在葡萄牙2-0擊敗烏拉圭的比賽中，C羅的頭球動(dòng)作最終被判為未觸碰到球，IMU傳感器在其中起了關(guān)鍵作用。
當(dāng)前，2022卡塔爾世界杯還在如火如荼的舉辦中，除了球員精彩的進(jìn)球外，本屆世界杯的科技也看點(diǎn)十足，許多技術(shù)都是世界杯歷史上首次使用。
在世界杯小組賽葡萄牙擊敗烏拉圭的比賽進(jìn)行到第54分鐘時(shí)，B費(fèi)傳中后C羅做出頭球動(dòng)作成功破門，C羅也在賽場(chǎng)上歡呼，慶祝自己打破了紀(jì)錄。不過，在賽場(chǎng)的大屏中卻顯示該進(jìn)球歸屬于布魯諾·費(fèi)爾南德斯。
在比賽結(jié)束后，C羅還在更衣室中向皮爾斯·摩根（知名主持人）發(fā)了短信，聲稱他確實(shí)碰到了布魯諾·費(fèi)爾南德斯的傳球來打開得分。然而，國際足聯(lián)官方用球制造商阿迪達(dá)斯透露，官方用球內(nèi)的高精度傳感器數(shù)據(jù)表明C羅在進(jìn)球過程中沒有觸球，該進(jìn)球歸屬于B費(fèi)。
傳感器圖像沒有“心跳”，C羅確實(shí)未碰到球
在阿根廷隊(duì)1：2不敵沙特阿拉伯的比賽中，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)以來單場(chǎng)越位次數(shù)新高。這場(chǎng)比賽之后，大部分球迷都開始了解到VAR（視頻助力裁判）技術(shù)，不少媒體也介紹了半自動(dòng)越位判罰技術(shù)（SAOT）的作用。除此之外，在本屆世界杯上，每個(gè)比賽用球內(nèi)部的中央都有CTR－CORE，即在足球內(nèi)部植入一枚中央芯片，雖然類似的技術(shù)在籃球、網(wǎng)球等運(yùn)動(dòng)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(shí)的球速約為60-120公里／小時(shí)，若取80公里/小時(shí)的球速來計(jì)算，其撞擊力相當(dāng)于120公斤左右。對(duì)于頂級(jí)球員的射門動(dòng)作來說，其產(chǎn)生撞擊力可達(dá)200公斤，而世界上某位杰出運(yùn)動(dòng)員的一腳有力射門，撞擊力更是高達(dá)1200公斤。在這種情況下，保持芯片在足球中的穩(wěn)定就變得非常重要。
為了讓足球具有優(yōu)異的抗震性能，世界杯官方指定用球“Al Rihla”內(nèi)膽中新的懸掛系統(tǒng)使用了多個(gè)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(shí)，該懸掛系統(tǒng)還搭載了內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)傳感器，使這項(xiàng)技術(shù)對(duì)球員來說不易察覺，也不會(huì)影響其任何運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。據(jù)稱，這款設(shè)備重14克，實(shí)際上是由兩個(gè)同時(shí)工作的獨(dú)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(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)中。而在本次判斷C羅頭部是否觸碰到足球的過程中發(fā)揮作用的則是慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器，用來探測(cè)足球細(xì)微運(yùn)動(dòng)。
據(jù)稱，這也是世界杯官方比賽用球內(nèi)有史以來最精確的運(yùn)動(dòng)傳感器，通過使用UWB傳感器獲取位置數(shù)據(jù)、IMU傳感器獲得精細(xì)的三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，保證了足球關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集，使得在比賽的任何時(shí)刻，當(dāng)足球被踢、被頂、被扔，甚至輕擊時(shí)，傳感器都會(huì)以每秒500次的速度獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過人工智能系統(tǒng)整合分析，準(zhǔn)確判斷足球落點(diǎn)與傳球點(diǎn)。
球內(nèi)的IMU傳感器將能夠自動(dòng)收集非常準(zhǔn)確的足球運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，記錄球員觸球的時(shí)間，而每秒500次的頻率，意味著每次數(shù)據(jù)收集間隔僅為2毫秒，極大的提升了足球狀態(tài)和軌跡的精確度，可以在數(shù)秒內(nèi)將比賽期間收集到的高精度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送到視頻助理裁判的畫面中，以幫助主裁判作出更合理的判罰決定。
從上圖左下角可以看出，當(dāng)B費(fèi)腳部碰到球時(shí)，IMU傳感器的圖像有了明顯的波形變化。在阿迪達(dá)斯的官方聲明中，其表示球內(nèi)的500Hz的IMU傳感器使分析能夠非常準(zhǔn)確。在葡萄牙和烏拉圭的比賽中，通過使用阿迪達(dá)斯官方比賽球中的互聯(lián)球技術(shù)，阿迪達(dá)斯稱其通過IMU傳感器測(cè)量和所附的圖形中缺乏“心跳”，無法測(cè)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(gè)進(jìn)球中并沒有真正接觸到球。
讓C羅“空歡喜”一場(chǎng)的IMU傳感器是什么
IMU是慣性運(yùn)動(dòng)單元（InerTIal measurement unit）的縮寫，而慣性傳感器則是用來檢測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（或角速率）及加速度的裝置，可以將物理運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過電子電路進(jìn)行放大和處理。其原理是慣性定律，從超小型的MEMS傳感器到測(cè)量精度非常高的激光陀螺，無論尺寸是只有幾個(gè)毫米的MEMS傳感器，還是直徑幾近半米的光纖器件采用的都是這一原理。
大多數(shù)時(shí)候，IMU傳感器是由四個(gè)基本傳感器組成，即加速度計(jì)、陀螺儀（角速度計(jì)）、磁力儀和光學(xué)傳感器，這四個(gè)獨(dú)立的模塊可以產(chǎn)生不同的信號(hào)，并通過接口將這些信息傳送給處理器。
其中，加速度計(jì)用來檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，這對(duì)運(yùn)動(dòng)分析來說非常重要；陀螺儀可用來確定一個(gè)物體在三維空間內(nèi)的方向，主要測(cè)量繞三個(gè)軸的角速度，即俯仰（X軸）、滾轉(zhuǎn)（Y軸）和偏航（Z軸），組合連接在一起的多個(gè)傳感器則可以用來模擬整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)；磁力計(jì)有助于定向，可用于校準(zhǔn)并將數(shù)據(jù)定向到正確的位置，它不像其他兩個(gè)傳感器那么重要，但是它們添加了適合戶外運(yùn)動(dòng)的另一層數(shù)據(jù)。
而陀螺儀和加速度計(jì)，是IMU傳感器最核心的部分，也是影響慣性系統(tǒng)性能的主要因素。尤其是陀螺儀其漂移對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差增長的影響是時(shí)間的三次方函數(shù)，而高精度的陀螺儀制造困難，成本高昂。通常情況下，IMU傳感器由三個(gè)方向的加速度計(jì)與各個(gè)方向陀螺儀組成，“3（加速度計(jì)）+3（陀螺儀）”的組合也是目前常見的6軸IMU傳感器結(jié)構(gòu)。例如，用戶在使用手機(jī)玩某些游戲時(shí)，通過左右或者前后傾斜手機(jī)，即可讓球類向著對(duì)應(yīng)的方向移動(dòng)，這就是手機(jī)內(nèi)置帶有三軸加速度計(jì)的IMU傳感器而產(chǎn)生的效果。
IMU傳感器市場(chǎng)廣泛，歐美企業(yè)更占優(yōu)勢(shì)
在足球等運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域之外，慣性傳感器還可以應(yīng)用在消費(fèi)電子、智能玩具、汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化、智慧農(nóng)業(yè)、醫(yī)療器械、儀器儀表、機(jī)器人、工程機(jī)械、導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等眾多領(lǐng)域，如SpaceX等用于全球互聯(lián)網(wǎng)寬帶的衛(wèi)星星座的興起，正在推動(dòng)對(duì)衛(wèi)星慣性傳感器的需求達(dá)到前所未有的水平，商業(yè)火箭的發(fā)射器子系統(tǒng)對(duì)慣性傳感器需求的增長，也進(jìn)一步提高了市場(chǎng)需求，機(jī)器人、物流和自動(dòng)化系統(tǒng)也比任何時(shí)候都更加需要慣性傳感器。
去年10月，慣性傳感器巨頭法國Safran收購了即將上市的挪威陀螺儀傳感器和MEMS慣性系統(tǒng)制造商Sensonor，以將其業(yè)務(wù)范圍擴(kuò)展到基于MEMS的傳感器技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。今年5月時(shí)，兩家法國公司ECA集團(tuán)和 iXblue 也已經(jīng)進(jìn)入合并前的排他性談判階段，這些事件都表明慣性傳感器市場(chǎng)還在進(jìn)一步整合當(dāng)中。
根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的報(bào)告顯示，在全球慣性傳感器市場(chǎng)中，美國、日本及歐洲部分國家處于領(lǐng)先地位，代表性企業(yè)包括：德國博世BOSCH、意法半導(dǎo)體（ST）、日本東京電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社（TDK）、美國霍尼韋爾（Honeywell）、美國亞德諾（ADI）等。而在我國慣性傳感器市場(chǎng)中，博世份額占比最大，達(dá)到22.9%；意法半導(dǎo)體其次，占比為21.3%；TDK位居第三，占比為17.8%；霍尼韋爾排名第四，占比為16.5%。這四大廠商合計(jì)市場(chǎng)份額占比達(dá)到78.5%，由此可以看出，我國慣性傳感器市場(chǎng)集中度高，本土企業(yè)處于競爭劣勢(shì)地位，市場(chǎng)份額占比小。不過，隨著慣性傳感器的應(yīng)用方式和應(yīng)用范圍的豐富，未來全球慣性傳感器市場(chǎng)還將持續(xù)增長，國內(nèi)企業(yè)或許能夠打破國外巨頭的壟斷，打破慣性傳感器市場(chǎng)的現(xiàn)有格局。
寫在最后
對(duì)于IMU傳感器對(duì)C羅頭球的判斷結(jié)果，很多網(wǎng)友都表示不論是否碰到了球，C羅都功不可沒，沒有他的牽制，守門員很可能會(huì)擊出甚至沒收此球。
比賽進(jìn)行到現(xiàn)在的時(shí)刻，這場(chǎng)耗資2200億美元、充滿黑科技的卡塔爾世界杯，已經(jīng)讓人們領(lǐng)略到了智能感知時(shí)代的魅力。未來，隨著傳感器、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等的快速發(fā)展與落地應(yīng)用，生產(chǎn)、生活等方面都將更加智能和高效。在此過程中，不斷突破創(chuàng)新的IMU等各類傳感器件也將助力產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步蓬勃發(fā)展。
參考資料：
1.《阿迪達(dá)斯推出采用聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的FIFA世界杯官方比賽用球》，騰訊網(wǎng)
2.《卡塔爾世界杯高科技足球的高精定位，原來是靠UWB！》，物聯(lián)網(wǎng)智庫
3.《慣性傳感器市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大 國外企業(yè)處于主導(dǎo)地位》，新思界
