在葡萄牙(ya)2-0擊敗烏拉圭(gui)的比賽(sai)中，C羅的頭球動(dong)作最(zui)終(zhong)被(bei)判為(wei)未觸(chu)碰到球，IMU傳(chuan)感(gan)器在其中起了關鍵作用。
當前(qian)，2022卡塔爾世(shi)界杯(bei)(bei)還在如(ru)火如(ru)荼的舉辦中，除(chu)了球員精彩的進(jin)球外，本(ben)屆(jie)世(shi)界杯(bei)(bei)的科技也(ye)看點十足(zu)，許多(duo)技術(shu)都是(shi)世(shi)界杯(bei)(bei)歷史上首次使(shi)用。
在世(shi)界杯小組賽(sai)葡萄牙擊敗烏拉圭的比賽(sai)進行到第54分鐘時(shi)，B費(fei)傳(chuan)中后C羅(luo)做(zuo)出頭球動作成功破門(men)，C羅(luo)也在賽(sai)場上歡呼，慶(qing)祝自己打破了紀錄。不(bu)過，在賽(sai)場的大(da)屏中卻顯示(shi)該進球歸屬于(yu)布魯(lu)諾·費(fei)爾南(nan)德(de)斯(si)。
在(zai)比(bi)賽結(jie)束后，C羅還在(zai)更衣室(shi)中向皮(pi)爾斯·摩根(gen)（知名主持人）發了(le)短信，聲(sheng)稱(cheng)他確實碰到了(le)布魯諾(nuo)·費爾南(nan)德斯的傳球(qiu)(qiu)來打(da)開(kai)得分(fen)。然而，國際足聯官方用球(qiu)(qiu)制造商阿(a)迪達斯透露(lu)，官方用球(qiu)(qiu)內的高精度(du)傳感器數據表明C羅在(zai)進球(qiu)(qiu)過程(cheng)中沒有觸球(qiu)(qiu)，該進球(qiu)(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(zu)球中的穩定(ding)就變得非(fei)常重要。
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(qiu)內(nei)的(de)(de)(de)(de)IMU傳感器將能夠自動(dong)收集(ji)非常準確的(de)(de)(de)(de)足球(qiu)運動(dong)數(shu)(shu)據(ju)，記(ji)錄(lu)球(qiu)員觸(chu)球(qiu)的(de)(de)(de)(de)時間(jian)(jian)，而(er)每(mei)秒500次的(de)(de)(de)(de)頻率(lv)，意(yi)味著每(mei)次數(shu)(shu)據(ju)收集(ji)間(jian)(jian)隔(ge)僅為2毫(hao)秒，極大(da)的(de)(de)(de)(de)提升(sheng)了足球(qiu)狀態和軌(gui)跡的(de)(de)(de)(de)精確度(du)，可以(yi)(yi)在數(shu)(shu)秒內(nei)將比賽期間(jian)(jian)收集(ji)到的(de)(de)(de)(de)高精度(du)的(de)(de)(de)(de)運動(dong)數(shu)(shu)據(ju)發送到視頻助理裁判的(de)(de)(de)(de)畫面中，以(yi)(yi)幫助主裁判作出更合理的(de)(de)(de)(de)判罰決定。
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。其原理是慣性定律，從超小型(xing)的(de)MEMS傳感器到(dao)測量精(jing)度(du)非(fei)常高的(de)激光(guang)陀螺，無(wu)論尺寸是只(zhi)有幾個毫米的(de)MEMS傳感器，還是直徑幾近半米的(de)光(guang)纖器件采用的(de)都是這一原理。
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)(zhe)四個(ge)獨立的(de)模(mo)塊可以產生(sheng)不同的(de)信號，并通過接(jie)口將(jiang)這(zhe)(zhe)些信息傳(chuan)送(song)給處理器。
其(qi)中，加速度計用(yong)來(lai)檢測物(wu)體在(zai)(zai)載體坐標系(xi)統(tong)獨立三(san)軸的(de)(de)加速度信號，這對運(yun)動分析來(lai)說非常重要；陀螺儀可用(yong)來(lai)確定(ding)一個物(wu)體在(zai)(zai)三(san)維空(kong)間內的(de)(de)方向(xiang)，主要測量繞三(san)個軸的(de)(de)角(jiao)速度，即俯(fu)仰（X軸）、滾轉（Y軸）和偏航（Z軸），組合(he)連接在(zai)(zai)一起的(de)(de)多個傳感器則可以用(yong)來(lai)模擬(ni)整(zheng)個身體的(de)(de)運(yun)動；磁力計有助于定(ding)向(xiang)，可用(yong)于校準并(bing)將(jiang)數據定(ding)向(xiang)到正確的(de)(de)位置，它不(bu)像(xiang)其(qi)他兩個傳感器那么(me)重要，但是它們添加了(le)適合(he)戶外運(yun)動的(de)(de)另一層數據。
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(shi)陀螺(luo)儀(yi)(yi)其漂移對慣導系統(tong)的(de)(de)位(wei)置誤差增長的(de)(de)影響是(shi)時(shi)間的(de)(de)三(san)次方函(han)數，而(er)高精度(du)的(de)(de)陀螺(luo)儀(yi)(yi)制造困難，成(cheng)本高昂。通常(chang)情況下(xia)，IMU傳感器由(you)三(san)個方向(xiang)(xiang)的(de)(de)加(jia)速度(du)計(ji)與(yu)各個方向(xiang)(xiang)陀螺(luo)儀(yi)(yi)組(zu)成(cheng)，“3（加(jia)速度(du)計(ji)）+3（陀螺(luo)儀(yi)(yi)）”的(de)(de)組(zu)合也是(shi)目前常(chang)見(jian)的(de)(de)6軸IMU傳感器結構。例如，用(yong)戶在使用(yong)手機玩某些游(you)戲時(shi)，通過左右或者前后傾斜手機，即可讓球類向(xiang)(xiang)著對應(ying)的(de)(de)方向(xiang)(xiang)移動，這就是(shi)手機內置帶有(you)三(san)軸加(jia)速度(du)計(ji)的(de)(de)IMU傳感器而(er)產生的(de)(de)效果(guo)。
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SpaceX等用于全球互聯網(wang)寬帶的(de)(de)衛(wei)(wei)星(xing)星(xing)座的(de)(de)興起，正在推動對衛(wei)(wei)星(xing)慣(guan)性傳感器(qi)的(de)(de)需(xu)求(qiu)達到前(qian)所未有的(de)(de)水平，商業(ye)火箭的(de)(de)發射器(qi)子系統(tong)對慣(guan)性傳感器(qi)需(xu)求(qiu)的(de)(de)增長，也進一步提(ti)高了市場需(xu)求(qiu)，機(ji)器(qi)人、物流和(he)自動化(hua)系統(tong)也比任何時(shi)候都(dou)更加需(xu)要慣(guan)性傳感器(qi)。
去年10月，慣性傳(chuan)感器(qi)巨(ju)頭法國Safran收購了(le)即將上市的挪威陀(tuo)螺(luo)儀(yi)傳(chuan)感器(qi)和MEMS慣性系統制造商Sensonor，以將其業務范(fan)圍擴展到基于MEMS的傳(chuan)感器(qi)技術(shu)和相關應(ying)用領域。今年5月時，兩(liang)家(jia)法國公司(si)ECA集團和 iXblue 也已經進(jin)入合并前的排他(ta)性談(tan)判階段，這些事件都表(biao)明慣性傳(chuan)感器(qi)市場還在(zai)進(jin)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(zai)我(wo)國(guo)(guo)慣(guan)性(xing)(xing)(xing)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)市(shi)(shi)場(chang)中(zhong)，博世份額占(zhan)比最大，達(da)到22.9%；意法半導體(ti)其次，占(zhan)比為21.3%；TDK位居第三(san)，占(zhan)比為17.8%；霍尼韋爾排名(ming)第四，占(zhan)比為16.5%。這四大廠(chang)商合計市(shi)(shi)場(chang)份額占(zhan)比達(da)到78.5%，由此可以看出，我(wo)國(guo)(guo)慣(guan)性(xing)(xing)(xing)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)市(shi)(shi)場(chang)集中(zhong)度高，本土(tu)企(qi)業(ye)處于(yu)競爭劣勢(shi)地位，市(shi)(shi)場(chang)份額占(zhan)比小。不過，隨(sui)著慣(guan)性(xing)(xing)(xing)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應用(yong)方(fang)式和應用(yong)范圍的(de)豐富，未來全球慣(guan)性(xing)(xing)(xing)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)市(shi)(shi)場(chang)還將持續增長(chang)，國(guo)(guo)內企(qi)業(ye)或許能夠(gou)打(da)破(po)國(guo)(guo)外巨頭的(de)壟斷，打(da)破(po)慣(guan)性(xing)(xing)(xing)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)市(shi)(shi)場(chang)的(de)現(xian)有(you)格局。
寫在最后
對于IMU傳感器(qi)對C羅頭(tou)球的判斷(duan)結果，很多(duo)網友都表示(shi)不(bu)論是否碰到了球，C羅都功不(bu)可沒(mei)，沒(mei)有他的牽制，守門員很可能會擊(ji)出甚至(zhi)沒(mei)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)數據等的快(kuai)速發(fa)展(zhan)與落地應(ying)用，生產(chan)、生活等方面都將更加智(zhi)能(neng)和高效(xiao)。在此過程(cheng)中，不斷突破創新的IMU等各(ge)類(lei)傳感器(qi)件也將助力產(chan)業鏈進一(yi)步蓬勃發(fa)展(zhan)。
參(can)考資料：
1.《阿迪達斯(si)推(tui)出采用聯(lian)網技術(shu)的FIFA世界杯官方(fang)比賽用球》，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(guan)性(xing)傳感器市(shi)場規(gui)模持續(xu)擴大 國外企業(ye)處(chu)于主(zhu)導地位》，新思界
