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RaceRanger铁人三项跟车自动检测系统分析

作者: 北京第三连铁人三项俱乐部 2023-03-21 16:50:28 3395 评论:0

RaceRanger铁人三项跟车自动检测系统分析

最近在新西兰举行的三场铁人三项赛上,一种跟车检测系统投入了测试。为什么是新西兰呢?

TAURANGA HALF  - 21ST  JANUARY

CHALLENGE WANAKA - 18TH FEBRUARY

IRONMAN NEW ZEALAND TAUPO - 4TH MARCH

是因为提供这种装备的公司(RaceRanger)位于新西兰,由两名新西兰的铁人三项运动员在世界铁联的支持下和坎特伯雷大学合作开发的。今天来介绍一下这种新系统。

背景介绍

第一段是背景介绍,如果您比较熟悉,请跳过:

铁人三项从自行车阶段是否允许跟车上看,分两种类型的比赛:允许跟车和不允许跟车的比赛。跟随可以借助前车的尾流,减少风阻,节省体力,提高速度,还会带来不一样的比赛策略。对于业余铁人三项选手来说,通常他们的自行车技术距离集团性跟车的要求有所差距,安全性的考虑就有了禁止跟车的比赛。禁止跟车的比赛占全部铁人三项比赛的大约85%

看奥运会或者其他专业运动员参加的比赛,我们会看到短道风格的比赛,运动员距离很近,这是典型允许跟车的比赛。而Ironman赛事是典型的禁止跟车的铁人三项,除非超车,运动员不能进入跟随区域(通常约 12 米长), 超越必须在指定的时间段内(例如 25 秒)内完成,否则他就犯规了,并且可能会受到时间处罚。

对于禁止跟车的比赛,现实情况是有的运动员会主动犯规利用跟随获利。不想犯规的运动员依靠肉眼来判断距离,而裁判们尽可能坐摩托车漫游,通常也靠肉眼判断。这样就导致禁止跟骑成为一个容易引起抱怨的热点。

长距离比赛大多数赛事只有数量有限的裁判在摩托车上,路线长度单圈可以 113公里。这种赛道几乎不可能抓住所有跟车犯规行为(甚至不可能抓住其中的一小部分)。因此,有目的的跟车(又名作弊)在铁人三项中屡见不鲜。

设备和安装

RaceRanger开发这套新系统用了几年时间,有很多探索和试错在里面。他们在自行车上安装带无线功能的设备。这种设备自动测量自行车之间的距离,还能建立从自行车到裁判员之间的连接。它不仅可以监督比赛,还可以为运动员提供反馈,通知他们是否在跟车区,以及通知警告或者处罚。

RaceRanger系统由两个电子设备组成,比赛报道的时候放在比赛包中和计时芯片一起发放。运动员布置换项区的最后时刻需要确保两个电子设备已经安装。这两个装置由组委会事先充电,采用无线充电的方式,降低了操作的难度,工作时间可达(17小时),足以满足最慢的运动员完成自行车阶段的比赛。在T1换项进入自行车赛道之前,设备工作在待机状态。裁判员采用电子和人工结合的方式检查安装是否正确,是否存在交换设备的作弊情况。

两个设备中一个位于自行车后部鞍座下方,如上图,第二个设备安装到前叉,安装方式为捆扎带。单个重量为85克左右。对风阻有少量影响,但这个影响是一视同仁的存在。

设计与原理

为什么是两个设备?

在介绍工作原理之前,先解释一下为什么是两个设备,而不是一个设备。

车车距离的测量不是用雷达,而是通过前后两辆自行车的设备建立通信连接来测量距离。如果做成一个电子设备,无论放哪儿,或者前面或者后面测距的通信信号都会收到车架或者运动员肢体的阻挡。因此把它拆成两个设备:车尾设备负责测量和后车的距离,同时为后方运动员提供信号,前叉装置与裁判建立连接,同时为运动员发送处罚信号。

安装位置的考虑:

车尾座管上安装,信号灯照射方向与地面平行,这样后车运动员只需要正常行驶就能看到前车的信号灯,提高了安全性。

铁人三项自行车的车把区域是个非常个性化的地方,几乎车车不同,安装在车把就会打破这种个性化的状态。因此选择在前叉上捆绑,同时信号灯方向向上,方便运动员注意到处罚信息。另外安装在前叉上,如果运动员想通过覆盖设备来屏蔽测距信号,那将变得非常困难。

使用方法(Ironman设置为例):

前车的尾部装置向后发送信号,探测后车,当前后车距离达到60米的时候,两车设备建立连接。

当距离接近到30米的时候,开始每秒10次测量距离,精度大约10cm。当达到15米的时候,前车开始亮起灯光提示后车需要注意距离了。

当距离达到12米,进入禁止跟车区域后,前车红灯闪烁,提示后车必须在25秒之内完成超越,超过25秒超车或者没有超车退出12米的距离都被前车记录为犯规,并将数据发送给裁判。

当后车完成超车之后,被超越的自行车亮起蓝色的灯光,提示超车完成。然后两车角色互换。超车自行车红灯快闪,被超越的自行车必须离开禁止跟车区域(12米)之后才可以进行反超车。

跟车检测设备将检测到的犯规情况以及GPS位置信息通过远程通信手段发送给赛道上的裁判。

自行车和裁判之间的通信距离3-10公里,具体距离跟赛道环境有关,市区近一些,郊区、平坦开阔的地方好一些。裁判实际能检测的区域为前后2*(3-10)公里。

对犯规运动员的处罚并非“”睚眦必报”(每个犯规必须处罚)的形式,相反,裁判通过他的终端,可以筛选出最近一段时间犯规次数和犯规时间最长的运动员。裁判有多种选择,可以让摩托车手找到该运动员,进行实际检查、下发口头警告、出示蓝牌甚至红牌。

他也可以直接在裁判终端上进行操作,远程下发处罚决定. 这种情况运动员前叉上的设备会闪灯,同时有声音提示。

运动员的犯规信息存放在RaceRanger的私有云上,确保裁判员能共享信息,不会出现重复处罚的情况。

当被处罚的运动员接近处罚帐篷时候,会被路边检测设备识别,显示屏会出现他的号码和姓名,提示进帐篷接受罚时。

进入帐篷的瞬间,启动计时,同时计时状态也显示在电子屏幕上。裁判将不再需要争先恐后地将运动员的比赛号码与桌子上的相应纸片相匹配,然后为每个运动员单独启动秒表。现在,这一切都将由RaceRanger系统处理。一旦处罚完成,记录就会从系统中清除,只要他们没有被取消资格,运动员就可以自由地继续他们的比赛。

其实这个功能并不能算是RaceRanger系统引入独特的技术,使用计时芯片很容易做出一样的设计。

当然,在每场比赛中都有一些无法避免跟车的赛段,例如自行车阶段的前几公里,人员密度太高,比如赛道上更陡峭的山坡路段,比如路段狭窄的区域或许多转弯路段,比如在通过城镇时。比赛的这些区域将被预先定义为“可以跟随”。这些区域出现跟车犯规不会向裁判发送信息。相反前车的跟车检测设备会给后车运动员提供正常的光信号,让运动员知道他们骑得是干净的。另外赛后组委会可以进行数据分析,看看哪些赛段跟车状况比较多,那里很可能是被动跟车,未来的比赛可以考虑在那里设置允许跟车。

在RaceRanger的宣传视频中,在设置允许跟车的片段使用的例子我看着是苏黎世大铁,记忆犹新的线路。

黄色的区域是标出的允许跟车的赛段,左上出发的区域设置成黄色可以理解,其他黄色区域感觉值得商榷。左侧8%的“绝望坡”至少应该设置成允许跟车吧。

技术分析

从公开的资料上看,RaceRanger的系统使用的核心技术包括蓝牙、UWB、GPS、LoRa、NFC、加速度计、无线充电。大部分与射频相关,他们解释为什么把设备设计成圆形,是因为要让众多的天线找到合适的地方而不互相干扰,圆形是最佳选择。

小编以猜测的方式说明一下各种技术的应用。

UWB:适合定位的一种通信技术,精度可以达到10cm,符合RaceRanger的技术特征。

LoRa:物联网通信技术,一个网关可以连接成千上万个节点,城镇可达2-5Km ,郊区可达15 Km,符合RaceRanger的技术特征。虽然带宽比较低,但是对于跟车检测系统来说足够了

蓝牙:前叉和座管的两个设备协同工作,LoRa天线一般只在一个设备上做,那么两个设备之间通信,蓝牙是最佳的选择

NFC:这是非接触卡技术,适合赛前分配和设置跟车检测装置,写入BIB码,还可以在换项区进行半自动检测,防止出现交换设备的作弊

加速度计:通过加速度计可以预测后车进入跟车区域的时间,使信号灯反应更加敏捷。如果使用定位导航普遍使用的Kalman算法就更牛了。

无线充电:这个真是可以极大降低前期准备工作的工作量的技术,如果可以一股脑的放到微波炉一样的设备中集中充电,就更牛了。

罚时帐篷:快速准确的检测进入帐篷,用什么手段还猜不出来。

局限与拓展

开发这套系统最初的想法是针对长距离比赛的,长距离比赛赛道上运动员密度低,RaceRanger的性能更好。此外,由于长距离赛事的报名费通常较高,因此与较短的赛事相比,RaceRanger服务费更容易得到保障。

以后可能会在奥运距离进行尝试。不过他们承认,在非常拥挤的赛段他们也力不从心。技术上的难度在于每辆车都要跟附近的所有的车建立连接,对软硬件处理能力的压力比较大。另外一个现实的问题,红灯闪烁的时候是给谁看的呢?从这个角度看这套系统更加适合Ironman。对于常规标铁, 40公里的自行车赛段要绕2圈甚至4圈,赛道上车的密度非常大,这个系统在这种场景下的效果有待观察。

引入GPS之后,将GPS位置信息通过LoRa发给裁判,再通过裁判的通信系统向外发送位置信息,就可以带来更有趣的应用。比如运动员的实时位置可以在APP上查看。比如更加精细的计时分析(如某个爬坡路段的排名)。比如电视直播解说可以有更多的素材。

总结

这是一个市场不大的领域,RaceRanger能够用5年以上的时间,做了各种尝试,开发出这套系统,非常值得敬佩。希望RaceRanger的系统能够尽快普及,解决蛋疼的问题,给大家良好的体验,祝RaceRanger明天更美好。

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