卡塔尔世界杯“黑科技”——惯性测量单元（IMU）- 大数跨境

首页

卡塔尔世界杯“黑科技”——惯性测量单元（IMU）

利科夫惯性导航

2022-12-02

导读：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

卡塔尔世界杯

2022年卡塔尔世界杯（FIFA World Cup Qatar 2022）于北京时间11月20日晚22:30在卡塔尔海湾球场正式开幕。

作为2022年最受世界关注的体育盛事，本届世界杯上也出现了众多“黑科技”。

全新革命性用球

半自动越位技术

足球内植入芯片

图片摘自央视网官网

本届世界杯官网用球为“逐梦之旅”（Al Rihla，阿拉伯语意为“旅途”）。“逐梦之旅”配备了阿迪达斯悬挂系统，其中包含一个惯性测量单元（IMU）传感器，可检测到严重的越位事件。该传感器位于球的中心，每秒钟可将球的数据发送到视频操作室500次，从而可非常精确地检测踢球点。

图片摘自FIFA官网

半自动越位技术（SAOT）是视频比赛官员和现场官员的支持工具，帮助他们做出更快、更准确的越位决定。东道主卡塔尔对阵厄瓜多尔的揭幕战中，这一技术就刷了一波存在感。开场仅3分钟，厄瓜多尔就取得进球，然而半自动越位技术判断，此次进球无效。

该技术包括了摄像头、传感器和人工智能软件3个部分。12个位于体育场顶部的摄像头来跟踪球以及每个球员身上的29个数据点。这套系统将利用人工智能来辅助主裁判做出更精准的越位判罚，最大程度降低越位误判情况的出现。

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。

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。

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。

传感器图像没有“心跳”

惯性测量单元（IMU）

通过上述内容，我们会发现这里的“黑科技”主角是惯性测量单元（IMU）。惯性测量单元是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。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。一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

在实际工作中，由于不可避免的各种干扰因素，而导致陀螺仪及加速度计产生误差，从初始对准开始，其导航误差就随时间而增长，尤其是位置误差，这是惯导系统的主要缺点。所以需要利用外部信息进行辅助，实现组合导航，使其有效地减小误差随时间积累的问题。为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器。一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。

IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、航天器的惯性导航设备等。