Исследование группы ученых из Мичиганского университета и Университета Южной Каролины ставит под сомнение давнее убеждение о том, что программное обеспечение может автоматически доверять аппаратным датчикам, которые поставляют автономным системам информацию, необходимую для принятия решений.

Согласно результатам научной работы, звуковые волны можно использовать для взлома важных датчиков в широком спектре технологических устройств, включая смартфоны, автомобили, медицинскую технику и Интернет вещей.

В этом исследовании изучались инерциальные датчики – емкостные МЭМС-акселерометры, измеряющие изменение скорости объекта в трех измерениях. Команда исследователей использовала точно настроенные акустические сигналы, чтобы обмануть 20 различных моделей акселерометров, регистрирующих движения. Такой подход позволил обнаружить бэкдор, с помощью которого можно было управлять другими элементами системы.

Основы физики аппаратных средств позволили ученым обмануть датчики и заставить их передавать ложную информацию в микропроцессор. Емкостные МЭМС-акселерометры для измерения ускорения регистрируют отклонение инерционной массы. При воздействии силы инерционная масса изменяется, вызывая изменение емкости, которое преобразуется в аналоговый сигнал.

Воздействие звукового давления на чувствительную пружинно-массовую систему может сместить ее, тем самым создавая ложные сигналы ускорения. Эти поддельные сигналы ускорения коррелируют с сигналом акустических помех.

Важно отметить, что резонансная частота пружинно-массовой системы – характеристика того, как она спроектированна на физическом уровне, и для успешного обмана частота акустических помех должна ей соответствовать.

Исследователи провели несколько показательных демонстраций: аудиосигнал из простого динамика за $5 заставил браслет Fitbit показывать тысячи фальшивых шагов. В другом случае включали на смартфоне вредоносный музыкальный файл, и динамик управлял акселерометром другого смартфона, на котором приложение Android «крутило баранку» игрушечного автомобиля. Еще одна музыкальная дорожка вывела из строя акселерометр Samsung Galaxy S5, который вместо графика показаний выводил слово WALNUT (грецкий орех).

Команда исследователей также отмечает, что нарушить поведение акселерометра можно даже в сочетании с видео и музыкой, которые автоматически воспроизводятся с сайтов, вложений электронной почты, получением уведомлений и прочим.

МЭМС-акселерометры уже установлены в тысячи устройств и бытовых приборов. Автономные системы, такие как беспилотные летательные аппараты и автопилоты автомобилей, принимают решения на основе того, что подсказывают их датчики. Если автономные системы не смогут доверять своим чувствам-датчикам, то безопасность и надежность их находится под угрозой. В случае, когда система или устройство использует уязвимый датчик МЭМС для принятия решений, злоумышленники могут использовать их в качестве вектора атаки.

Чтобы добиться такого эффекта, исследователи определили резонансные частоты 20 различных акселерометров пяти производителей. В своих экспериментах они не использовали шумы ниже 110 дБ, но отмечают, что более низкие амплитуды могут также негативно повлиять на различные датчики.

Другие датчики МЭМС, включая гироскопы, также потенциально восприимчивы к звуковой атаке. В ходе своих экспериментов ученые обнаружили дополнительные уязвимости. Так, например, при разработке цифровых низкочастотных фильтров, которые отсеивают самые высокие частоты, а также усилителей, не учитывались проблемы безопасности.

Чтобы защитить датчики от звуковой атаки, необходимо использовать сочетание различных методов, однако существует два основных подхода:

1. Располагать МЭМС-датчики таким образом, чтобы ограничить воздействие звуковых помех. Например, окружить его звукоизоляционным материалом.
2. Развернуть алгоритмы обработки данных, отклоняющих аномально ускоряющиеся сигналы, особенно с частотами, близкими к резонансной частоте датчика МЭМС.

Кроме того, исследователи разработали несколько программных решений, которые могли бы минимизировать уязвимости, и сообщили об этом производителям.

Руководитель исследовательской группы и ведущий автор исследования Кевин Фу (Kevin Fu) ранее занимался исследованием рисков кибербезопасности медицинской техники, в том числе потенциальной угрозы передачи смертельных сердечных ритмов в кардиостимулятор по беспроводной сети.

По его словам, на проведение исследования, направленного на изучение влияния акустических сигналов на технику, их вдохновил случай, когда с помощью музыки были выведены из строя квадрокоптеры. Он добавил, что более ранние работы ученых продемонстрировали успешность DoS-атак, в которых звук используется для отключения акселерометров.

Это не единственное исследование, где безопасность использования акселерометров ставится под сомнение. В 2014 году исследователи в области безопасности из Стэнфордского университета продемонстрировали , как датчик может скрытно использоваться в качестве примитивного микрофона. Еще раньше, в 2011 году, группа из Массачусетского технологического института и Технологического института Джорджии показала , как с помощью акселерометра в смартфоне можно расшифровать примерно 80% всех слов, набранных на клавиатуре компьютера.

8 ответов

Во-первых, вы должны удалить ускорение из-за силы тяжести из данных акселерометра. Тогда это просто вопрос интеграции ускорения для получения скорости. Не забывайте, что ускорение и скорость являются соответственно векторами, а не скалярами, и вам также придется отслеживать поворот телефона в пространстве, чтобы правильно определить ориентацию вектора ускорения относительно вычисленного вектора скорости.

Это будет зависеть от того, что такое ускорение и как долго. Легкое, длительное ускорение может быть измеримым, но любое внезапное увеличение ускорения, за которым следует постоянная скорость, сделает ваши измерения довольно сложными и подвержен ошибкам.

Предполагая постоянное ускорение, формула чрезвычайно проста: a = (V1-V0)/t. Итак, зная время и ускорение и полагая V0 = 0, тогда V1 = a * t

В более реальном мире у вас, вероятно, не будет постоянного ускорения, поэтому вы должны рассчитать Delta V для каждого измерения и добавить все эти изменения скорости, чтобы получить конечную скорость. Всегда считайте, что у вас не будет данных непрерывного ускорения, так что это наиболее осуществимый способ (т.е. Реальные данные и интегральная математическая теория).

В любом случае, даже в наилучшем сценарии, вы получите очень высокий запас ошибки, поэтому я не рекомендую этот подход для любого приложения, которое действительно зависит от реальных скоростей.

Нет ничего другого, кроме как согласиться с разумными аргументами, изложенными во всех замечательных ответах выше, однако, если вы такой прагматичный тип, как я, мне нужно придумать решение, которое работает как-то.

Интеграция ускорения для получения скорости - это неустойчивая проблема, и ваша ошибка будет расходиться через пару секунд или около того. Телефонные акселерометры также не очень точны, что не помогает, и некоторые из них не позволяют легко различать наклон и перевод, и в этом случае у вас действительно проблемы.

Акселерометры в телефоне практически бесполезны для такой задачи. Вам нужны высокоточные акселерометры с очень низким дрейфом - что-то, что выходит за рамки того, что вы найдете в телефоне. В лучшем случае вы можете получить полезные результаты в течение нескольких секунд или, если повезет, в течение минуты или двух, после чего результаты становятся бессмысленными.

Кроме того, вам необходимо иметь трехосный гироскоп, который вы бы использовали для интеграции скорости в правильном направлении. В некоторых телефонах есть гироскопы, но они даже хуже, чем акселерометры, что касается дрейфа и точности.

Одним из полезных приложений может быть использование акселерометров в сочетании с гироскопами или магнитным компасом для заполнения отсутствующих данных из GPS. Каждый раз, когда GPS дает хорошее исправление, reset начальные условия положения, скорости и ориентации и акселерометры будут предоставлять данные до следующего действительного GPS-исправления.

За последние несколько лет широкое распространение по всему миру получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, так называемых МЭМС. Популярность данных устройств обусловлена рядом причин, основными из которых являются простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей. Этим обуславливается их высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в достаточно жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи). Совокупность данных преимуществ побуждает производителей систем для различных сфер применения (от авиа - и автомобилестроения до бытовой техники) использовать в своих разработках те или иные МЭМС-сенсоры.

В данной статье будут рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др. В настоящее время существует достаточно много различных решений по исполнению МЭМС-устройств. В их числе – одноосевой МЭМС-гироскоп с вибрирующим кольцом и трехосевой емкостной МЭМС-акселерометр.

Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Данный кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он способен измерять угловую скорость до ± 1,0 є/с и имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI®.

Режима вывода – аналоговый или цифровой – выбирается пользователем при подключении датчика к какой-либо системной плате. Главной отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации.

Возможны две основные конфигурации гироскопа, одна из них позволяет датчику измерять угловую скорость по оси, перпендикулярной к плоскости системной платы, другая дает возможность определять угловую скорость по оси, параллельной плоскости материнской платы. Сочетание в одном устройстве гироскопов обеих конфигураций позволяет получить инерциальную систему, измеряющую угловую скорость по нескольким осям (любые сочетания тангажа, крена и рысканья летательного аппарата). Размеры датчиков обеих конфигураций и оси измерения угловой скорости приведены на рис.1.

Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов:
- кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
- основание из кремния (Pedestal),
- интегральная микросхема гироскопа (ASIC),
- корпус (Package Base),
- крышка (Lid).

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, которые имеют определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности.

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор

Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм., толщина – 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на 5” пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм. в центре кольца.

Процесс объемного травления кремния и уникальная технология изготовления кольца позволяют получить хорошие геометрические свойства, необходимые для точного баланса и термической стабильности сенсорного кольца. В отличие от других гироскопов здесь нет мелких расхождений, создающих проблемы с интерференцией и трением. Указанные особенности существенно определяют стабильность датчика при колебаниях температуры, вибрации или ударе. Еще одним преимуществом подобной конструкции является ее «врожденный» иммунитет к ошибкам, которые датчики могут выдавать под влиянием ускорения, или «g – чувствительности».

Пленочные приводы и преобразователи прикреплены к верхней поверхности кремниевого кольца по периметру и для получения электроэнергии подключены к связующим контактам в центре концентратора через треки на спицах. Это активирует или «заводит» периметр кольца в рабочий режим вибрации на уровне Cos2и с частотой 22 кГц, определяя радиальное перемещение, которое может осуществляться по причине первичного движения привода либо за счет действия кориолиосовой силы, когда гироскоп вращается относительно его оси чувствительности. Существует одна пара приводов первичного движения, одна пара первичных снимающих преобразователей и две пары вторичных снимающих преобразователей.

Комбинация сенсорной технологии и восьми вторичных снимающих преобразователей улучшает в датчике соотношение «сигнал/шум», что позволяет получать малошумящие устройства с отличными свойствами по угловому случайному дрейфу гироскопа, которые являются ключевыми для применения в сферах инерциальной навигации (например, стабильность наведения камеры или антенны). Описанную схему можно сравнить с камертонной структурой, содержащей бесконечное количество камертонов, интегрированных в единую балансирующую вибрирующую кольцевую конструкцию. Это обеспечивает наиболее высокую стабильность измерения угловой скорости по времени, температуре, вибрациям и ударам для МЕМС-гироскопов данного класса.

Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм., которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3х3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства.

Керамический корпус датчика изготовлен по технологии LCC и представляет из себя многослойную оксидно-алюминиевую конструкцию с внутренними контактными площадками для разварки, соединенными через корпус с наружными контактными площадками посредством многослойных вольфрамовых межсоединений. Аналогичные интегральные межсоединения есть в крышке гироскопа, что обеспечивает размещение чувствительного элемента датчика внутри щита Фарадея и хорошие электромагнитные показатели гироскопа. При этом внутренние и наружные контактные площадки покрыты гальваническим путем слоем никеля и золота.

Корпус включает в себя уплотнительное кольцо, на верхней части которого шовной сваркой приварена металлическая крышка. Сварка произведена электродом сопротивления, что создает полную герметичность конструкции. В отличие от большинства МЭМС-корпусов, доступных сегодня на рынке, при изготовлении корпуса данного устройства используется специально разработанная шовная сварка, при которой исключена возможность образования комочков (брызг) сварки внутри гироскопа. При использовании других технологий сварки сварочные брызги могут попадать на нижние конструкции и негативно влиять на надежность гироскопа за счет воздействия на вибрирующий МЭМС-элемент, особенно в тех местах, где конструкции имеют небольшие зазоры. В корпусе также есть встроенный датчик температуры для обеспечения внешней термокомпенсации.

Принцип действия системы гироскопа

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца.

По периметру кольца равномерно расположены восемь приводов/преобразователей. При этом есть одна пара приводов «первичного движения» и одна пара первичных снимающих преобразователей, расположенных относительно их главных осей (0° и 90°). Две пары вторичных переключающих преобразователей расположены относительно их вторичных осей (45° и 135°). Приводы первичного движения и первичные переключающие преобразователи действуют вместе в замкнутой системе, чтобы возбуждать и контролировать первичную рабочую амплитуду вибрации и частоты (22 кГц).

Вторичные снимающие преобразователи распознают радиальное движение на вторичных осях, величина которого пропорциональна угловой скорости вращения, благодаря которой гироскоп обретает угловую скорость. Преобразователи производят двухполосный сжатый передающий сигнал, демодулирующийся обратно в полосы, ширина которых контролируется пользователем одним простым внешним конденсатором. Это дает пользователю возможность полностью контролировать производительность системы и делает преобразование абсолютно независимым от постоянного напряжения или низкочастотных параметрических условий электроники.

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары).

На рисунке 5 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

В момент, когда датчик находится в выключенном состоянии, в кольце возбуждается движение вдоль его основных осей за счет приводов первичного движения и первичных снимающих преобразователей, воздействуя в замкнутом контуре на систему контроля ASIC. Круглое кольцо принимает в режиме Cos2и эллиптическую форму и вибрирует с частотой 22 кГц. Это показано на Рис.6, на котором гироскоп уже включен, но еще не вращается. На четырех вторичных снимающих узлах расположенных на периметре кольца под углом 45 по отношению к основным осям нет радиального движения.

Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. При этом двухполосный сжатый передающий сигнал демодулируется с учетом основного движения. В итоге получается низкочастотный компонент, который пропорционален угловой скорости.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Рис. 8 Блоковая диаграмма функционирования ASIC-сенсора
Рис. 9 Внешний вид ASIC-гироскопа

Подобные датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5х1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерен широкий диапазон измерения (до 900 градусов/сек), сверхмалый вес 0,08 грамм и высокая стабильность работы.
Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование данных датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличивается. Таким образом, данный вид гироскопов оптимально подходит для использования в ситуации, когда есть ограничения по габаритам, весу и стоимости изделия.

Технические характеристики гироскопа

Параметр	Предельный диапазон значений	Типовая величина
Напряжение питания	2.7 3.6 В	3 В
Диапазон измерения	75, 150, 300, 900 градусов/сек	-
Чувствительность (аналоговый выход)	13.3, 6.7, 3.3, 1.0 мВ/Градус/сек	-
Температурное смещение чувствительности	+/- 3%	+/- 1%
«Ноль» Ѕ напряжения питания - ср. кв. отклонение (температурное отклонение)	+/- 3 градуса/сек	+/- 1,5 градус/сек
Нестабильность ср. кв. погрешности	-	< 40 градус/час
Ширина полосы (ослабление -3 дБ)	> 75 Гц - задается пользователем при использовании внешнего конденсатора	Аналоговый выход до 160 Гц Цифровой выход 150 Гц фикс.
Плотность шума	0.025 градус/сек/корень(Гц)	0,01 градус/сек/корень(Гц)
Случайный временной уход	-	0.28 градусов/корень(час)
Рабочая температура	-40...+85 градусов Цельсия -40 … +100 (при ограниченной работоспособности)	-
Температура хранения	-55 … +125 градусов Цельсия	-
Удары	3500 g в течение до 500 мкс 500 g в течение 1 мс 1 полуволна при включенном 100 g 6 мс при включенном	-
Вибрация	3,5 g в диапазоне 10 Гц - 5 кГц при включенном	-
Время включения	0.5 с	< 0,3 с
Вес	В зависимости от модификации от 0,08 до 0, 12 г.	-
Потребляемый ток	6 мА	4 мА

Емкостной трехосевой МЭМС-акселерометр с цифровым выходом

Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр изготовлен по специальной технологии 3D-МЭМС.

Рис. 10 Оси датчика, по которым проводится измерение ускорения

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Рис. 11 Высокопроизводительный 3-осевой емкостной акселерометр

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рисунке 12.

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату.

Рис. 13 Конструкция корпуса акселерометра

Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. У датчика есть возможность самодиагностики по нескольким сценариям. Он полностью совместим с одно- и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность комбинировать датчики при построении различных сенсорных систем.

Описание технологии «3D-МЭМС»

Понятие «3D-МЭМС» представляет собой инновационное сочетание технологий для формирования кремния в трехмерные структуры, инкапсуляции и контактирования для легкого монтажа и сборки. В результате это обеспечивает высокую точность сенсора, маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Таким образом, усовершенствованный сенсор может быть изготовлен в виде крошечного кусочка кремния, способного измерять ускорение в трех ортогональных направлениях.
Применяя технологию «3D-МЭМС», можно производить оптимизированные структуры для точных датчиков угла наклона, например, для обеспечения механического затухания в акселерометрах с целью использования сенсоров в условиях сильной вибрации и высокоточных альтиметрах. Энергопотребление рассматриваемых акселерометров является крайне низким, что дает им значительное преимущество при использовании в устройствах с батарейным питанием. В то же время при производстве инклинометров, 3D-МЭМС-технология обеспечивает точность уровней лучше одной угловой минуты и отвечает самым высоким требованиям к качеству измерения.

Преимущества технологии «3D-МЭМС»

В качестве преимуществ технологии «3D-МЭМС» можно выделить следующие:
- использование монокристаллического кремния для изготовления МЭМС (идеально упругий материал: нет пластической деформации, выдерживает до 70000g циклов ускорений);
- емкостной принцип действия датчиков (обеспечивает прямое измерение отклонения в зависимости от большого числа вариантов величины зазора между двумя плоскими поверхностями; при этом емкость или заряд на паре пластин зависят от ширины зазора между ними и площади пластины);
- высокий уровень точности и стабильности;
- легкая диагностика при помощи ограниченного числа конденсаторов;
- низкая потребляемая мощность;
- высокая герметичность датчиков (позволяет снизить требования к упаковке; обеспечивает высокую надежность, так как частицы или химические вещества не могут попасть в элемент);
- симметричные структуры элементов (улучшенная стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси; низкая зависимость показаний от температуры; нелинейность обычно ниже 1%; чувствительность по оси обычно не превышает 3%);
- возможность производств датчиков по индивидуальному заказу (получение конкретных уровней чувствительности и частотных характеристик, необходимых заказчику; гибкие двухчиповые решения);
- реальные 3D-структуры (большие защитная масса и емкость обеспечивают высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g; хорошая стабильность по «0» и низкое влияние шума на показания датчика; образование 3D-сенсорных элементов).

Принцип действия емкостного акселерометра

В рассматриваемом типе трехосевых акселерометров принцип определения ускорения достаточно прост и надежен: инерционная масса дает людям возможность ощущать ускорение за счет перемещения в соответствии со вторым Законом Ньютона. Основные элементы акселерометра – тело, пружина и инерционная масса (ИМ). Когда скорость тела сенсора изменяется, ИМ через пружину так же побуждается последовать этим изменениям. Сила, воздействующая на ИМ, является причиной изменения ее движения, поэтому пружина изгибается, и расстояние между телом и ИМ изменяется пропорционально ускорению тела.
Рабочие принципы сенсоров различаются в зависимости о того, по какому принципу определяется движение между телом и ИМ. В емкостном сенсоре тело и ИМ изолированы друг от друга и их емкость или емкостной заряд измеряются. Когда дистанция между ними уменьшается, емкость увеличивается и электрический ток идет по направлению к сенсору. В случае, когда расстояние увеличивается, наблюдается обратная ситуация: сенсор преобразует ускорение тела в электрический ток, заряд или напряжение.
Превосходные характеристики рассматриваемых датчиков основаны на технологии емкостного измерения и хорошо подходят для определения малых изменений в движении. Чувствительный элемент для определения ускорения сделан из монокристального кремния и стекла. Это обеспечивает сенсору исключительную надежность, высокую точность и устойчивость показаний по отношению к воздействию времени и температуры.
Как правило, чувствительный элемент датчика с диапазоном измерений ±1g выдерживает как минимум 50000g ускорений (1g = ускорение, вызванное силой тяжести Земли). Датчик измеряет ускорение, как в положительном, так и в отрицательном направлении, и чувствителен к статическому ускорению и вибрации. «Сердцем» акселерометра является симметричный чувствительный элемент (ЧЭ), изготовленный по технологиям объемной микромеханики, у которого есть два чувствительных конденсатора. Симметрия ЧЭ уменьшает зависимость от температуры и чувствительности по оси и улучшает линейность. Герметичность датчика обеспечивается за счет анодного соединения пластин друг с другом. Это облегчает корпусирование элементов, повышает надежность и позволяет использовать газовое затухание в сенсорном элементе.

Концепция гетерогенной Chip-on-MEMS-интеграции МЭМС-элементов и интегральных микросхем

В ходе производства трехосевого акселерометра применяют новую концепцию гетерогенной интеграции для объединения чувствительного элемента МЭМС и микросхемы (ASIC): «ЧИП-на-МЭМС» или CoM (chip-on-MEMS). Эта концепция основана на комбинации инкапсулированных на уровне пластины 3D-МЭМС-структур, технологии корпусирования на уровне пластины и технологии чипа на пластине. Все указанные процессы уже существуют на протяжении несколько лет. Их комбинация позволяет решать наиболее сложную проблему корпусирования: как экономически эффективно совместить МЭМС-элементы и интегральные микросхемы.
Исходя из описанной концепции, технология включает в себя следующие шаги:
- перераспределение и изоляция слоев на МЭМС пластине,
- нанесение 300 микронных шариков припоя,
- установка на МЭМС-пластину микросхем,
- пассивация зазоров между микросхемами и МЭМС,
- тестирование пластины с МЭМС-устройствами,
- резка пластины,
- финальное тестирование и калибровка сенсоров после резки.

Рис. 14 Симметричный чувствительный элемент емкостного акселерометра
Рис. 15 Схема установки на МЭМС-пластину интегральных микросхем

Таким образом, благодаря е технологии CoM, можно получить полноценное функциональное МЭМС-устройство с размером корпуса по периметру 4х2 мм. и высотой 1 мм. Данная технология полностью готова для производства датчиков, как для небольших партий, так и в промышленных масштабах.

Рис. 16 Некоторые этапы технологии производства акселерометров
Рис. 17 Двухосевая инерциальная система на основе акселерометра

Технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра:

Параметр	Типовая величина
Электропитание	3.3 В
Диапазон измерений	±6 g
Разрешение АЦП	12 бит
AEC-Q	полностью совместимы
Встроенный температурный сенсор	-
Цифровой выход SPI	-
Максимальный удар	20 Kg
Рабочая температура	[-40;+125]С
Полоса пропускания	45…50 Гц
Улучшенная самодиагностика	-
Размер	7.7 х 8.6 х 3.3 мм
Совместимость	с 2 и 1-осевыми датчиками аналогичного типа

Благодаря отличным характеристикам по стабильности и вибрационной надежности рассматриваемые акселерометры могут успешно применяться в следующих сферах:
электронный контроль стабильности движения контролируемого устройства,
система помощи при старте двигателя на подъеме,
электронный стояночный тормоз,
электронная защита от переворачивания,
регулировка подвески,
контроль углов наклона,
встроенные инерциальные системы,
применение в промышленности для различных устройств.

Роль «Русской Ассоциации МЭМС» в развитии технологий производства сенсорных систем в России

Из большого количества возможных вариантов было рассмотрено только два типа МЭМС-датчиков. В настоящий момент существует множество способов производства и применения микроэлектромеханических сенсоров, и многие компаний по всему миру серьезно занимаются разработкой дизайна и технологий изготовления различных сенсорных устройств, в том числе на основе МЭМС.
«Русская Ассоциация МЭМС» (далее Ассоциация. прим.авт.) установила хорошие партнерские отношения с рядом ведущих российских и зарубежных разработчиков-производителей МЭМС-датчиков различного назначения. Среди них можно отметить некоторые немецкие предприятия, входящие в состав Ассоциации Silicon Saxony e.V., институт Fraunhofer, корпорации Honeywell International Inc. и Analog Devices Inc. (США), Московский государственный институт электронной техники (МИЭТ), a так же ряд компаний расположенных в разных странах мира. Благодаря контактам такого уровня у Ассоциации есть доступ к современным микросистемным технологиям, что дает ей возможность совместно с партнерами организовывать в России работу по следующим направлениям:
1) выработка рекомендаций для заказчиков по применению тех или иных сенсоров мировых производителей при производстве российских систем;
2) поставка различных датчиков (на базе МЭМС и других принципах) для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей (компас);
3) доработка различных сенсорных компонентов известных мировых производителей под требования заказчика (изменение в ту или иную сторону диапазона измерений, функциональных характеристик и т.д.) с дальнейшим производством доработанных датчиков на «родном» заводе-изготовителе;
4) организация проведения программы испытаний сенсорной ЭКБ в одном из российских или зарубежных Сертификационных центров с выдачей Сертификата установленного образца;
5) организация разработки и изготовления под индивидуальные требования заказчика сенсорных систем, включающих различные датчики (на базе МЭМС и других принципах), для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей и др. (как сами системы, так и датчики, могут быть доработаны и сертифицированы в России, если заказчику необходимо, что бы изделия имели российское происхождение.
6) Предложение отечественным разработчикам и производителям технологий производства современных МЭМС сенсоров (акселерометров, гироскопов, инклинометров, датчиков давления, вибрации и др.) для внедрения на российском производстве и изготовления полностью российского сенсорного продукта;
7) Обучение специалистов российских предприятий по вопросам проектирования, разработки и производства МЭМС-сенсоров. К учебному процессу привлекаются ведущие российские и зарубежные специалисты в этой сфере.
В качестве положительного примера научно-коммерческой кооперации Ассоциации и одного их российских предприятий можно привести двухосевую инерциальную измерительную систему, созданную на базе МЭМС-акселерометра. В настоящий момент разработан и изготовлен действующий прототип сенсорной системы начального уровня. Изготовленный прототип системы в качестве чувствительного элемента содержит в себе микроструктуры с воздушным зазором, обладает высокими чувствительностью и соотношением «сигнал/шум», низкой чувствительностью к помехам, хорошей температурной стабильностью.
Подобную инерциальную систему в совокупности с другими компонентами и датчиками уже можно применять в автомобильной промышленности (срабатывание подушек безопасности и др.), для диагностики рельсового пути (контроль угла наклона), в системах навигации (измерение рысканья, крена и тангажа летального аппарата), контроль угла наклона трубопроводов и в других сферах. Изготовленное изделие обладает базовой конфигурацией с начальными характеристиками и может быть доработано в соответствии с требованиями Заказчика (диапазон измерений, уровень чувствительности и т.д.), а также проведено через программу испытаний в России с выдачей государственного сертификата установленного образца и представлено в виде готового изделия, но уже российского происхождения. Таким образом, у российского партнера появляется возможность существенно расширить свою рыночную долю за счет предложения потребителям систем и устройств, состоящих из современных сенсоров (МЭМС-акселерометры, гироскопы и др.), имеющих российское происхождение.

При написании статьи были использованы информационные материалы о продуктах компаний Silicon Sensing (Англия) и VTI Technologies (Финляндия).

Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив

Отслеживание движений тела человека - это задача, которая с переменным успехом решается уже не одну тысячу лет. Когда-то я читал историю об одном древнегреческом ораторе Демосфене, у которого была нехорошая привычка поднимать плечо до уха, если он нервничал. Чтобы избавиться от этого, во время ежедневных тренировок он вешал над плечом свой меч, который очень неприятно колол, если плечо поднималось. В итоге оратор стал настолько знаменитым, что про него даже есть статья в Википедии.

Другой хороший пример многие видели в фильмах про китайские боевые искусства. Например, кунг-фу панда сильно растопыривал локти во время выполнения приемов. Чтобы отследить этот момент он подкладывал лопухи в зону подмышек. Лопух падает - ученик получает нагоняй от мастера. Наверняка некоторым из нас родители обещали прикрутить палку к спине, если мы сутулились. Правда, эти угрозы никогда не выполнялись и поэтому действовали не очень убедительно.

Очень часто отслеживание движений требуется во время спортивных тренировок. Например, можно найти патент US3820783 , в котором описывается тренажерное устройство, которое одновременно направляет спортсмена и не дает ему двигаться неправильно.

Схема установки из патента US 3820783

Регистрация движения с помощью видеосъемки

В середине 70-х годов появились системы, которые обрабатывали видеозапись движений, сделанную с нескольких точек. В результате появлялась математическая модель того или иного движения. Если посмотреть видео о том, как снимался фильм «Властелин колец», можно увидеть интересные эпизоды съемок движений Горлума. Двигался на самом деле человек в специальном костюме, а потом с помощью умного математического аппарата и программного обеспечения получился симпатичный лысенький персонаж.

Видеофиксация движений имеет очевидные достоинства, но так как я хочу в этой статье описать альтернативное решение, то позволю себе немного покритиковать и приведу недостатки:

• видеосъемку нужно вести с нескольких ракурсов;
• зачастую требуется размещение маркеров на теле;
• необходимо дорогостоящее аппаратное обеспечение (видеокамеры);
• нужны хорошие вычислительные мощности и соответствующий программный продукт для преобразования видео в модель движения человека;
• человек не может двигаться свободно на большие расстояния, иначе он неминуемо выйдет за пределы зоны видеосъемки;
• кроме объекта измерения нужен коллектив специалистов, то есть записать движение тела на утренней пробежке рядовому пользователю наврядли удастся.

Измерение движений очень полезная штука не только в спорте. Применяется она также в промышленном проектировании - при разработке автомобилей, конвейеров, швейных машинок и многого другого. Такие системы уже существуют, например у фирмы Siemens - Jack (Human Simulation and Ergonomics). Как узнать, будет ли удобно водителю наживать кнопку включения кондиционера в проектируемом автомобиле? Можно, конечно, изготовить автомобиль, посадить человека и проверить. Но гораздо проще посадить виртуального человека в виртуальный автомобиль. Виртуальный автомобиль уже есть, так как все современные чертежные системы предусматривают разработку 3D моделей. Осталось только привязать движения модели человека к движениям его реального прототипа. Это можно сделать с помощью все той же видеофиксации движений или с помощью способа, о котором речь пойдет ниже.

Умная одежда

В этой статье хочу рассказать от том, как было бы замечательно, если бы можно было измерять движения, не ограничивая себя рамками съемочной площадки. Например, если бы измерительные функции были встроены в одежду. Вы ходите, бегаете, прыгаете, а одежда все записывает и потом воспроизводит ваши движения на экране смартфона, дает рекомендации и подсказывает, как бегать и не травмировать колени, сидеть и не сутулится, как правильно и без травм крутить педали на велосипеде.

Оказывается, наука и техника уже предоставляют такие возможности. Конечно, речь пока не идет об умной повседневной одежде, но уже есть специальные костюмы, состоящие из носимых датчиков, которые на весьма неплохом уровне записывают движения тела. Такие костюмы делает фирма XSENS . Стоят они недешево, но по мере того как в каждой семье появляются десятки единиц вычислительной техники, дешевеют микросхемы и все больше становится интеллектуальных портативных систем. Мы семимильными шагами идем к светлому будущему. Не вдаваясь глубоко в технические подробности попробую рассказать, как же происходит запись движений, опишу работу и принцип действия основных узлов системы измерения движений на основе электронно-механических датчиков.

МЭМС

По мере развития микроэлектроники появляются различные миниатюрные датчики. Отдельная группа таких датчиков называется МЭМС – микро электромеханические сенсоры. Для измерения движений применяются датчики ускорения – акселерометры и датчики угловой скорости – гироскопы. Акселерометр представляет собой миниатюрный чувствительный элемент изменяющий свои свойства под действием ускорения. Это может быть пьезоэлектрический сенсор или элемент переменной емкости – конденсатор с подвижной обкладкой. Пьезоэлектрический сенсор вырабатывает небольшое напряжение на своих электродах, которое может быть измерено и пересчитано в ускорение. Похожим образом обстоят дела с емкостью переменного конденсатора.

МЭМС гироскоп чаще всего использует в конструкции действие силы Кориолиса, которая отклоняет вибрирующую пластинку, величина отклонения регистрируется и преобразуется в угловую скорость.

Как мы знаем из курса физики и математики, любой вектор может быть разложен на составляющие вектора. Так, например, ускорение и скорость раскладываются на взаимно-перпендикулярные составляющие: X, Y, Z. Чувствительные элементы МЭМС измеряют ускорение и скорость отдельно вдоль каждого из этих векторов.

Важно отметить, что сейчас встречаются микросхемы, которые содержат в себе сразу несколько МЭМС датчиков.

Например, микросхема МЭМС акселерометра производит измерение ускорения сразу по трем осям x, y, z. Это же касается и микросхем гироскопов, которые могут измерять угловую скорость сразу по всем трем осям. Встречаются даже микросхемы, которые одновременно измеряют и ускорение и скорость. Такие датчики называют шестикоординатными.

МЭМС - контроллер

МЭМС датчики, как правило, оснащаются встроенным контроллером, который производит расчет ускорения или угловой скорости, обеспечивает цифровую фильтрацию и конфигурирование микросхемы.

Данные внутри контроллера хранятся в специальных ячейках памяти, называемых регистрами. Они представлены в формате integer со знаком. Единица измерения, как правило, g [ускорение свободного падения – 9,8 м/c2] для акселерометров и рад/с [радиан в секунду] для гироскопов. Описание формата данных, адреса регистров, единицы измерения, диапазоны измерения и другие параметры всегда приведены в документации на соответствующую микросхему.

Также контроллер обеспечивает связь МЭМС датчика с внешним миром по одному из распространенных интерфейсов. Как правило, это SPI или I2C. SPI - это интерфейс с двумя линиями данных и одной линией тактирования. I2C - это интерфейс с одной линией данных и одной линией тактирования. Нам в принципе нужно знать только, что передавать данные от МЭМС датчика легко и приятно, для этого есть стандартизованные распространённые интерфейсы и готовые библиотеки.

Компьютер, планшет или смартфон не имеют доступных для пользователя интерфейсов SPI или I2C, поэтому, чтобы подключить датчик к ним, необходимо еще какое-нибудь согласующее устройство. Это может быть, например, микроконтроллер, соединенный с радиопередатчиком стандарта Bluetooth. На буферный микроконтроллер, как правило, возлагаются обязанности по предварительной обработке данных, для того чтобы снизить нагрузку на канал связи.

Вообще говоря, выбор канала связи - это отдельная большая задача. Конечно, этот канал желательно должен быть беспроводным, но какую из беспроводных технологий выбрать? Стандарты связи диапазона 2,4ГГц, такие как Bluetooth или WiFi, хороши тем, что поддерживаются большинством пользовательских устройств. Но с другой стороны они ограничивают дальность связи из-за малой длины волны. Конечно, есть радиомодули Bluetooth с заявленной дальностью около километра, но не будем обольщаться, ведь законы физики никто не отменял, и такую дальность можно получить только при условиях прямой видимости и достаточной высоты датчики над поверхностью земли. Важно определиться с моделью измерения и обработки данных. Одно дело, когда все вычисления производятся на смартфоне, который лежит в кармане у человека, и совсем другое дело, когда вычислительная машина стоит на расстоянии десятков метров на столе у тренера/оператора. Это больше вопрос маркетинга и выбора целевой аудитории комплекса измерения движений. Отмечу только, что в любом случае задача передать данные по назначению может быть решена и для этого есть специализированные аппаратно - программные решения.

Модель тела человека

Пусть данные все-таки дошли по назначению и начинается их обработка. Для проведения расчетов и визуализации движений нам просто необходима математическая модель тела человека. Такая модель должна безусловно учитывать различные длины рук, ног, обхваты талии, груди, то есть различные антропометрические особенности людей. Возможно, такая модель должна также учитывать внутреннее строение организма. Чем сложнее модель, тем труднее, дороже и дольше ее создание. Я лично считаю что модель должна содержать только те элементы, на которые можно надеть чувствительный элемент. То есть если речь идет о руке, то целесообразно составлять ее модель из следующих частей:

• плечо;
• предплечье;
• кисть;
• пальцы;

Строить модель с учетом всего множества косточек, мышц и сухожилий нецелесообразно. В качестве простейшей модели одной части тела может выступить конус. Это простая геометрическая фигура, которую без проблем можно реализовать в любой графической среде и которая не потребует много ресурсов, что особенно актуально для мобильных платформ. Собственно, объемная форма конуса используется для визуализации модели, а вектор, совпадающий с продольной осью симметрии, используется для различных расчетов. Различные длины нижней и верхней окружностей конуса легко моделируют отличия в диаметрах, например, бедра сверху и в районе колена.

Конус, как элемент модели тела человека

Полная модель тела человека составленная из конусов

Согласитесь, что модель выглядит довольно узнаваемо. Эта модель была построена в среде Microsoft XNA, для отрисовки конуса использованы библиотеки Primitives3D , найденные на просторах интернета. Для расстановки элементов модели используется математический аппарат матричных вычислений среды XNA.

Немного о вычислениях

Пространство, в котором расположена модель, называется мировым пространством. Чтобы перемещать элементы модели в мировом пространстве необходимо составлять матрицы перемещения, чтобы поворачивать необходимы матрицы поворота. Вообще говоря, это одни и те же матрицы, только для различных целей в них используются различные ячейки.

Структура матрицы в среде XNA

Элементы, выделенные красным цветом, отвечают за поворот, элементы выделенные синим за перемещение, а черные элементы нужны для соблюдения размерности 4х4. Чтобы создать матрицу перемещения, используется метод:

Matrix.CreateTranslation(vector3)
Который в качестве параметра принимает радиус-вектор требуемого положения точки. Чтобы разместить все элементы тела, нужно для каждого из них составить матрицу перемещения, назовем такую матрицу fBaseWorldi.

Все, что касается движения 3D моделей, прекрасно известно разработчикам компьютерных игр и другим специалистам, работающим в области компьютерной 3D графики.

Мы же перейдем к самому интересному, а именно как же связать измерения угловой скорости и ускорения с положением модели на экране. Положение тела в пространстве может быть задано с помощью углов Эйлера, матриц перемещения и поворота, или с помощью кватернионов. Немало копий сломано в спорах о том, какой же из способов выбрать. Я пользуюсь представлением положения в виде . От одного способа к другому легко можно перейти с помощью известных математических преобразований.

Кватернион - это набор из четырех чисел, задающих в пространстве ось, вокруг которой нужно повернуть тело и угол поворота. Кватернион записывается в виде:

Q = ,
где W – это косинус половинного угла поворота; X,Y,Z – координаты оси поворота.

Кватернион предпочтительнее матриц поворота, так как матрица содержит 16 чисел, а кватернион только 4, что очевидно экономит время передачи данных и не так сильно загружает канал связи.

Внимательный читатель справедливо может возразить, что кватернион позволяет описать только вращательное движение, а как же быть с поступательным? Дело в том, что предлагаемый метод предназначен для регистрации движений без привязки к окружающей местности. А все движения человека можно построить за счет одних только вращений.

Действительно, наше тело практически не подвержено чистым (без вращения) растяжениям и сжатиям. Например, чтобы линейно переместить кисть вперед или назад, вверх или вниз, придется совершить вращательное движения предплечья в локтевом суставе или плеча в плечевом.

Осталось дело за малым, преобразовать ускорение и угловую скорость в кватернионы. Математический аппарат, который производит такие преобразования составляет святую святых фирм производящих системы измерения движений. Этот аппарат в целом известен, в интернете можно найти даже исходные коды (), но как обычно все сложности кроются в деталях. Поэтому не удивляйтесь, если измерения движения будут содержать ошибки положения. Это связано с ошибками в показаниях датчиков, которые интегрируются и значительно влияют на результат. Также свою долю неточностей вносят ошибки расположения датчиков на теле человека. Неплохое решение предоставляет фирма производитель МЭМС-чипов Invensense, они производят микросхемы, в которые можно загрузить ими же поставляемую библиотеку производящую вычисления. В ранних версиях библиотека представляла собой коды, написанные на С, которые выполнялись на стороннем микроконтроллере. Теперь библиотека – это массив шестнадцатеричных чисел, которые нужно загрузить в микросхему МЭМС после подачи на нее питания. Подобное решение предоставляют и другие фирмы, например Microchip .

После того, как мы рассчитали положение части тела и выразили его в виде кватерниона, необходимо из показаний, относящихся к отдельным частям тела, составить общую модель. Тут-то и пригодится среда XNA и код Primitives3D. Используемая библиотека Primitives3D для перемещения или поворота использует данные в матричном представлении. Поэтому чтобы преобразовать полученные от датчиков кватернионы необходимо воспользоваться встроенной в XNA функцией:

Matrix.CreateFromQuaternion(qi)
где qi – это кватернион от датчика.

Затем нужно обязательно перенести повернутую часть тела из начала координат в соответствующую точку, где она должна находится, предплечье например «крепится» к локтю. Хотя вы уже видели на картинке полностью «собранное» тело, чтобы оно всегда было в правильном положении после прихода каждого нового кватерниона положение тела нужно рассчитывать заново. Это связано с тем, что библиотека расчета кватернионов выдает кватернион, который связывает положение тела в нулевой момент времени с текущим моментом. Чтобы произвести перенос части тела нужно всего лишь перемножить две матрицы:

Matrix.CreateFromQuaternion(qi)* fBaseWorldi

Матрица fBaseWorldi постоянно корректируется, потому что если переместилось плечо, то соответственно переместится и локоть. Поэтому в программе после прихода кватерниона для какой-либо части тела следует произвести расчет матриц fBaseWorldi для всех других связанных с нею частей тела. <

На видео записано движение человека, полученное с использованием семи датчиков, по три датчика на каждой руке и один на туловище в районе поясницы.

Теперь, когда мы получили запись движений тела, можно на основании этих данных произвести расчеты различных интересных величин. Например, помочь Демосфену и прикрепить к его плечу датчик, который будет контролировать правильное положение и выдавать какой-либо сигнал при отклонении от этого положения, точно также если запустить приложение на смартфоне, а несколько датчиков разместить на спине у ребенка, то это поможет ему контролировать свою осанку. А сколько еще разных полезных применений для МЭМС датчиков.
гироскоп

акселерометр

Добавить метки 17 марта 2017 в 18:56

Исследование: звуковая атака на акселерометры подменяет показания

• Информационная безопасность

Исследование группы ученых из Мичиганского университета и Университета Южной Каролины ставит под сомнение давнее убеждение о том, что программное обеспечение может автоматически доверять аппаратным датчикам, которые поставляют автономным системам информацию, необходимую для принятия решений.

Согласно результатам научной работы, звуковые волны можно использовать для взлома важных датчиков в широком спектре технологических устройств, включая смартфоны, автомобили, медицинскую технику и Интернет вещей.

В этом исследовании изучались инерциальные датчики – емкостные МЭМС-акселерометры, измеряющие изменение скорости объекта в трех измерениях. Команда исследователей использовала точно настроенные акустические сигналы, чтобы обмануть 20 различных моделей акселерометров, регистрирующих движения. Такой подход позволил обнаружить бэкдор, с помощью которого можно было управлять другими элементами системы.

Основы физики аппаратных средств позволили ученым обмануть датчики и заставить их передавать ложную информацию в микропроцессор. Емкостные МЭМС-акселерометры для измерения ускорения регистрируют отклонение инерционной массы. При воздействии силы инерционная масса изменяется, вызывая изменение емкости, которое преобразуется в аналоговый сигнал.

Воздействие звукового давления на чувствительную пружинно-массовую систему может сместить ее, тем самым создавая ложные сигналы ускорения. Эти поддельные сигналы ускорения коррелируют с сигналом акустических помех.

Важно отметить, что резонансная частота пружинно-массовой системы – характеристика того, как она спроектированна на физическом уровне, и для успешного обмана частота акустических помех должна ей соответствовать.

Исследователи провели несколько показательных демонстраций: аудиосигнал из простого динамика за $5 заставил браслет Fitbit показывать тысячи фальшивых шагов. В другом случае включали на смартфоне вредоносный музыкальный файл, и динамик управлял акселерометром другого смартфона, на котором приложение Android «крутило баранку» игрушечного автомобиля. Еще одна музыкальная дорожка вывела из строя акселерометр Samsung Galaxy S5, который вместо графика показаний выводил слово WALNUT (грецкий орех).

Команда исследователей также отмечает, что нарушить поведение акселерометра можно даже в сочетании с видео и музыкой, которые автоматически воспроизводятся с сайтов, вложений электронной почты, получением уведомлений и прочим.

МЭМС-акселерометры уже установлены в тысячи устройств и бытовых приборов. Автономные системы, такие как беспилотные летательные аппараты и автопилоты автомобилей, принимают решения на основе того, что подсказывают их датчики. Если автономные системы не смогут доверять своим чувствам-датчикам, то безопасность и надежность их находится под угрозой. В случае, когда система или устройство использует уязвимый датчик МЭМС для принятия решений, злоумышленники могут использовать их в качестве вектора атаки.

Чтобы добиться такого эффекта, исследователи определили резонансные частоты 20 различных акселерометров пяти производителей. В своих экспериментах они не использовали шумы ниже 110 дБ, но отмечают, что более низкие амплитуды могут также негативно повлиять на различные датчики.

Другие датчики МЭМС, включая гироскопы, также потенциально восприимчивы к звуковой атаке. В ходе своих экспериментов ученые обнаружили дополнительные уязвимости. Так, например, при разработке цифровых низкочастотных фильтров, которые отсеивают самые высокие частоты, а также усилителей, не учитывались проблемы безопасности.

Чтобы защитить датчики от звуковой атаки, необходимо использовать сочетание различных методов, однако существует два основных подхода:

1. Располагать МЭМС-датчики таким образом, чтобы ограничить воздействие звуковых помех. Например, окружить его звукоизоляционным материалом.
2. Развернуть алгоритмы обработки данных, отклоняющих аномально ускоряющиеся сигналы, особенно с частотами, близкими к резонансной частоте датчика МЭМС.

Кроме того, исследователи разработали несколько программных решений, которые могли бы минимизировать уязвимости, и сообщили об этом производителям.

Руководитель исследовательской группы и ведущий автор исследования Кевин Фу (Kevin Fu) ранее занимался исследованием рисков кибербезопасности медицинской техники, в том числе потенциальной угрозы передачи смертельных сердечных ритмов в кардиостимулятор по беспроводной сети.

По его словам, на проведение исследования, направленного на изучение влияния акустических сигналов на технику, их вдохновил случай, когда с помощью музыки были выведены из строя квадрокоптеры. Он добавил, что более ранние работы ученых продемонстрировали успешность DoS-атак, в которых звук используется для отключения акселерометров.

Это не единственное исследование, где безопасность использования акселерометров ставится под сомнение. В 2014 году исследователи в области безопасности из Стэнфордского университета