體育與TDK：使足球運(yùn)動(dòng)越來越狂熱的VAR系統(tǒng)和傳感器技術(shù)

足球是一項(xiàng)受歡迎的運(yùn)動(dòng)，在世界范圍內(nèi)擁有著非常多的運(yùn)動(dòng)員和觀眾。由FIFA (國際足球聯(lián)合會(huì)) 主辦的世界杯每4年舉辦一次，是全球32支球隊(duì) (2026年48支球隊(duì)) 聚集在一起，角逐足球冠軍的大賽。在近1個(gè)月的時(shí)間里，將會(huì)展開小組賽和決賽的激烈爭奪，整個(gè)世界都將為之振奮。

近年來，DX (數(shù)字化轉(zhuǎn)型) 之風(fēng)也吹到了體育界。除了用于判斷犯規(guī)等視頻的VAR (視頻助手參考) 系統(tǒng)之外，從2022年卡塔爾世界杯開始，還引入了利用跟蹤攝像頭和球內(nèi)傳感器的半自動(dòng)越位技術(shù)。

在2022年的卡塔爾世界杯上，VAR系統(tǒng)的力量淋漓盡致地體現(xiàn)在了日本對陣西班牙的小組賽中。VAR是視頻助理裁判的縮寫，它是一個(gè)視頻判斷系統(tǒng)，通過安裝在體育場屋頂附近的12個(gè)跟蹤攝像機(jī)和球場周圍的許多超慢攝像機(jī)獲得圖像。在日本對陣西班牙的比賽中，日本的Kaoru Mitoma在球門線上將球折回，由Tanaka Ao將其推入球門，日本隊(duì)以2:1從強(qiáng)大的西班牙隊(duì)奪取了寶貴的勝利，進(jìn)入了最后的決賽淘汰賽。Kaoru Mitoma折回的球，目視看起來像是打破了球門線。然而，從VAR系統(tǒng)的圖像來看，雖然只有大約1毫米，但事實(shí)證明它的確在線內(nèi)，并且通過裁判的確認(rèn)計(jì)為分?jǐn)?shù)。

每秒跟蹤球和球員的位置50次

除此之外，在球場周圍布置了許多相機(jī)，例如超慢速相機(jī)

VAR系統(tǒng)是從2018年俄羅斯世界杯開始引入的，但在2022年卡塔爾世界杯上增加了半自動(dòng)越位技術(shù)以支持VAR系統(tǒng)。所謂越位，就是攻擊方在接到傳球的選手的位置和對方球門之間，需要對方球隊(duì)的選手包括守門員在內(nèi)有2人以上的規(guī)則。助理裁判需要不斷地檢查攻防最前線的越位線和傳球路線，判斷非常困難。而半自動(dòng)越位技術(shù)是作為該問題的解決方案引入的。這是一個(gè)在球的中心內(nèi)置一個(gè)小型IMU (慣性測量單元) 的系統(tǒng)，并且與VAR的跟蹤攝像機(jī)配合來判斷越位。

半自動(dòng)越位技術(shù)跟蹤攝像機(jī)檢測球和球員的位置信息

通過IMU檢測踢出球的時(shí)刻，并通過3D動(dòng)畫判斷越位

IMU是一種慣性傳感器 (慣性傳感器) ，它結(jié)合了加速度傳感器和陀螺儀傳感器 (角速度傳感器) 來檢測運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)，沖擊等。而卡塔爾世界杯的官方用球中就內(nèi)置了采用先進(jìn)MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)) 方法制造的IMU。

這里簡要地解釋一下慣性傳感器的原理。根據(jù)力學(xué)的“慣性定律”，當(dāng)對靜止物體或等速直線運(yùn)動(dòng)的物體施加外力時(shí)，慣性力將作用以保持其原始狀態(tài)。這是因?yàn)楫?dāng)慣性力起作用時(shí)，當(dāng)汽車啟動(dòng)/停止時(shí)，身體會(huì)向后移動(dòng)并向前移動(dòng)。此外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)被添加到移動(dòng)物體時(shí)，慣性力會(huì)保持其原始狀態(tài)。這被稱為“科里奧利力”，其大小與伴隨旋轉(zhuǎn)的角速度 (旋轉(zhuǎn)速度) 成比例。在FIFA官方球每秒500次檢測加速度和角速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到VAR室，并與視頻數(shù)據(jù)協(xié)作以判斷越位。雖然最終是由裁判判斷，是一個(gè)“半自動(dòng)”系統(tǒng)，但據(jù)說這種技術(shù)幾乎消除了傳統(tǒng)目視觀察的錯(cuò)誤判斷。預(yù)計(jì)IMU將來會(huì)用于籃球和橄欖球，并且這一先進(jìn)的傳感技術(shù)似乎大大擴(kuò)展了享受體育比賽的方式。

接下來將為大家解釋基于先進(jìn)MEMS工藝的加速度傳感器和陀螺儀傳感器的原理。MEMS是Micro Electro Mechanical System (微機(jī)電系統(tǒng)) 的縮寫，它是一種應(yīng)用半導(dǎo)體制造的微加工技術(shù)在硅基板 (晶片) 上整體形成傳感器，執(zhí)行器等的可移動(dòng)部分和電路的技術(shù)。

MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀傳感器都具有由硅基板上的彈簧支撐的振子結(jié)構(gòu)。此外，在振子周圍形成梳形可移動(dòng)電極，并且這些結(jié)構(gòu)通過將間隙與梳形固定電極組合而形成。兩者都是稱為電容類型的檢測方法，其應(yīng)用與電容式麥克風(fēng)相同的原理。如下圖所示，當(dāng)在MEMS加速度傳感器上施加加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于慣性力，振子在加速度方向上移動(dòng)，可動(dòng)電極和固定電極之間的距離改變，電容改變，因此檢測出變化并測量加速度的大小。

MEMS陀螺儀傳感器使振子不斷振動(dòng)。當(dāng)向傳感器施加旋轉(zhuǎn)時(shí)，科里奧利力垂直于振動(dòng)體的振動(dòng)方向起作用，可動(dòng)電極和固定電極之間的距離改變，因此根據(jù)其電容的變化測量角速度的大小。

MEMS傳感器內(nèi)置有微小而纖細(xì)的可動(dòng)部，因此在從晶圓切割 (切割) 成芯片時(shí)，如有灰塵等堵塞可動(dòng)部，就會(huì)導(dǎo)致故障。因此，引入了一種稱為WLP (晶片級(jí)封裝) 的技術(shù)，該技術(shù)在制造芯片之前通過在晶片階段密封來保護(hù)可動(dòng)部。WLP技術(shù)有各種方法，但TDK的慣性傳感器采用TDK集團(tuán)公司InvenSense的稱為“Nasiri工藝”的專有方法，通過封裝帶有信號(hào)處理電路的CMOS晶片和帶有傳感器組件的MEMS晶片，將它們電連接在一起并用蓋子覆蓋，消除了引線接合過程。

據(jù)說MEMS傳感器制造成本的一半以上來自封裝和測試。Nasiri工藝是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，可大大減少設(shè)計(jì)，原型設(shè)計(jì)，封裝和測試的時(shí)間和成本，這一直是MEMS傳感器發(fā)展的瓶頸。TDK的慣性傳感器活躍于智能手機(jī)，無人機(jī)，機(jī)器人，汽車等各個(gè)領(lǐng)域。

該產(chǎn)品是一種將MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺傳感器一體化的小型高性能慣性測量單元。TDK提供多種產(chǎn)品陣容，例如由3軸加速度傳感器和3軸陀螺傳感器組成的6軸IMU,組合氣壓傳感器的7軸IMU,組合3軸磁傳感器 (電子羅盤) 的9軸IMU等。

審核編輯：劉清