世界杯和一顆傳感器的故事

這項(xiàng)技術(shù)，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(yīng)用的一項(xiàng)全新科技——半自動(dòng)越位判罰技術(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)的核心其實(shí)是內(nèi)置在足球中的IMU傳感器。 

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

這場(chǎng)比賽中，阿根廷隊(duì)僅罰進(jìn)一粒點(diǎn)球，其中有三粒進(jìn)球因?yàn)樵轿槐慌袩o(wú)效。此外，這場(chǎng)比賽共被判罰10次越位，也創(chuàng)下了自2018年世界杯應(yīng)用VAR（視頻助力裁判）技術(shù)應(yīng)用以來(lái)單場(chǎng)越位次數(shù)新高。本屆世界杯又對(duì)VAR進(jìn)行了升級(jí)，加入了半自動(dòng)越位判罰技術(shù)（SAOT）。

其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)在揭幕戰(zhàn)中就已初露鋒芒。

在開幕戰(zhàn)卡塔爾對(duì)戰(zhàn)厄瓜多爾的比賽中，開局僅三分鐘厄瓜多爾隊(duì)就攻進(jìn)一球，然而主裁判在參考VAR給出的數(shù)據(jù)后認(rèn)為進(jìn)球無(wú)效，而射手在進(jìn)球時(shí)僅越位了不到半個(gè)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(hào)，再通過(guò)人工智能系統(tǒng)整合分析，準(zhǔn)確判斷足球落點(diǎn)與傳球點(diǎn)。那么問(wèn)題來(lái)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(dá)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(cè)量單元，它是主要利用慣性原理來(lái)檢測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與加速度。IMU通常由三個(gè)方向的加速度計(jì)與各個(gè)方向陀螺儀組成，是測(cè)量慣性與運(yùn)動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)。3（加速度計(jì)）+3（陀螺儀）結(jié)構(gòu)也是目前常見的6軸IMU傳感器。

IMU加速度計(jì)  圖源：互聯(lián)網(wǎng)

我們從需求角度來(lái)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(shí)被球員踢開以及足球的最終落點(diǎn)。

首先需要測(cè)量足球何時(shí)被踢出，我們可以測(cè)量足球的瞬時(shí)加速度進(jìn)行判斷，這就離不開IMU中的三向加速度計(jì)。加速度計(jì)可用于測(cè)量靜態(tài)重力加速度以及由于沖擊、運(yùn)動(dòng)、碰撞或振動(dòng)（低頻與超低頻振動(dòng)）引起的動(dòng)態(tài)加速度。常見的MEMS加速度計(jì)有壓電式、壓阻式與電容式三種。其中MEMS電容式加速度計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景較多，它基于電容變化來(lái)對(duì)加速度進(jìn)行檢測(cè)。MEMS電容加速度計(jì)依靠結(jié)構(gòu)中可移動(dòng)部分的慣性來(lái)工作。可移動(dòng)部分是一種懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳感器整體受到的力超過(guò)它的支撐力時(shí)就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，懸臂兩側(cè)的電容也會(huì)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(hào)，經(jīng)過(guò)零點(diǎn)與靈敏度矯正后輸出。電容加速劑具有制作工藝簡(jiǎn)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(diǎn)，通過(guò)改變懸臂的強(qiáng)度和彈性系數(shù)即可測(cè)量不同范圍的加速度，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

 
懸臂式電容加速度計(jì)  圖源：IND4汽車人

MEMS電容加速度計(jì)主要用于可穿戴設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備上，例如智能手表與手機(jī)。它與壓電式與電阻式加速度計(jì)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以安裝在PCB板上，不過(guò)其測(cè)量精度較低，不適合測(cè)量高頻變化，因此在工業(yè)測(cè)量與航空航天領(lǐng)域不適用，但用于足球上檢測(cè)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(yīng)，會(huì)劃出一道弧線繞過(guò)防守隊(duì)員射進(jìn)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(cè)足球角速度的陀螺儀至關(guān)重要，單純靠加速度傳感器也沒辦法測(cè)出IMU完整的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。

 
馬格努斯效應(yīng)  圖源：COMSOL 博客

陀螺儀由陀螺轉(zhuǎn)子、內(nèi)外框架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及信號(hào)傳感器組成。其工作原理是利用角動(dòng)量守恒原理及科里奧效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的角速率。與加速度計(jì)工作原理相似，陀螺儀的上層活動(dòng)金屬與下層金屬形成電容。當(dāng)陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它與下面電容板之間的距離也會(huì)發(fā)生變化，上下電容也就會(huì)因此而改變。電容的變化跟角速度成正比，由此我們可以測(cè)量當(dāng)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(tái)、相機(jī)穩(wěn)定器等需要保持靜止的應(yīng)用場(chǎng)景，而第二種傳感器需要被固定在需要檢測(cè)的物體上，傳感器平臺(tái)會(huì)通過(guò)陀螺儀實(shí)時(shí)積分出角度信息，用得到的角度信息對(duì)加速度信息進(jìn)行坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換。在坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換后再進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)外的主機(jī)中交由主裁判進(jìn)行判斷。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接泻芏喾N，例如可以利用藍(lán)牙、WIFI等常見的通信方式，不過(guò)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(jiǎn)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(jī)與從機(jī)、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，傳輸取決于此時(shí)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?hào)，即主機(jī)要接收從器件發(fā)出的數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程為首先主機(jī)尋址從器件，然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機(jī)終止接收過(guò)程。此外，I²C是一個(gè)多主機(jī)總線，如果兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)同時(shí)初始化數(shù)據(jù)傳輸，可以通過(guò)沖突檢測(cè)和仲裁防止數(shù)據(jù)破壞，任何器件都可以作為主機(jī)或從機(jī)，但同時(shí)只能擁有一個(gè)主機(jī)在工作。 

SPI是串行外設(shè)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(tái)主機(jī)。SPI的硬件性能更強(qiáng)，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(wú)論是I²C還是SPI，這兩者都應(yīng)用于板內(nèi)的短距離通信，要想做到無(wú)線傳輸到場(chǎng)外主機(jī)，還需要一個(gè)無(wú)線通信模塊。

 
一種可能的無(wú)線IMU方案  圖源：螢火博客

無(wú)線通信也有多種方式可以選擇，從球場(chǎng)現(xiàn)實(shí)情況看，若采用常規(guī)藍(lán)牙通信，在人員較多，設(shè)備較多的環(huán)境會(huì)非常不穩(wěn)定。若信號(hào)傳輸產(chǎn)生延時(shí)或丟包，可能將嚴(yán)重影響裁判對(duì)于比賽結(jié)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(huì)受到場(chǎng)外信號(hào)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(lán)牙與WIFI的無(wú)線透?jìng)骷夹g(shù)是較好的選擇。

透?jìng)饕步写谕競(jìng)?，透?jìng)骷赐该鱾鬏?，通過(guò)串口和目標(biāo)設(shè)備相連接，即可將收到的數(shù)據(jù)透明的傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備上。透?jìng)魇且环N工作方式，它可以基于藍(lán)牙或WIFI等技術(shù)進(jìn)行傳輸，不需要再底層信號(hào)傳輸時(shí)關(guān)注各種協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，因此具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠的特性。可以將它想象成一根連接的線，有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，數(shù)據(jù)就會(huì)從連接的一端發(fā)送至另外一端，不再對(duì)信號(hào)進(jìn)行其他處理，這也同時(shí)減少了信息在發(fā)射端的能耗。所以，采用WIFI透?jìng)鞣绞竭M(jìn)行通信，即可以利用WIFI的遠(yuǎn)距離傳輸優(yōu)勢(shì)，也能規(guī)避能耗高，不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

總結(jié)一下：
主裁判判斷球員是否越位或有效進(jìn)球，就需要知道足球在踢出前一瞬間的位置和最終落點(diǎn)位置。集合了加速度計(jì)與陀螺儀的IMU傳感器可以精確測(cè)量每一項(xiàng)參數(shù)。這些數(shù)據(jù)還會(huì)通過(guò)I²C或SPI總線傳輸給集成在內(nèi)部的無(wú)線傳輸模塊，再利用WIFI透?jìng)鞣绞絺鬏斀o場(chǎng)外主機(jī)。當(dāng)進(jìn)球發(fā)生時(shí)，場(chǎng)外多角度高速攝像頭+足球內(nèi)部傳感器組合的VAR技術(shù)就能幫助主裁判進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，實(shí)現(xiàn)各種“毫米級(jí)越位”的判斷。

IMU的主流應(yīng)用

其實(shí)以IMU傳感器為主的慣性技術(shù)在被應(yīng)用到本次世界杯之前，已經(jīng)廣泛使用在其他領(lǐng)域了。我們可以根據(jù)IMU應(yīng)用場(chǎng)景的不同，將傳感器分為戰(zhàn)略級(jí)、導(dǎo)航級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和商業(yè)級(jí)（消費(fèi)級(jí)）。

 
IMU精度/價(jià)格/使用場(chǎng)景  圖源：知乎用戶陳光

起初的慣性系統(tǒng)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要特點(diǎn)為高精度、高靈敏度，我們?cè)趯?dǎo)彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)斗機(jī)上都能看到它的身影。IMU+GPS就能讓導(dǎo)彈飛往全世界任何一個(gè)角落。后來(lái)，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(lǐng)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(chǔ)。

目前慣性導(dǎo)航應(yīng)用的最火的領(lǐng)域就是自動(dòng)駕駛。

首先，IMU對(duì)于絕對(duì)位置的判斷是不會(huì)被外界“干擾”的，這一點(diǎn)至關(guān)重要。與GPS、北斗導(dǎo)航的外界導(dǎo)航模式相比，IMU不會(huì)受到天氣與隧道的影響，也就能提供絕對(duì)定位信息，在衛(wèi)星信號(hào)弱的地區(qū)可以暫時(shí)接管導(dǎo)航系統(tǒng)。與攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)相比，IMU導(dǎo)航不需要對(duì)外界進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，也就能規(guī)避強(qiáng)光、弱光、雨雪天氣的干擾，因此IMU可以作為這些傳感器的補(bǔ)充來(lái)加強(qiáng)自動(dòng)駕駛的“認(rèn)路”能力。

其他領(lǐng)域，例如無(wú)人機(jī)與VR/AR中，IMU慣性器件依舊是核心技術(shù)。IMU可以為無(wú)人機(jī)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(xì)分析了本屆世界杯的“黑科技”—足球IMU傳感器的結(jié)構(gòu)與作用。作為慣性技術(shù)，它可以在不需要外界信號(hào)的情況下精確分析當(dāng)前物體的位置與姿態(tài)信息，無(wú)論在軍事領(lǐng)域還是消費(fèi)、體育領(lǐng)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(jié)構(gòu)，幫助裁判公平的判罰每一次可進(jìn)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(jiǎn)報(bào)——慣性測(cè)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(wú)人駕駛技術(shù)入門（四）| 百度無(wú)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(jìn)球，這是什么“黑科技”？
https://mp.weixin.qq.com/s/3dfP3rybPAiODxkTPC34hA

IMU無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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/