体育与TDK：使足球运动越来越狂热的VAR系统和传感器技术

足球是一项受欢迎的运动，在世界范围内拥有着非常多的运动员和观众。由FIFA (国际足球联合会) 主办的世界杯每4年举办一次，是全球32支球队 (2026年48支球队) 聚集在一起，角逐足球冠军的大赛。在近1个月的时间里，将会展开小组赛和决赛的激烈争夺，整个世界都将为之振奋。

近年来，DX (数字化转型) 之风也吹到了体育界。除了用于判断犯规等视频的VAR (视频助手参考) 系统之外，从2022年卡塔尔世界杯开始，还引入了利用跟踪摄像头和球内传感器的半自动越位技术。

在2022年的卡塔尔世界杯上，VAR系统的力量淋漓尽致地体现在了日本对阵西班牙的小组赛中。VAR是视频助理裁判的缩写，它是一个视频判断系统，通过安装在体育场屋顶附近的12个跟踪摄像机和球场周围的许多超慢摄像机获得图像。在日本对阵西班牙的比赛中，日本的Kaoru Mitoma在球门线上将球折回，由Tanaka Ao将其推入球门，日本队以2:1从强大的西班牙队夺取了宝贵的胜利，进入了最后的决赛淘汰赛。Kaoru Mitoma折回的球，目视看起来像是打破了球门线。然而，从VAR系统的图像来看，虽然只有大约1毫米，但事实证明它的确在线内，并且通过裁判的确认计为分数。

每秒跟踪球和球员的位置50次

除此之外，在球场周围布置了许多相机，例如超慢速相机

VAR系统是从2018年俄罗斯世界杯开始引入的，但在2022年卡塔尔世界杯上增加了半自动越位技术以支持VAR系统。所谓越位，就是攻击方在接到传球的选手的位置和对方球门之间，需要对方球队的选手包括守门员在内有2人以上的规则。助理裁判需要不断地检查攻防最前线的越位线和传球路线，判断非常困难。而半自动越位技术是作为该问题的解决方案引入的。这是一个在球的中心内置一个小型IMU (惯性测量单元) 的系统，并且与VAR的跟踪摄像机配合来判断越位。

半自动越位技术跟踪摄像机检测球和球员的位置信息

通过IMU检测踢出球的时刻，并通过3D动画判断越位

IMU是一种惯性传感器 (惯性传感器) ，它结合了加速度传感器和陀螺仪传感器 (角速度传感器) 来检测运动，振动，冲击等。而卡塔尔世界杯的官方用球中就内置了采用先进MEMS (微机电系统) 方法制造的IMU。

这里简要地解释一下惯性传感器的原理。根据力学的“惯性定律”，当对静止物体或等速直线运动的物体施加外力时，惯性力将作用以保持其原始状态。这是因为当惯性力起作用时，当汽车启动/停止时，身体会向后移动并向前移动。此外，当旋转被添加到移动物体时，惯性力会保持其原始状态。这被称为“科里奥利力”，其大小与伴随旋转的角速度 (旋转速度) 成比例。在FIFA官方球每秒500次检测加速度和角速度，将数据发送到VAR室，并与视频数据协作以判断越位。虽然最终是由裁判判断，是一个“半自动”系统，但据说这种技术几乎消除了传统目视观察的错误判断。预计IMU将来会用于篮球和橄榄球，并且这一先进的传感技术似乎大大扩展了享受体育比赛的方式。

接下来将为大家解释基于先进MEMS工艺的加速度传感器和陀螺仪传感器的原理。MEMS是Micro Electro Mechanical System (微机电系统) 的缩写，它是一种应用半导体制造的微加工技术在硅基板 (晶片) 上整体形成传感器，执行器等的可移动部分和电路的技术。

MEMS加速度传感器和MEMS陀螺仪传感器都具有由硅基板上的弹簧支撑的振子结构。此外，在振子周围形成梳形可移动电极，并且这些结构通过将间隙与梳形固定电极组合而形成。两者都是称为电容类型的检测方法，其应用与电容式麦克风相同的原理。如下图所示，当在MEMS加速度传感器上施加加速运动时，由于惯性力，振子在加速度方向上移动，可动电极和固定电极之间的距离改变，电容改变，因此检测出变化并测量加速度的大小。

MEMS陀螺仪传感器使振子不断振动。当向传感器施加旋转时，科里奥利力垂直于振动体的振动方向起作用，可动电极和固定电极之间的距离改变，因此根据其电容的变化测量角速度的大小。

MEMS传感器内置有微小而纤细的可动部，因此在从晶圆切割 (切割) 成芯片时，如有灰尘等堵塞可动部，就会导致故障。因此，引入了一种称为WLP (晶片级封装) 的技术，该技术在制造芯片之前通过在晶片阶段密封来保护可动部。WLP技术有各种方法，但TDK的惯性传感器采用TDK集团公司InvenSense的称为“Nasiri工艺”的专有方法，通过封装带有信号处理电路的CMOS晶片和带有传感器组件的MEMS晶片，将它们电连接在一起并用盖子覆盖，消除了引线接合过程。

据说MEMS传感器制造成本的一半以上来自封装和测试。Nasiri工艺是一项创新技术，可大大减少设计，原型设计，封装和测试的时间和成本，这一直是MEMS传感器发展的瓶颈。TDK的惯性传感器活跃于智能手机，无人机，机器人，汽车等各个领域。

该产品是一种将MEMS加速度传感器和MEMS陀螺传感器一体化的小型高性能惯性测量单元。TDK提供多种产品阵容，例如由3轴加速度传感器和3轴陀螺传感器组成的6轴IMU,组合气压传感器的7轴IMU,组合3轴磁传感器 (电子罗盘) 的9轴IMU等。

审核编辑：刘清