世界杯和一顆傳感器的故事

這項技術，讓阿根廷球迷哭泣，讓東道主球迷心驚，它就是卡塔爾世界杯上應用的一項全新科技——半自動越位判罰技術，而這項技術的核心其實是內(nèi)置在足球中的IMU傳感器。 

11月22日晚，阿根廷隊1：2不敵沙特阿拉伯隊，成為本屆世界杯目前的最大冷門。

這場比賽中，阿根廷隊僅罰進一粒點球，其中有三粒進球因為越位被判無效。此外，這場比賽共被判罰10次越位，也創(chuàng)下了自2018年世界杯應用VAR（視頻助力裁判）技術應用以來單場越位次數(shù)新高。本屆世界杯又對VAR進行了升級，加入了半自動越位判罰技術（SAOT）。

其實這項技術在揭幕戰(zhàn)中就已初露鋒芒。

在開幕戰(zhàn)卡塔爾對戰(zhàn)厄瓜多爾的比賽中，開局僅三分鐘厄瓜多爾隊就攻進一球，然而主裁判在參考VAR給出的數(shù)據(jù)后認為進球無效，而射手在進球時僅越位了不到半個足球的身位。

不少媒體都介紹了VAR系統(tǒng)的作用，其中最大的變化就是官方指定用球“Al Rihla”中內(nèi)置了一顆IMU傳感器，它可以以500Hz的頻率發(fā)送信號，再通過人工智能系統(tǒng)整合分析，準確判斷足球落點與傳球點。那么問題來了，IMU傳感器是什么？它是怎么判斷球員是否越位的？ 

官方用球Al Rihla的內(nèi)置傳感器  圖源：阿迪達斯官網(wǎng)

什么是IMU 傳感器？

IMU傳感器全稱Inertial Measurement Unit，中文名稱為慣性測量單元，它是主要利用慣性原理來檢測物體的旋轉(zhuǎn)運動與加速度。IMU通常由三個方向的加速度計與各個方向陀螺儀組成，是測量慣性與運動的主要結構。3（加速度計）+3（陀螺儀）結構也是目前常見的6軸IMU傳感器。

IMU加速度計  圖源：互聯(lián)網(wǎng)

我們從需求角度來分析一下這顆球內(nèi)IMU的功能。越位與否需要精確判斷足球何時被球員踢開以及足球的最終落點。

首先需要測量足球何時被踢出，我們可以測量足球的瞬時加速度進行判斷，這就離不開IMU中的三向加速度計。加速度計可用于測量靜態(tài)重力加速度以及由于沖擊、運動、碰撞或振動（低頻與超低頻振動）引起的動態(tài)加速度。常見的MEMS加速度計有壓電式、壓阻式與電容式三種。其中MEMS電容式加速度計應用場景較多，它基于電容變化來對加速度進行檢測。MEMS電容加速度計依靠結構中可移動部分的慣性來工作?？梢苿硬糠质且环N懸臂結構，當傳感器整體受到的力超過它的支撐力時就會發(fā)生移動，懸臂兩側的電容也會變化，電容的變化量與加速度成正比。電容的變化被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過零點與靈敏度矯正后輸出。電容加速劑具有制作工藝簡單、溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、阻尼系數(shù)容易控制等優(yōu)點，通過改變懸臂的強度和彈性系數(shù)即可測量不同范圍的加速度，因此得到了廣泛的應用。

 
懸臂式電容加速度計  圖源：IND4汽車人

MEMS電容加速度計主要用于可穿戴設備與移動設備上，例如智能手表與手機。它與壓電式與電阻式加速度計相比，最大的優(yōu)點是可以安裝在PCB板上，不過其測量精度較低，不適合測量高頻變化，因此在工業(yè)測量與航空航天領域不適用，但用于足球上檢測加速度則綽綽有余。

此外，在空中自旋的足球由于馬格努斯效應，會劃出一道弧線繞過防守隊員射進球門，這也是“香蕉球”的原理。足球的旋轉(zhuǎn)速度與方向決定了其飛行軌跡的彎折角度，也最終決定了它的落地位置。所以，可以檢測足球角速度的陀螺儀至關重要，單純靠加速度傳感器也沒辦法測出IMU完整的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。

 
馬格努斯效應  圖源：COMSOL 博客

陀螺儀由陀螺轉(zhuǎn)子、內(nèi)外框架、驅(qū)動電機以及信號傳感器組成。其工作原理是利用角動量守恒原理及科里奧效應測量運動物體的角速率。與加速度計工作原理相似，陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容。當陀螺儀轉(zhuǎn)動時，它與下面電容板之間的距離也會發(fā)生變化，上下電容也就會因此而改變。電容的變化跟角速度成正比，由此我們可以測量當前的角速度。

從IMU傳感器整體看，它分為stable platform system與trapdown system，字面意思就能看出，第一種主要用于云臺、相機穩(wěn)定器等需要保持靜止的應用場景，而第二種傳感器需要被固定在需要檢測的物體上，傳感器平臺會通過陀螺儀實時積分出角度信息，用得到的角度信息對加速度信息進行坐標軸轉(zhuǎn)換。在坐標軸轉(zhuǎn)換后再進行重力影響校正，最后再兩次積分得到位置信息。

足球的飛行參數(shù)如何傳到場外？

IMU傳感器在獲得足球飛行的精確參數(shù)后，還需要將數(shù)據(jù)傳輸到場外的主機中交由主裁判進行判斷。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接泻芏喾N，例如可以利用藍牙、WIFI等常見的通信方式，不過我們首先要解決IMU與通信芯片之間的互通互聯(lián)，I²C與SPI是目前的通用選擇。

I²C一般指I²C總線。I²C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。采用該模式總線上主機與從機、發(fā)和收的關系不是恒定的，傳輸取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向。若僅需要從足球中的傳感器向外單方面?zhèn)鬏斝盘?，即主機要接收從器件發(fā)出的數(shù)據(jù)，這個過程為首先主機尋址從器件，然后主機接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機終止接收過程。此外，I²C是一個多主機總線，如果兩個或多個主機同時初始化數(shù)據(jù)傳輸，可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)破壞，任何器件都可以作為主機或從機，但同時只能擁有一個主機在工作。 

SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，相比I²C的多主多從模式，SPI只允許有一臺主機。SPI的硬件性能更強，且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，因此功能節(jié)約PCB空間。無論是I²C還是SPI，這兩者都應用于板內(nèi)的短距離通信，要想做到無線傳輸到場外主機，還需要一個無線通信模塊。

 
一種可能的無線IMU方案  圖源：螢火博客

無線通信也有多種方式可以選擇，從球場現(xiàn)實情況看，若采用常規(guī)藍牙通信，在人員較多，設備較多的環(huán)境會非常不穩(wěn)定。若信號傳輸產(chǎn)生延時或丟包，可能將嚴重影響裁判對于比賽結果的判斷。常規(guī)WIFI傳輸雖然速度更快，傳輸范圍更廣，但依舊會受到場外信號干擾，且WIFI模塊通常耗電量較大，不適宜在微小空間搭載，所以不同于常規(guī)藍牙與WIFI的無線透傳技術是較好的選擇。

透傳也叫串口透傳，透傳即透明傳輸，通過串口和目標設備相連接，即可將收到的數(shù)據(jù)透明的傳輸?shù)侥繕嗽O備上。透傳是一種工作方式，它可以基于藍牙或WIFI等技術進行傳輸，不需要再底層信號傳輸時關注各種協(xié)議的實現(xiàn)，因此具有簡單、穩(wěn)定、可靠的特性?？梢詫⑺胂蟪梢桓B接的線，有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，數(shù)據(jù)就會從連接的一端發(fā)送至另外一端，不再對信號進行其他處理，這也同時減少了信息在發(fā)射端的能耗。所以，采用WIFI透傳方式進行通信，即可以利用WIFI的遠距離傳輸優(yōu)勢，也能規(guī)避能耗高，不穩(wěn)定的缺點。

總結一下：
主裁判判斷球員是否越位或有效進球，就需要知道足球在踢出前一瞬間的位置和最終落點位置。集合了加速度計與陀螺儀的IMU傳感器可以精確測量每一項參數(shù)。這些數(shù)據(jù)還會通過I²C或SPI總線傳輸給集成在內(nèi)部的無線傳輸模塊，再利用WIFI透傳方式傳輸給場外主機。當進球發(fā)生時，場外多角度高速攝像頭+足球內(nèi)部傳感器組合的VAR技術就能幫助主裁判進行準確判斷，實現(xiàn)各種“毫米級越位”的判斷。

IMU的主流應用

其實以IMU傳感器為主的慣性技術在被應用到本次世界杯之前，已經(jīng)廣泛使用在其他領域了。我們可以根據(jù)IMU應用場景的不同，將傳感器分為戰(zhàn)略級、導航級、戰(zhàn)術級和商業(yè)級（消費級）。

 
IMU精度/價格/使用場景  圖源：知乎用戶陳光

起初的慣性系統(tǒng)主要應用于軍事領域，主要特點為高精度、高靈敏度，我們在導彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)斗機上都能看到它的身影。IMU+GPS就能讓導彈飛往全世界任何一個角落。后來，隨著科技的發(fā)展，中低精度的慣性器件逐漸出現(xiàn)，它們擁有更小的體積與更低的成本，并逐漸滲透到民用領域。尤其是MEMS IMU的出現(xiàn)，為慣性器件的大規(guī)模普及奠定基礎。

目前慣性導航應用的最火的領域就是自動駕駛。

首先，IMU對于絕對位置的判斷是不會被外界“干擾”的，這一點至關重要。與GPS、北斗導航的外界導航模式相比，IMU不會受到天氣與隧道的影響，也就能提供絕對定位信息，在衛(wèi)星信號弱的地區(qū)可以暫時接管導航系統(tǒng)。與攝像頭、激光雷達、毫米波雷達相比，IMU導航不需要對外界進行實時判斷，也就能規(guī)避強光、弱光、雨雪天氣的干擾，因此IMU可以作為這些傳感器的補充來加強自動駕駛的“認路”能力。

其他領域，例如無人機與VR/AR中，IMU慣性器件依舊是核心技術。IMU可以為無人機提供精確的速度、位置和姿態(tài)等信息，也可以為VR眼鏡的畫面提供精確靈敏的旋轉(zhuǎn)信息，減少用用戶的眩暈感。

寫在最后

本篇文章為大家詳細分析了本屆世界杯的“黑科技”—足球IMU傳感器的結構與作用。作為慣性技術，它可以在不需要外界信號的情況下精確分析當前物體的位置與姿態(tài)信息，無論在軍事領域還是消費、體育領域，都發(fā)揮了極大的作用。

別小看足球里的這顆IMU傳感器，它微小的身軀與精密、可靠的結構，幫助裁判公平的判罰每一次可進球與犯規(guī)。小小足球的背后，也飽含幾代電子工程師接續(xù)奮斗的汗水。

參考資料：
IMU傳感器（一）概要
https://www.bilibili.com/read/cv17279124

MEMS微納制造系列簡報——慣性測量單元（IMU）傳感器
https://zhuanlan.zhihu.com/p/459490458

IMU Sensors: Everything You Need To Know!
https://embeddedinventor.com/what-is-an-imu-sensor-a-complete-guide-for-beginners/

慣性傳感器（IMU）
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1673798795458956844&wfr=spider&for=pc

I2C通信協(xié)議詳解
 https://www.cnblogs.com/Alfred-HOO/articles/15590925.html 7975&fr=aladdin

無人駕駛技術入門（四）| 百度無人車傳感器 IMU 深入剖析
https://zhuanlan.zhihu.com/p/32693377

連續(xù)吹掉阿根廷進球，這是什么“黑科技”？
https://mp.weixin.qq.com/s/3dfP3rybPAiODxkTPC34hA

IMU無線系統(tǒng)設計
https://www.jychen.cn/2021/10/01/5-Projects/%E5%8F%AF%E7%A9%BF%E6%88%B4%E4%BC%A0%E6%84%9F%E7%B3%BB%E7%BB%9F/IMU%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%AE%BE%E8%AE%A1/