判定C罗未碰到球的IMU传感器到底是什么？

在葡萄牙2-0击败乌拉圭的比赛中，C罗的头球动作最终被判为未触碰到球，IMU传感器在其中起了关键作用。

当前，2022卡塔尔世界杯还在如火如荼的举办中，除了球员精彩的进球外，本届世界杯的科技也看点十足，许多技术都是世界杯历史上首次使用。

在世界杯小组赛葡萄牙击败乌拉圭的比赛进行到第54分钟时，B费传中后C罗做出头球动作成功破门，C罗也在赛场上欢呼，庆祝自己打破了纪录。不过，在赛场的大屏中却显示该进球归属于布鲁诺·费尔南德斯。

在比赛结束后，C罗还在更衣室中向皮尔斯·摩根（知名主持人）发了短信，声称他确实碰到了布鲁诺·费尔南德斯的传球来打开得分。然而，国际足联官方用球制造商阿迪达斯透露，官方用球内的高精度传感器数据表明C罗在进球过程中没有触球，该进球归属于B费。

传感器图像没有“心跳”，C罗确实未碰到球

在阿根廷队1：2不敌沙特阿拉伯的比赛中，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）技术以来单场越位次数新高。这场比赛之后，大部分球迷都开始了解到VAR（视频助力裁判）技术，不少媒体也介绍了半自动越位判罚技术（SAOT）的作用。除此之外，在本届世界杯上，每个比赛用球内部的中央都有CTR－CORE，即在足球内部植入一枚中央芯片，虽然类似的技术在篮球、网球等运动中已早有使用，不过这还是第一次被用在足球上。

通常，足球的重量约为400克，踢球时的球速约为60-120公里／小时，若取80公里/小时的球速来计算，其撞击力相当于120公斤左右。对于顶级球员的射门动作来说，其产生撞击力可达200公斤，而世界上某位杰出运动员的一脚有力射门，撞击力更是高达1200公斤。在这种情况下，保持芯片在足球中的稳定就变得非常重要。

为了让足球具有优异的抗震性能，世界杯官方指定用球“Al Rihla”内胆中新的悬挂系统使用了多个连接柱，将芯片固定在球体中心的囊壳中，从而保证了球的平衡性不受影响。同时，该悬挂系统还搭载了内置的运动传感器 ，使这项技术对球员来说不易察觉，也不会影响其任何运动表现。据称，这款设备重14克，实际上是由两个同时工作的独立传感器集成而成，其中之一就是超宽带（UWB）传感器 ，可以跟踪和获取足球精确的位置数据，也可以将数据实时传输至后台系统中。而在本次判断C罗头部是否触碰到足球的过程中发挥作用的则是惯性测量单元（IMU）传感器，用来探测足球细微运动。

据称，这也是世界杯官方比赛用球内有史以来最精确的运动传感器，通过使用UWB传感器获取位置数据、IMU传感器获得精细的三维运动数据，保证了足球关键数据的采集，使得在比赛的任何时刻，当足球被踢、被顶、被扔，甚至轻击时，传感器都会以每秒500次的速度获取相关数据，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。

球内的IMU传感器将能够自动收集非常准确的足球运动数据，记录球员触球的时间，而每秒500次的频率，意味着每次数据收集间隔仅为2毫秒，极大的提升了足球状态和轨迹的精确度，可以在数秒内将比赛期间收集到的高精度的运动数据发送到视频助理裁判的画面中，以帮助主裁判作出更合理的判罚决定。

从上图左下角可以看出，当B费脚部碰到球时，IMU传感器的图像有了明显的波形变化 。在阿迪达斯的官方声明中，其表示球内的500Hz的IMU传感器使分析能够非常准确。在葡萄牙和乌拉圭的比赛中，通过使用阿迪达斯官方比赛球中的互联球技术，阿迪达斯称其通过IMU传感器测量和所附的图形中缺乏“心跳”，无法测量到球上所受到的外部力，这也明确显示C罗在比赛中的首个进球中并没有真正接触到球。

让C罗“空欢喜”一场的IMU传感器是什么

IMU是惯性运动单元（InerTIal measurement unit）的缩写，而惯性传感器则是用来检测物体的旋转运动（或角速率）及加速度的装置，可以将物理运动转换成电信号，并通过电子电路进行放大和处理 。其原理是惯性定律，从超小型的MEMS传感器到测量精度非常高的激光陀螺，无论尺寸是只有几个毫米的MEMS传感器，还是直径几近半米的光纤器件采用的都是这一原理。

大多数时候，IMU传感器是由四个基本传感器组成，即加速度计、陀螺仪（角速度计）、磁力仪和光学传感器 ，这四个独立的模块可以产生不同的信号，并通过接口将这些信息传送给处理器。

其中，加速度计用来检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，这对运动分析来说非常重要；陀螺仪可用来确定一个物体在三维空间内的方向，主要测量绕三个轴的角速度，即俯仰（X轴）、滚转（Y轴）和偏航（Z轴），组合连接在一起的多个传感器则可以用来模拟整个身体的运动；磁力计有助于定向，可用于校准并将数据定向到正确的位置，它不像其他两个传感器那么重要，但是它们添加了适合户外运动的另一层数据。

而陀螺仪和加速度计，是IMU传感器最核心的部分，也是影响惯性系统性能的主要因素。 尤其是陀螺仪其漂移对惯导系统的位置误差增长的影响是时间的三次方函数，而高精度的陀螺仪制造困难，成本高昂。通常情况下，IMU传感器由三个方向的加速度计与各个方向陀螺仪组成，“3（加速度计）+3（陀螺仪）”的组合也是目前常见的6轴IMU传感器结构。例如，用户在使用手机玩某些游戏时，通过左右或者前后倾斜手机，即可让球类向着对应的方向移动，这就是手机内置带有三轴加速度计的IMU传感器而产生的效果。

IMU传感器市场广泛，欧美企业更占优势

在足球等运动领域之外，惯性传感器还可以应用在消费电子、智能玩具、汽车电子、工业自动化、智慧农业、医疗器械、仪器仪表、机器人、工程机械、导航系统、卫星通信等众多领域， 如SpaceX等用于全球互联网宽带的卫星星座的兴起，正在推动对卫星惯性传感器的需求达到前所未有的水平，商业火箭的发射器子系统对惯性传感器需求的增长，也进一步提高了市场需求，机器人、物流和自动化系统也比任何时候都更加需要惯性传感器。

去年10月，惯性传感器巨头法国Safran收购了即将上市的挪威陀螺仪传感器和MEMS惯性系统制造商Sensonor，以将其业务范围扩展到基于MEMS的传感器技术和相关应用领域。今年5月时，两家法国公司ECA集团和 iXblue 也已经进入合并前的排他性谈判阶段，这些事件都表明惯性传感器市场还在进一步整合当中。

根据新思界产业研究中心发布的报告显示，在全球惯性传感器市场中，美国、日本及欧洲部分国家处于领先地位，代表性企业包括：德国博世BOSCH、意法半导体（ST）、日本东京电气化学工业株式会社（TDK）、美国霍尼韦尔（Honeywell）、美国亚德诺（ADI）等 。而在我国惯性传感器市场中，博世份额占比最大，达到22.9%；意法半导体其次，占比为21.3%；TDK位居第三，占比为17.8%；霍尼韦尔排名第四，占比为16.5%。这四大厂商合计市场份额占比达到78.5%，由此可以看出，我国惯性传感器市场集中度高，本土企业处于竞争劣势地位，市场份额占比小。不过，随着惯性传感器的应用方式和应用范围的丰富，未来全球惯性传感器市场还将持续增长，国内企业或许能够打破国外巨头的垄断，打破惯性传感器市场的现有格局。

写在最后

对于IMU传感器对C罗头球的判断结果，很多网友都表示不论是否碰到了球，C罗都功不可没，没有他的牵制，守门员很可能会击出甚至没收此球。

比赛进行到现在的时刻，这场耗资2200亿美元、充满黑科技的卡塔尔世界杯，已经让人们领略到了智能感知时代的魅力。未来，随着传感器、人工智能、物联网、大数据等的快速发展与落地应用，生产、生活等方面都将更加智能和高效。在此过程中，不断突破创新的IMU等各类传感器件也将助力产业链进一步蓬勃发展。

参考资料：

1.《阿迪达斯推出采用联网技术的FIFA世界杯官方比赛用球》，腾讯网

2.《卡塔尔世界杯高科技足球的高精定位，原来是靠UWB！》，物联网智库

3.《惯性传感器市场规模持续扩大 国外企业处于主导地位》，新思界

高精度低能耗—国外标杆IMU分析

惯性传感器是MEMS市场重要的产品类型，主要包括加速度计、陀螺仪和磁力计，MEMS传感器广泛应用于物联网中的各个领域。随着在生活领域应用的不断丰富，传感器感测多个物理信号的功能需求也变得越来越多。

如今，由分立的惯性传感器组合成的三轴、六轴、九轴IMU，将加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等MEMS器件集成在一起，以满足生产厂商更小体积、更低成本的要求，同时赋予用户更丰富的使用体验。

博世BMI系列

博世在消费类IMU领域可以算得上行业领导者。旗下BMI系列IMU已经从BMI055到BMI270迭代了多个版本，适用于多种不同应用场景。

（BMI270，图源：博世官网）

BMI270是博世针对可穿戴设备优化的IMU，主打的是超低功耗。优化主要针对可穿戴设备上直观的活动和手势识别。这一款6轴的传感器结合了16位三轴陀螺仪和16位三轴加速度计，沿用了博世久经考验的陀螺仪技术，拥有极低漂移和低噪声。

在这款IMU中，加速度计的零重力偏移为±20毫克，陀螺仪的零重力偏移在±0.5dps间。BMI270是业界首个采用静止CRT功能的自校准陀螺仪，通过补偿ems典型的焊接漂移，确保焊接后的灵敏度误差降至±0.4%。

BMI270能在不唤醒主系统处理器的情况下，独立处理活动跟踪、计步和手势识别等多个功能。这些独立于处理器的功能包括在达到一定步数时发送中断信号。BMI270主打的超低功耗，在强大且准确的手势和活动识别功能下电流消耗仅为30μA。

TDK ICM系列

TDK的IMU分为由3轴加速度传感器和3轴陀螺仪构成的6轴IMU、进一步组合气压传感器的7轴IMU、再组合3轴罗盘的9轴IMU。TDK旗下IMU产品以相对精度、传感器吞吐量和温度稳定性著称。

以ICM-20602为例，该系列是组合了3轴陀螺仪和3轴加速计的6轴IMU，同时内置16Bit ADC。ICM-20602具有±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps可编程FSR的三轴陀螺仪以及可编程FSR为±2g、±4g、±8g和±16g的三轴加速度计。

ICM-20602工作电路

该IMU陀螺仪灵敏度误差范围在±1%，陀螺仪噪声仅为±4mdps/√Hz，而加速度计的噪声在±100μg/√Hz，在灵敏度误差范围上TDK表现得一如既往的稳定。同时该系列允许系统处理器通过读取传感器数据然后进入低功耗模式来降低功耗。另外，该设备通过支持20000g shock提供了高鲁棒性。

这一系列的IMU通过TDK专利CMOS-MEMS制造平台（通过晶片级键合将MEMS晶片与配套CMOS电子器件集成），将封装尺寸降低至3mm x3mm x0.75mm（16-pin LGA），在高性能低成本上是较为领先的。

意法半导体 LSM系列

以LSM系列里LSM6DSL来做分析。

LSM6DSL各种传感元件采用专门的微机械加工工艺制造，而IC接口则采用CMOS技术开发。该技术允许设计专用电路，经过修整以更好地匹配传感元件的特性。LSM6DSL的满标度加速度范围为±2/±4/±8/±16 g，角速率范围为±125/±250/±500/±1000/±2000 dps，这一类行业标准指标各厂商区别不大。

（ST LSM和ISM系列，图源：ST官网）

在该系列公开参数中，该模块能在高性能模式下以0.65 mA电流低功耗运行，正常模式下则为0.4 mA。对比上文的BMI270，好像看上去LSM6DSL功耗会略大，但值得注意的是，LSM6DSL提到了陀螺仪和加速度计低耗“Always-on” 这个概念，即该系列的陀螺仪和加速度计会常驻低耗状态。

在节电设计上ST不得不说下了不少苦功，设计了iNEMO 惯性模块，即在IMU中内嵌了机器学习内核。MLC运行一个传感器内置的分类引擎，卸载主处理器的负荷以运行不同的任务，或者让主处理器进入睡眠状态以节电，同时内置的传感器可以识别运动数据。ST始终保持着同类IMU最佳功耗水平。

从国际一流的IMU厂商旗下的产品来看，基于MEMS加工工艺的IMU技术将向高度集成化方向、高性能方向、高组合化方向和低能耗方向发展。

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