在葡萄牙(ya)2-0擊敗烏拉圭的比(bi)賽中(zhong)，C羅的頭球動作(zuo)最(zui)終被(bei)判為未觸碰到球，IMU傳感器在其中(zhong)起了關鍵作(zuo)用。
當前，2022卡塔爾世(shi)界(jie)杯(bei)還在(zai)如火(huo)如荼的舉辦中，除了球員精彩的進球外，本屆世(shi)界(jie)杯(bei)的科技也看點十足，許多(duo)技術都是(shi)世(shi)界(jie)杯(bei)歷史上首(shou)次使用。
在(zai)世界(jie)杯小組賽葡萄牙擊敗烏(wu)拉圭的(de)比賽進行到(dao)第54分鐘時，B費傳中(zhong)后C羅做出(chu)頭球動作成功破門，C羅也在(zai)賽場(chang)上歡呼，慶祝自己(ji)打破了紀錄。不(bu)過，在(zai)賽場(chang)的(de)大(da)屏中(zhong)卻顯示(shi)該進球歸(gui)屬于布魯(lu)諾·費爾南(nan)德斯。
在(zai)比(bi)賽(sai)結束后(hou)，C羅還在(zai)更衣室中向皮(pi)爾斯·摩(mo)根（知(zhi)名主持人）發了短信，聲稱(cheng)他確實碰到了布(bu)魯諾·費爾南德斯的(de)傳球(qiu)來打(da)開得分。然而，國(guo)際足(zu)聯官方(fang)(fang)用(yong)球(qiu)制造商阿迪達斯透(tou)露，官方(fang)(fang)用(yong)球(qiu)內的(de)高(gao)精度傳感器數據表明C羅在(zai)進球(qiu)過程中沒有觸球(qiu)，該進球(qiu)歸屬于B費。
傳感器圖像沒有“心跳”，C羅確實未碰到球
在阿根廷隊1：2不敵沙特阿拉伯的比賽中，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，也創下了自2018年世界杯應用VAR（視頻助力裁判）技術以來單場越位次數新高。這場比賽之后，大部分球迷都開始了解到VAR（視頻助力裁判）技術，不少媒體也介紹了半自動越位判罰技術（SAOT）的作用。除此之外，在本屆世界杯上，每個比賽用球內部的中央都有CTR－CORE，即在足球內部植入一枚中央芯片，雖然類似的技術在籃球、網球等運動中已早有使用，不過這還是第一次被用在足球上。
通常，足球的重量約為400克，踢球時的球速約為60-120公里／小時，若取80公里/小時的球速來計算，其撞擊力相當于120公斤左右。對于頂級球員的射門動作來說，其產生撞擊力可達200公斤，而世界上某位杰出運動員的一腳有力射門，撞擊力更是高達1200公斤。在這種情況下，保持芯片在足球中(zhong)的穩定就變得(de)非常(chang)重要。
為了讓足球具有優異的抗震性能，世界杯官方指定用球“Al Rihla”內膽中新的懸掛系統使用了多個連接柱，將芯片固定在球體中心的囊殼中，從而保證了球的平衡性不受影響。同時，該懸掛系統還搭載了內置的運動傳感器，使這項技術對球員來說不易察覺，也不會影響其任何運動表現。據稱，這款設備重14克，實際上是由兩個同時工作的獨立傳感器集成而成，其中之一就是超寬帶（UWB）傳感器，可以跟蹤和獲取足球精確的位置數據，也可以將數據實時傳輸至后臺系統中。而在本次判斷C羅頭部是否觸碰到足球的過程中發揮作用的則是慣性測量單元（IMU）傳感器，用來探測足球細微運動。
據稱，這也是世界杯官方比賽用球內有史以來最精確的運動傳感器，通過使用UWB傳感器獲取位置數據、IMU傳感器獲得精細的三維運動數據，保證了足球關鍵數據的采集，使得在比賽的任何時刻，當足球被踢、被頂、被扔，甚至輕擊時，傳感器都會以每秒500次的速度獲取相關數據，再通過人工智能系統整合分析，準確判斷足球落點與傳球點。
球內(nei)的(de)IMU傳感器將(jiang)能(neng)夠自動(dong)收(shou)集非常準確的(de)足球運動(dong)數據，記錄球員觸球的(de)時間(jian)，而每秒(miao)500次的(de)頻率，意味著(zhu)每次數據收(shou)集間(jian)隔僅為2毫秒(miao)，極大的(de)提(ti)升(sheng)了足球狀態和軌跡的(de)精確度，可以(yi)在數秒(miao)內(nei)將(jiang)比賽(sai)期間(jian)收(shou)集到(dao)的(de)高精度的(de)運動(dong)數據發送到(dao)視(shi)頻助(zhu)理裁判(pan)的(de)畫(hua)面中，以(yi)幫助(zhu)主裁判(pan)作出更合(he)理的(de)判(pan)罰決定。
從上圖左下角可以看出，當B費腳部碰到球時，IMU傳感器的圖像有了明顯的波形變化。在阿迪達斯的官方聲明中，其表示球內的500Hz的IMU傳感器使分析能夠非常準確。在葡萄牙和烏拉圭的比賽中，通過使用阿迪達斯官方比賽球中的互聯球技術，阿迪達斯稱其通過IMU傳感器測量和所附的圖形中缺乏“心跳”，無法測量到球上所受到的外部力，這也明確顯示C羅在比賽中的首個進球中并沒有真正接觸到球。
讓C羅“空歡喜”一場的IMU傳感器是什么
IMU是慣性運動單元（InerTIal measurement unit）的縮寫，而慣性傳感器則是用來檢測物體的旋轉運動（或角速率）及加速度的裝置，可以將物理運動轉換成電信號，并通過電子電路進行放大和處理。其原理(li)是慣性定(ding)律，從(cong)超小型的MEMS傳感器(qi)到測量精度(du)非常高的激光陀(tuo)螺，無論尺寸是只有幾個(ge)毫米的MEMS傳感器(qi)，還是直徑幾近半(ban)米的光纖器(qi)件(jian)采用的都是這一(yi)原理(li)。
大多數時候，IMU傳感器是由四個基本傳感器組成，即加速度計、陀螺儀（角速度計）、磁力儀和光學傳感器，這(zhe)四個獨立的(de)模(mo)塊可以產生不(bu)同的(de)信號，并(bing)通過(guo)接口將這(zhe)些信息(xi)傳送(song)給處理器。
其中，加速度計(ji)用(yong)(yong)來(lai)檢測物體(ti)(ti)在(zai)(zai)載體(ti)(ti)坐標系統獨立三(san)軸(zhou)的(de)(de)加速度信號，這對(dui)運動分析來(lai)說(shuo)非常重要；陀螺(luo)儀可(ke)用(yong)(yong)來(lai)確定(ding)一(yi)個物體(ti)(ti)在(zai)(zai)三(san)維(wei)空(kong)間內的(de)(de)方向(xiang)，主要測量繞(rao)三(san)個軸(zhou)的(de)(de)角速度，即俯仰(yang)（X軸(zhou)）、滾轉（Y軸(zhou)）和偏航（Z軸(zhou)），組合連接在(zai)(zai)一(yi)起的(de)(de)多個傳感(gan)器(qi)則(ze)可(ke)以用(yong)(yong)來(lai)模擬整個身體(ti)(ti)的(de)(de)運動；磁力(li)計(ji)有助于定(ding)向(xiang)，可(ke)用(yong)(yong)于校準并將數據定(ding)向(xiang)到(dao)正確的(de)(de)位(wei)置，它不(bu)像(xiang)其他兩個傳感(gan)器(qi)那么重要，但是它們添(tian)加了適合戶外運動的(de)(de)另(ling)一(yi)層數據。
而陀螺儀和加速度計，是IMU傳感器最核心的部分，也是影響慣性系統性能的主要因素。尤其是陀螺(luo)儀(yi)其漂移對(dui)慣導系統(tong)的位(wei)置(zhi)誤差(cha)增長的影響是時間的三(san)(san)次(ci)方(fang)(fang)函數，而高(gao)精度(du)的陀螺(luo)儀(yi)制造困(kun)難，成(cheng)本高(gao)昂。通(tong)常情況下，IMU傳感器由三(san)(san)個方(fang)(fang)向的加(jia)速(su)(su)度(du)計與各個方(fang)(fang)向陀螺(luo)儀(yi)組(zu)成(cheng)，“3（加(jia)速(su)(su)度(du)計）+3（陀螺(luo)儀(yi)）”的組(zu)合也是目前常見(jian)的6軸IMU傳感器結構(gou)。例如，用戶在使用手機(ji)玩(wan)某(mou)些游戲時，通(tong)過(guo)左右或者(zhe)前后傾斜手機(ji)，即可(ke)讓(rang)球類向著對(dui)應的方(fang)(fang)向移動(dong)，這就(jiu)是手機(ji)內置(zhi)帶有三(san)(san)軸加(jia)速(su)(su)度(du)計的IMU傳感器而產生的效果。
IMU傳感器市場廣泛，歐美企業更占優勢
在足球等運動領域之外，慣性傳感器還可以應用在消費電子、智能玩具、汽車電子、工業自動化、智慧農業、醫療器械、儀器儀表、機器人、工程機械、導航系統、衛星通信等眾多領域，如(ru)SpaceX等用于(yu)全(quan)球互聯網寬帶的(de)衛星星座的(de)興起，正(zheng)在推動對衛星慣性傳感器(qi)的(de)需(xu)(xu)求(qiu)達到前所(suo)未(wei)有的(de)水平，商業火箭(jian)的(de)發射器(qi)子系統對慣性傳感器(qi)需(xu)(xu)求(qiu)的(de)增長(chang)，也(ye)進一步提高了市場需(xu)(xu)求(qiu)，機器(qi)人、物流和(he)自動化系統也(ye)比任何時候都更加(jia)需(xu)(xu)要慣性傳感器(qi)。
去年10月(yue)，慣性(xing)傳(chuan)感器(qi)巨頭(tou)法國(guo)Safran收(shou)購了即將上市的(de)挪威陀(tuo)螺儀(yi)傳(chuan)感器(qi)和(he)MEMS慣性(xing)系統制造商(shang)Sensonor，以將其業務范圍擴展(zhan)到基于(yu)MEMS的(de)傳(chuan)感器(qi)技術和(he)相(xiang)關應用領域。今年5月(yue)時，兩家法國(guo)公司ECA集團(tuan)和(he) iXblue 也已經進入(ru)合并前的(de)排(pai)他性(xing)談判(pan)階段，這(zhe)些事(shi)件都表明慣性(xing)傳(chuan)感器(qi)市場還(huan)在進一步整合當中。
根據新思界產業研究中心發布的報告顯示，在全球慣性傳感器市場中，美國、日本及歐洲部分國家處于領先地位，代表性企業包括：德國博世BOSCH、意法半導體（ST）、日本東京電氣化學工業株式會社（TDK）、美國霍尼韋爾（Honeywell）、美國亞德諾（ADI）等。而在我(wo)國慣(guan)性傳(chuan)(chuan)感器(qi)市(shi)(shi)場(chang)(chang)中，博世份額占(zhan)(zhan)比最(zui)大，達到(dao)22.9%；意法半導(dao)體其(qi)次，占(zhan)(zhan)比為(wei)21.3%；TDK位居第(di)(di)三(san)，占(zhan)(zhan)比為(wei)17.8%；霍尼韋爾排(pai)名第(di)(di)四，占(zhan)(zhan)比為(wei)16.5%。這四大廠(chang)商合計市(shi)(shi)場(chang)(chang)份額占(zhan)(zhan)比達到(dao)78.5%，由(you)此(ci)可以看出，我(wo)國慣(guan)性傳(chuan)(chuan)感器(qi)市(shi)(shi)場(chang)(chang)集中度(du)高，本土企業處于競爭劣勢地位，市(shi)(shi)場(chang)(chang)份額占(zhan)(zhan)比小(xiao)。不過，隨著慣(guan)性傳(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)應用方式和應用范(fan)圍的(de)豐富，未來(lai)全球慣(guan)性傳(chuan)(chuan)感器(qi)市(shi)(shi)場(chang)(chang)還將(jiang)持續增長，國內企業或許能夠打(da)破國外巨頭的(de)壟斷，打(da)破慣(guan)性傳(chuan)(chuan)感器(qi)市(shi)(shi)場(chang)(chang)的(de)現有格(ge)局。
寫在最后
對(dui)于IMU傳感器對(dui)C羅頭球的(de)判斷(duan)結果，很多網(wang)友(you)都(dou)表示不(bu)論是(shi)否碰到了(le)球，C羅都(dou)功(gong)不(bu)可沒，沒有他的(de)牽(qian)制(zhi)，守門員很可能會擊出甚(shen)至沒收(shou)此球。
比賽進行到現在的時刻，這場耗資2200億美元、充滿黑科技的卡塔爾世界杯，已經讓人們領略到了智能感知時代的魅力。未來，隨著傳感器、人工智能、物聯網、大(da)數據等(deng)的快(kuai)速發展與落地應(ying)用，生產、生活等(deng)方面都將更加智能和高效。在(zai)此過(guo)程中，不斷突破創新的IMU等(deng)各(ge)類傳感(gan)器件也將助力產業(ye)鏈(lian)進(jin)一步蓬勃發展。
參(can)考資料(liao)：
1.《阿迪達斯推出采用(yong)聯網技術的FIFA世(shi)界杯官方比賽用(yong)球》，騰訊網
2.《卡塔爾世界杯高科技足球的高精定位，原來是靠UWB！》，物聯網智庫
3.《慣性傳感器市(shi)場(chang)規模持續擴大 國外企業(ye)處于主導地位》，新(xin)思界
