 数据采集和处理非常繁琐、传感器经常断联 ， 我经常来回捡铁饼 。 因为误差对数据的影响 ， 我设计了一种改良版来提取数据 ， 但也因为我的模型不唯一 ， 精度不够 ， 受到了导师的质疑 。 但通过阅读文献和分析、与教练员和运动员交流 ， 我了解到‘铁饼飞行本质就是抛物线’ ， 坚持了自己的想法 ， 最后根据实验结果验证了自己模型的准确性 。 ” 李仕嘉表示 ， 未来除了学习算法外 ， 更想和各个学科的研究者交流 ， 找到能用计算机方法解决的问题 ， 继续用体育科学和计算机科学相结合的方式帮助运动员训练 。
【顶科速递丨中学生李仕嘉的“数字铁饼”：为体育插上科技翅膀】中学生科技创新后备人才培养计划(简称“英才计划”)由中国科协和教育部2013年开始共同组织实施 ， 旨在选拔一批品学兼优、学有余力的中学生走进大学 ， 在自然科学基础学科领域的著名科学家指导下参加科学研究、学术研讨和科研实践 ， 是建立高校与中学联合发现和培养青少年科技创新人才的有效方式 。