世界杯和一颗传感器的故事

标签:传感器
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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最大冷门。

这场比赛中,阿根廷队仅罚进一粒点球,其中有三粒进球因为越位被判无效。此外,这场比赛共被判罚10次越位,也创下了自2018年世界杯应用VAR(视频助力裁判)技术应用以来单场越位次数新高。本届世界杯又对VAR进行了升级,加入了半自动越位判罚技术(SAOT)。

其实这项技术在揭幕战中就已初露锋芒。

在开幕战卡塔尔对战厄瓜多尔的比赛中,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。

不少媒体都介绍了VAR系统的作用,其中最大的变化就是官方指定用球“Al Rihla”中内置了一颗IMU传感器,它可以以500Hz的频率发送信号,再通过人工智能系统整合分析,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?它是怎么判断球员是否越位的?

 

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官方用球Al Rihla的内置传感器

图源:阿迪达斯官网

什么是IMU 传感器?

 

IMU传感器全称Inertial Measurement Unit,中文名称为惯性测量单元,它是主要利用惯性原理来检测物体的旋转运动与加速度。IMU通常由三个方向的加速度计与各个方向陀螺仪组成,是测量惯性与运动的主要结构。3(加速度计)+3(陀螺仪)结构也是目前常见的6轴IMU传感器。

 

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IMU加速度计

图源:互联网

我们从需求角度来分析一下这颗球内IMU的功能。越位与否需要精确判断足球何时被球员踢开以及足球的最终落点。

首先需要测量足球何时被踢出,我们可以测量足球的瞬时加速度进行判断,这就离不开IMU中的三向加速度计。加速度计可用于测量静态重力加速度以及由于冲击、运动、碰撞或振动(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。其中MEMS电容式加速度计应用场景较多,它基于电容变化来对加速度进行检测。MEMS电容加速度计依靠结构中可移动部分的惯性来工作。可移动部分是一种悬臂结构,当传感器整体受到的力超过它的支撑力时就会发生移动,悬臂两侧的电容也会变化,电容的变化量与加速度成正比。电容的变化被转换为数字信号,经过零点与灵敏度矫正后输出。电容加速剂具有制作工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点,通过改变悬臂的强度和弹性系数即可测量不同范围的加速度,因此得到了广泛的应用。

 

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悬臂式电容加速度计

图源:IND4汽车人

MEMS电容加速度计主要用于可穿戴设备与移动设备上,例如智能手表与手机。它与压电式与电阻式加速度计相比,最大的优点是可以安装在PCB板上,不过其测量精度较低,不适合测量高频变化,因此在工业测量与航空航天领域不适用,但用于足球上检测加速度则绰绰有余。

此外,在空中自旋的足球由于马格努斯效应,会划出一道弧线绕过防守队员射进球门,这也是“香蕉球”的原理。足球的旋转速度与方向决定了其飞行轨迹的弯折角度,也最终决定了它的落地位置。所以,可以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办法测出IMU完整的旋转姿态

 

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马格努斯效应

图源:COMSOL 博客

陀螺仪由陀螺转子、内外框架、驱动电机以及信号传感器组成。其工作原理是利用角动量守恒原理及科里奥效应测量运动物体的角速率。与加速度计工作原理相似,陀螺仪的上层活动金属与下层金属形成电容。当陀螺仪转动时,它与下面电容板之间的距离也会发生变化,上下电容也就会因此而改变。电容的变化跟角速度成正比,由此我们可以测量当前的角速度。

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,第一种主要用于云台、相机稳定器等需要保持静止的应用场景,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进行坐标轴转换。在坐标轴转换后再进行重力影响校正,最后再两次积分得到位置信息。

足球的飞行参数如何传到场外

 

IMU传感器在获得足球飞行的精确参数后,还需要将数据传输到场外的主机中交由主裁判进行判断。数据传输的方式有很多种,例如可以利用蓝牙、WIFI等常见的通信方式,不过我们首先要解决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、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。采用该模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方向。若仅需要从足球中的传感器向外单方面传输信号,即主机要接收从器件发出的数据,这个过程为首先主机寻址从器件,然后主机接收从器件发送的数据,最后由主机终止接收过程。此外,I2C是一个多主机总线,如果两个或多个主机同时初始化数据传输,可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏,任何器件都可以作为主机或从机,但同时只能拥有一个主机在工作。

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,相比I2C的多主多从模式,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,因此功能节约PCB空间。无论是I2C还是SPI,这两者都应用于板内的短距离通信,要想做到无线传输到场外主机,还需要一个无线通信模块。

 

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一种可能的无线IMU方案

图源:萤火博客

无线通信也有多种方式可以选择,从球场现实情况看,若采用常规蓝牙通信,在人员较多,设备较多的环境会非常不稳定。若信号传输产生延时或丢包,可能将严重影响裁判对于比赛结果的判断。常规WIFI传输虽然速度更快,传输范围更广,但依旧会受到场外信号干扰,且WIFI模块通常耗电量较大,不适宜在微小空间搭载,所以不同于常规蓝牙与WIFI的无线透传技术是较好的选择。

透传也叫串口透传,透传即透明传输,通过串口和目标设备相连接,即可将收到的数据透明的传输到目标设备上。透传是一种工作方式,它可以基于蓝牙或WIFI等技术进行传输,不需要再底层信号传输时关注各种协议的实现,因此具有简单、稳定、可靠的特性。可以将它想象成一根连接的线,有数据传输的时候,数据就会从连接的一端发送至另外一端,不再对信号进行其他处理,这也同时减少了信息在发射端的能耗。所以,采用WIFI透传方式进行通信,即可以利用WIFI的远距离传输优势,也能规避能耗高,不稳定的缺点。

小结

主裁判判断球员是否越位或有效进球,就需要知道足球在踢出前一瞬间的位置和最终落点位置。集合了加速度计与陀螺仪的IMU传感器可以精确测量每一项参数。这些数据还会通过I2C或SPI总线传输给集成在内部的无线传输模块,再利用WIFI透传方式传输给场外主机。当进球发生时,场外多角度高速摄像头+足球内部传感器组合的VAR技术就能帮助主裁判进行准确判断,实现各种“毫米级越位”的判断。

IMU的主流应用

 

其实以IMU传感器为主的惯性技术在被应用到本次世界杯之前,已经广泛使用在其他领域了。我们可以根据IMU应用场景的不同,将传感器分为战略级、导航级、战术级和商业级(消费级)。

 

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IMU精度/价格/使用场景

图源:知乎用户陈光

起初的惯性系统主要应用于军事领域,主要特点为高精度、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,随着科技的发展,中低精度的惯性器件逐渐出现,它们拥有更小的体积与更低的成本,并逐渐渗透到民用领域。尤其是MEMS IMU的出现,为惯性器件的大规模普及奠定基础。

目前惯性导航应用的最火的领域就是自动驾驶。

首先,IMU对于绝对位置的判断是不会被外界“干扰”的,这一点至关重要。与GPS、北斗导航的外界导航模式相比,IMU不会受到天气与隧道的影响,也就能提供绝对定位信息,在卫星信号弱的地区可以暂时接管导航系统。与摄像头、激光雷达、毫米波雷达相比,IMU导航不需要对外界进行实时判断,也就能规避强光、弱光、雨雪天气的干扰,因此IMU可以作为这些传感器的补充来加强自动驾驶的“认路”能力。

其他领域,例如无人机与VR/AR中,IMU惯性器件依旧是核心技术。IMU可以为无人机提供精确的速度、位置和姿态等信息,也可以为VR眼镜的画面提供精确灵敏的旋转信息,减少用用户的眩晕感。

写在最后

 

本篇文章为大家详细分析了本届世界杯的“黑科技”—足球IMU传感器的结构与作用。作为惯性技术,它可以在不需要外界信号的情况下精确分析当前物体的位置与姿态信息,无论在军事领域还是消费、体育领域,都发挥了极大的作用。

别小看足球里的这颗IMU传感器,它微小的身躯与精密、可靠的结构,帮助裁判公平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奋斗的汗水。

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世界杯和一颗传感器的故事

这场比赛中,阿根廷队仅罚进一粒点球,其中有三粒进球因为越位被判无效。此外,这场比赛共被判罚10次越位,也创下了自2018年世界杯应用VAR(视频助力裁判)技术应用以来单场越位次数新高。本届世界杯又对VAR进行了升级,加入了半自动越位判罚技术(SAOT)。

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