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那项手艺，让阿根廷球迷抽泣，让东道主球迷心惊，它就是卡塔尔世界杯上应用的一项全新科技——半主动越位判罚手艺，而那项手艺的核心其实是内置在足球中的IMU传感器。
编纂：感知芯视界
11月22日晚，阿根廷队1：2不敌沙特阿拉伯队，成为本届世界杯目前的更大冷门。
那场角逐中，阿根廷队仅罚进一粒点球，此中有三粒进球因为越位被判无效。此外，那场角逐共被判罚10次越位，也创下了自2018年世界杯应用VAR（视频助力裁判）手艺应用以来单场越位次数新高。本届世界杯又对VAR停止了晋级，参加了半主动越位判罚手艺（SAOT）。
其实那项手艺在揭幕战中就已初露矛头。
在开幕战卡塔尔对战厄瓜多尔的角逐中，开局仅三分钟厄瓜多尔队就攻进一球，然而主裁判在参考VAR给出的数据后认为进球无效，而射手在进球时仅越位了不到半个足球的身位。
很多媒体都介绍了VAR系统的感化，此中更大的变革就是官方指定用球“Al Rihla”中内置了一颗IMU传感器，它能够以500Hz的频次发送信号，再通过人工智能系统整合阐发，准确判断足球落点与传球点。那么问题来了，IMU传感器是什么？它是怎么判断球员能否越位的？
官方用球Al Rihla的内置传感器
什么是IMU 传感器？
IMU传感器全称Inertial Measurement Unit，中文名称为惯性丈量单位，它是次要操纵惯性原理来检测物体的扭转运动与加速度。IMU凡是由三个标的目的的加速度计与各个标的目的陀螺仪构成，是丈量惯性与运动的次要构造。3（加速度计）+3（陀螺仪）构造也是目前常见的6轴IMU传感器。
IMU加速度计图源：互联网
我们从需求角度来阐发一下那颗球内IMU的功用。越位与否需要切确判断足球何时被球员踢开以及足球的最末落点。
起首需要丈量足球何时被踢出，我们能够丈量足球的瞬时加速度停止判断，那就离不开IMU中的三向加速度计。加速度计可用于丈量静态重力加速度以及因为冲击、运动、碰碰或振动（低频与超低频振动）引起的动态加速度。
常见的MEMS加速度计有压电式、压阻式与电容式三种。此中MEMS电容式加速度计应用场景较多，它基于电容变革来对加速度停止检测。MEMS电容加速度计依靠构造中可挪动部门的惯性来工做。
可挪动部门是一种悬臂构造，当传感器整体遭到的力超越它的支持力时就会发作挪动，悬臂两侧的电容也会变革，电容的变革量与加速度成反比。电容的变革被转换为数字信号，颠末零点与灵敏度矫正后输出。电容加速剂具有造做工艺简单、温度系数小、不变性好、阻尼系数容易控造等长处，通过改动悬臂的强度和弹性系数即可丈量差别范畴的加速度，因而得到了普遍的应用。
悬臂式电容加速度计图源：IND4汽车人
MEMS电容加速度计次要用于可穿戴设备与挪动设备上，例如智妙手表与手机。它与压电式与电阻式加速度计比拟，更大的长处是能够安拆在PCB板上，不外其丈量精度较低，不合适丈量高频变革，因而在工业丈量与航空航天范畴不适用，但用于足球上检测加速度则绰绰有余。
此外，在空中自旋的足球因为马格努斯效应，会划出一道弧线绕过防卫队员射进球门，那也是“香蕉球”的原理。足球的扭转速度与标的目的决定了其飞翔轨迹的弯折角度，也最末决定了它的落地位置。所以，能够检测足球角速度的陀螺仪至关重要，单纯靠加速度传感器也没法子测出IMU完好的扭转姿势。
马格努斯效应图源：COMSOL 博客
陀螺仪由陀螺转子、表里框架、驱动电机以及信号传感器构成。其工做原理是操纵角动量守恒原理及科里奥效应丈量运动物体的角速度。与加速度计工做原理类似，陀螺仪的上层活动金属与下层金属构成电容。当陀螺仪动弹时，它与下面电容板之间的间隔也会发作变革，上下电容也就会因而而改动。电容的变革跟角速度成反比，由此我们能够丈量当前的角速度。
从IMU传感器整体看，它分为stable platform system与trapdown system，字面意思就能看出，第一种次要用于云台、相机不变器等需要连结静行的应用场景，而第二种传感器需要被固定在需要检测的物体上，传感器平台会通过陀螺仪实时积分出角度信息，用得到的角度信息对加速度信息停止坐标轴转换。在坐标轴转换后再停止重力影响校正，最初再两次积分得到位置信息。
足球的飞翔参数若何传参加外
IMU传感器在获得足球飞翔的切确参数后，还需要将数据传输参加外的主机中交由主裁判停止判断。数据传输的体例有良多种，例如能够操纵蓝牙、WIFI等常见的通信体例，不外我们起首要处理IMU与通信芯片之间的互通互联，I²C与SPI是目前的通用选择。
I²C一般指I²C总线。I²C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线造同步串行总线。它只需要两根线即可在毗连于总线上的器件之间传送信息。接纳该形式总线上主机与从机、发和收的关系不是恒定的，传输取决于此时数据传送标的目的。
若仅需要从足球中的传感器向外片面传输信号，即主机要领受从器件发出的数据，那个过程为起首主机寻址从器件，然后主机领受从器件发送的数据，最初由主机末行领受过程。此外，I²C是一个多主机总线，若是两个或多个主机同时初始化数据传输，能够通过抵触检测和仲裁避免数据毁坏，任何器件都能够做为主机或从机，但同时只能拥有一个主机在工做。
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，比拟I²C的多主多从形式，SPI只允许有一台主机。SPI的硬件性能更强，且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，因而功用节约PCB空间。无论是I²C仍是SPI，那两者都应用于板内的短间隔通信，要想做到无线传输参加外主机，还需要一个无线通信模块。
一种可能的无线IMU计划图源：萤火博客
无线通信也有多种体例能够选择，从球场现实情况看，若接纳常规蓝牙通信，在人员较多，设备较多的情况会十分不不变。若信号传输产生延时或丢包，可能将严峻影响裁判关于角逐成果的判断。常规WIFI传输固然速度更快，传输范畴更广，但照旧会遭到场外信号干扰，且WIFI模块凡是耗电量较大，不适宜在细小空间搭载，所以差别于常规蓝牙与WIFI的无线透传手艺是较好的选择。
透传也叫串口透传，透传即通明传输，通过串口和目的设备相毗连，即可将收到的数据通明的传输到目的设备上。透传是一种工做体例，它能够基于蓝牙或WIFI等手艺停止传输，不需要再底层信号传输时存眷各类协议的实现，因而具有简单、不变、可靠的特征。能够将它想象成一根毗连的线，有数据传输的时候，数据就会从毗连的一端发送至别的一端，不再对信号停止其他处置，那也同时削减了信息在发射端的能耗。所以，接纳WIFI透传体例停止通信，即能够操纵WIFI的远间隔传输优势，也能躲避能耗高，不不变的缺点。
小结
主裁判判断球员能否越位或有效进球，就需要晓得足球在踢出前一霎时的位置和最末落点位置。集合了加速度计与陀螺仪的IMU传感器能够切确丈量每一项参数。那些数据还会通过I²C或SPI总线传输给集成在内部的无线传输模块，再操纵WIFI透传体例传输给场外主机。当进球发作时，场外多角度高速摄像头+足球内部传感器组合的VAR手艺就能帮忙主裁判停止准确判断，实现各类“毫米级越位”的判断。
IMU的支流应用
其实以IMU传感器为主的惯性手艺在被应用到本次世界杯之前，已经普遍利用在其他范畴了。我们能够按照IMU应用场景的差别，将传感器分为战略级、导航级、战术级和贸易级（消费级）。
IMU精度/价格/利用场景图源：知乎用户陈光
起初的惯性系统次要应用于军事范畴，次要特点为高精度、高灵敏度，我们在导弹、卫星、战斗机上都能看到它的身影。IMU+GPS就能让导弹飞往全世界任何一个角落。后来，跟着科技的开展，中低精度的惯性器件逐步呈现，它们拥有更小的体积与更低的成本，并逐步渗入到民用范畴。尤其是MEMS IMU的呈现，为惯性器件的大规模普及奠基根底。
目前惯性导航应用的最火的范畴就是主动驾驶。
起首，IMU关于绝对位置的判断是不会被外界“干扰”的，那一点至关重要。与GPS、斗极导航的外界导航形式比拟，IMU不会遭到气候与隧道的影响，也就能供给绝对定位信息，在卫星信号弱的地域能够暂时接收导航系统。与摄像头、激光雷达、毫米波雷达比拟，IMU导航不需要对外界停止实时判断，也就能躲避强光、弱光、雨雪气候的干扰，因而IMU能够做为那些传感器的弥补来加强主动驾驶的“认路”才能。
其他范畴，例如无人机与VR/AR中，IMU惯性器件照旧是核心手艺。IMU能够为无人机供给切确的速度、位置和姿势等信息，也能够为VR眼镜的画面供给切确灵敏的扭转信息，削减用用户的眩晕感。
写在最初
本篇文章为各人详细阐发了本届世界杯的“黑科技”—足球IMU传感器的构造与感化。做为惯性手艺，它能够在不需要外界信号的情况下切确阐发当前物体的位置与姿势信息，无论在军事范畴仍是消费、体育范畴，都阐扬了极大的感化。
别小看足球里的那颗IMU传感器，它细小的身躯与细密、可靠的构造，帮忙裁判公允的判罚每一次可进球与犯规。小小足球的背后，也饱含几代电子工程师接续斗争的汗水。
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