什么是慣性傳感器它是如何工作的

近些年，關于非法竊取、倒賣消費者隱私信息的事件層出不窮，竊取的方式也不盡相同，APP敏感權限的獲取、智能音箱麥克風收集用戶語音，現(xiàn)在更加高級的是，不需要任何權限，只需要一部手機，甚至是一臺帶慣性傳感器的設備就能竊取到用戶的語音內容。

但是不要害怕，這項非法技術目前還沒有被利用起來，目前僅僅是出現(xiàn)在學術研究階段。在最新一屆“網(wǎng)絡與分布式系統(tǒng)安全會議（NDSS 2020）”上，由浙江大學網(wǎng)絡空間安全學院任奎教授團隊，聯(lián)手加拿大麥吉爾大學、多倫多大學團隊發(fā)表了此研究成果，研究成果顯示智能手機在用戶不知情且無需系統(tǒng)授權就能獲取用戶語音內容（就是經(jīng)常獲取權限的那個彈窗，現(xiàn)在可以直接跳過此步驟，細思極恐）。由于手機的揚聲器和加速度計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內置的加速度傳感器來采集手機揚聲器發(fā)出的震動信號，實現(xiàn)語音竊聽。據(jù)悉，這種竊聽方式的識別率可達90%。最重要的是這種竊聽方式并不違反當前監(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對用戶進行此類的語音竊聽，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（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、三軸組合慣性測量單元（也稱IMU）和AHRS。這里我們著重介紹加速度計和陀螺儀。

加速度計由檢測質量（也稱敏感質量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成，其實就是利用加速度的原理計算物體在空間運動的狀態(tài)，起初加速度計只是感應地表垂直方向加速度，早期也只是應用在檢測飛機過載的儀表系統(tǒng)中。經(jīng)過功能升級、優(yōu)化，現(xiàn)在實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，測量的是物體在空間坐標系中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動性質。

與加速度計測量維度不同，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量空間坐標系中陀螺轉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，即測量物體在X、Y、Z軸上旋轉的數(shù)據(jù)，分別為縱搖、橫搖、垂搖。

最早的陀螺儀都是機械陀螺儀，內置高速旋轉的陀螺，正因為陀螺在萬向支架上能夠保持高速穩(wěn)定旋轉，所以最早陀螺儀是航海中用來辨別方向，確定姿態(tài)以及計算角速度，后來逐漸被應用在飛機儀表上。但是機械式的對加工精度要求很高，還容易受外界震動影響，所以機械陀螺儀的計算精度一直都不高。

這里可以舉一個例子，在二戰(zhàn)期間，德國人做了一個導彈慣性制導系統(tǒng)，這里面就用到了加速度計和陀螺儀，加速度計測量加速度，計算導彈飛行的距離和路線，并用陀螺儀確定導彈方向和角速度，但是由于陀螺儀的精度不夠，德國的導彈本想炸倫敦，結果差點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，光程差的一種）和微機電陀螺儀（即MEMS，它是根據(jù)科里奧利力原理，利用其內部的電容變化計算角速度，微機電陀螺儀在智能手機中最為常見）。

簡單說一下磁力計，磁力計和指南針的原理相似，可以測量物體在地理位置上東南西北四個方向上的具體位置。

通俗來說，加速度計可以判斷物體的運動距離，陀螺儀計算物體旋轉了多少度，磁力計分辨物體的朝向。所以在很多實際應用中，加速度計、陀螺儀以及磁力計都是組合起來使用，最常用的6軸傳感器就是三軸加速度計和三軸陀螺儀，這些統(tǒng)稱為慣性測量單元（IMU）。9軸傳感器通常是指三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計，也有六軸加速度計加三軸陀螺儀，或者是三軸加速度計和六軸陀螺儀。

值得一提的是，物體的運動總共只有6個自由度（DoF），即上面所說的加速度計的3種平移自由度和陀螺儀的3種旋轉自由度，所以現(xiàn)在有些廠商吹噓說自家產(chǎn)品能測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技術的應用，IMU的成本也下降了不少，目前應用相當廣泛，絕大多數(shù)人都要用到，小到手機、汽車，大到飛機、導彈、宇宙飛船。也正是上面提到的精度不同，應用領域不同，同時成本也相差較大，如下圖所示。

在如此廣泛的應用中，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技術的IMU的安全性也是至關重要的。此前ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品總監(jiān)趙延輝表示，慣性導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航因為自動駕駛、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，在信號不好的情況下，導航的位置會發(fā)生飄逸，大致也就2.5-5m左右，有人會說大不了走錯道或者走彎路。這并沒有問題，但是仔細想想如果應用在自動駕駛上，這樣的導航可能會帶來更為嚴重的后果。

所以目前，自動駕駛領域的定位主流方案是將GPS+IMU配合使用，理論上是GPS對車輛進行大致定位，再由IMU組成的不受外界干擾的自主導航系統(tǒng)對車輛進行精確矯正。作為自動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，飛機控制系統(tǒng)的相關設計來看，IMU已經(jīng)成為其組成標配。在飛機上傳感器發(fā)生故障時，飛行的穩(wěn)定性會直接受到影響。按照層級來說，如果GPS或者磁力計出現(xiàn)故障，那么飛機可以選擇利用陀螺儀、加速度計等傳感器切換安全層級保障飛行安全。但是，如果IMU里面的陀螺儀數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障，結果只有一個，等著飛機失事。

類似的，在未來自動駕駛控制系統(tǒng)中，一旦最后一道防線IMU出現(xiàn)故障，GPS不出現(xiàn)定位不準情況，還有希望安全駕駛，但是一旦車輛穿越隧道或者信號不好的區(qū)域，那么在GPS和IMU都無法正常工作的情況下，其結果和飛機將如出一轍。

不僅僅是自動駕駛中，IMU在機器人的應用也已經(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確實是應用在日常的方方面面，在自動駕駛、無人機、工業(yè)機器人等領域應用也將會更加深入。屆時，IMU將不僅僅是窺探隱私的隱患，影響的甚至會涉及到生產(chǎn)安全以及生命安全。
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