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- 什么是慣性傳感器它是如何工作的
- 來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)表于 2020/7/14
近些年，關(guān)于非法竊取、倒賣消費(fèi)者隱私信息的事件層出不窮，竊取的方式也不盡相同，APP敏感權(quán)限的獲取、智能音箱麥克風(fēng)收集用戶語音，現(xiàn)在更加高級(jí)的是，不需要任何權(quán)限，只需要一部手機(jī)，甚至是一臺(tái)帶慣性傳感器的設(shè)備就能竊取到用戶的語音內(nèi)容。
但是不要害怕，這項(xiàng)非法技術(shù)目前還沒有被利用起來，目前僅僅是出現(xiàn)在學(xué)術(shù)研究階段。在最新一屆“網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)安全會(huì)議（NDSS 2020）”上，由浙江大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院任奎教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)手加拿大麥吉爾大學(xué)、多倫多大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了此研究成果，研究成果顯示智能手機(jī)在用戶不知情且無需系統(tǒng)授權(quán)就能獲取用戶語音內(nèi)容（就是經(jīng)常獲取權(quán)限的那個(gè)彈窗，現(xiàn)在可以直接跳過此步驟，細(xì)思極恐）。由于手機(jī)的揚(yáng)聲器和加速度計(jì)等傳感器是安裝在統(tǒng)一的主板上，所以可以直接利用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器來采集手機(jī)揚(yáng)聲器發(fā)出的震動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)語音竊聽。據(jù)悉，這種竊聽方式的識(shí)別率可達(dá)90%。最重要的是這種竊聽方式并不違反當(dāng)前監(jiān)管部門的規(guī)定。
什么是慣性傳感器？
不僅是加速度傳感器能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行此類的語音竊聽，同樣歸屬于慣性傳感器的陀螺儀也能利用同樣的手段進(jìn)行隱私攻擊，那何為慣性傳感器，具體如何工作的？
慣性傳感器包括加速度計(jì)（也叫加速度傳感器）和角速度傳感器（也叫陀螺儀），以及它們的單、雙、三軸組合慣性測(cè)量單元（也稱IMU）和AHRS。這里我們著重介紹加速度計(jì)和陀螺儀。
加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量（也稱敏感質(zhì)量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成，其實(shí)就是利用加速度的原理計(jì)算物體在空間運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，起初加速度計(jì)只是感應(yīng)地表垂直方向加速度，早期也只是應(yīng)用在檢測(cè)飛機(jī)過載的儀表系統(tǒng)中。經(jīng)過功能升級(jí)、優(yōu)化，現(xiàn)在實(shí)際上可以感知物體任意方向上的加速度。目前主流的是3軸加速度計(jì)，測(cè)量的是物體在空間坐標(biāo)系中X、Y、Z三軸上的加速度數(shù)據(jù)，可以全面反映物體平移的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。
與加速度計(jì)測(cè)量維度不同，根據(jù)陀螺儀的定義，可以很容易理解到陀螺儀主要是通過測(cè)量空間坐標(biāo)系中陀螺轉(zhuǎn)子的垂直軸與物體之間的夾角，現(xiàn)在的主流陀螺儀也是三軸，即測(cè)量物體在X、Y、Z軸上旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，分別為縱搖、橫搖、垂搖。
最早的陀螺儀都是機(jī)械陀螺儀，內(nèi)置高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，正因?yàn)橥勇菰谌f向支架上能夠保持高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，所以最早陀螺儀是航海中用來辨別方向，確定姿態(tài)以及計(jì)算角速度，后來逐漸被應(yīng)用在飛機(jī)儀表上。但是機(jī)械式的對(duì)加工精度要求很高，還容易受外界震動(dòng)影響，所以機(jī)械陀螺儀的計(jì)算精度一直都不高。
這里可以舉一個(gè)例子，在二戰(zhàn)期間，德國人做了一個(gè)導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，這里面就用到了加速度計(jì)和陀螺儀，加速度計(jì)測(cè)量加速度，計(jì)算導(dǎo)彈飛行的距離和路線，并用陀螺儀確定導(dǎo)彈方向和角速度，但是由于陀螺儀的精度不夠，德國的導(dǎo)彈本想炸倫敦，結(jié)果差點(diǎn)把英國的犄角旮旯都炸了。
言歸正傳，后來為了提升精度和可適用性，陀螺儀的原理已經(jīng)不單單是機(jī)械式的了，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展有激光陀螺儀（光程差原理）、光纖陀螺儀（薩格納克效應(yīng)，光程差的一種）和微機(jī)電陀螺儀（即MEMS，它是根據(jù)科里奧利力原理，利用其內(nèi)部的電容變化計(jì)算角速度，微機(jī)電陀螺儀在智能手機(jī)中最為常見）。
簡(jiǎn)單說一下磁力計(jì)，磁力計(jì)和指南針的原理相似，可以測(cè)量物體在地理位置上東南西北四個(gè)方向上的具體位置。
通俗來說，加速度計(jì)可以判斷物體的運(yùn)動(dòng)距離，陀螺儀計(jì)算物體旋轉(zhuǎn)了多少度，磁力計(jì)分辨物體的朝向。所以在很多實(shí)際應(yīng)用中，加速度計(jì)、陀螺儀以及磁力計(jì)都是組合起來使用，最常用的6軸傳感器就是三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，這些統(tǒng)稱為慣性測(cè)量單元（IMU）。9軸傳感器通常是指三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)，也有六軸加速度計(jì)加三軸陀螺儀，或者是三軸加速度計(jì)和六軸陀螺儀。
值得一提的是，物體的運(yùn)動(dòng)總共只有6個(gè)自由度（DoF），即上面所說的加速度計(jì)的3種平移自由度和陀螺儀的3種旋轉(zhuǎn)自由度，所以現(xiàn)在有些廠商吹噓說自家產(chǎn)品能測(cè)9自由度都是夸大其詞。
隱私安全并不是IMU安全性的唯一話題
由于MEMS技術(shù)的應(yīng)用，IMU的成本也下降了不少，目前應(yīng)用相當(dāng)廣泛，絕大多數(shù)人都要用到，小到手機(jī)、汽車，大到飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛船。也正是上面提到的精度不同，應(yīng)用領(lǐng)域不同，同時(shí)成本也相差較大，如下圖所示。
在如此廣泛的應(yīng)用中，安全性將成為IMU最新的課題之一。不僅是用戶隱私安全，在如今高精度定位需求激增的情況下，使用MEMS技術(shù)的IMU的安全性也是至關(guān)重要的。此前ADI亞太區(qū)微機(jī)電產(chǎn)品總監(jiān)趙延輝表示，慣性導(dǎo)航將成為高精度高行定位的最后一道屏障，那么為什么慣性導(dǎo)航將成為安全的最后一道防線？
最近幾年，高精度定位和高精度導(dǎo)航因?yàn)樽詣?dòng)駕駛、5G商用為人熟知。但是在此之前，衛(wèi)星定位（GPS）才是日常使用的功能，用過的人都知道，在信號(hào)不好的情況下，導(dǎo)航的位置會(huì)發(fā)生飄逸，大致也就2.5-5m左右，有人會(huì)說大不了走錯(cuò)道或者走彎路。這并沒有問題，但是仔細(xì)想想如果應(yīng)用在自動(dòng)駕駛上，這樣的導(dǎo)航可能會(huì)帶來更為嚴(yán)重的后果。
所以目前，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的定位主流方案是將GPS+IMU配合使用，理論上是GPS對(duì)車輛進(jìn)行大致定位，再由IMU組成的不受外界干擾的自主導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行精確矯正。作為自動(dòng)駕駛最后的一道定位門檻，也將是最重要的門檻，IMU的安全性和穩(wěn)定性的重要程度不言而喻。
根據(jù)上一部分介紹，飛機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)來看，IMU已經(jīng)成為其組成標(biāo)配。在飛機(jī)上傳感器發(fā)生故障時(shí)，飛行的穩(wěn)定性會(huì)直接受到影響。按照層級(jí)來說，如果GPS或者磁力計(jì)出現(xiàn)故障，那么飛機(jī)可以選擇利用陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器切換安全層級(jí)保障飛行安全。但是，如果IMU里面的陀螺儀數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障，結(jié)果只有一個(gè)，等著飛機(jī)失事。
類似的，在未來自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)中，一旦最后一道防線IMU出現(xiàn)故障，GPS不出現(xiàn)定位不準(zhǔn)情況，還有希望安全駕駛，但是一旦車輛穿越隧道或者信號(hào)不好的區(qū)域，那么在GPS和IMU都無法正常工作的情況下，其結(jié)果和飛機(jī)將如出一轍。
不僅僅是自動(dòng)駕駛中，IMU在機(jī)器人的應(yīng)用也已經(jīng)較為廣泛，如何保證其IMU在高危工作下，或者人機(jī)協(xié)作狀態(tài)下的安全性也將是未來重要的研究課題。
IMU確實(shí)是應(yīng)用在日常的方方面面，在自動(dòng)駕駛、無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用也將會(huì)更加深入。屆時(shí)，IMU將不僅僅是窺探隱私的隱患，影響的甚至?xí)婕暗缴a(chǎn)安全以及生命安全。
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