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智能设备中的陀螺仪等元件如何应对超声波干扰

超声波会影响手机、VR、平衡车、无人机等电子设备中的陀螺仪。那么,我们该如何理解超声波与陀螺仪的关系呢?在此之前,我们就需要先弄清什么是陀螺仪,其工作原理是什么。

 

生活中,在我们常见的智能VR眼镜内部,便包含有陀螺仪等多种传感器元件。资料图


陀螺仪的简单原理和常见应用有哪些?

最早,陀螺仪被应用于航海以及航空领域中,帮助船舶和飞机在视线不佳时保持平衡,它的作用更像是人类内耳中前庭的作用——保持身体平衡。在使用VR设备玩游戏时,陀螺仪可让游戏者在不断奔跑和扭转中感知虚拟世界中的平衡。在智能手机中,陀螺仪负责检测手机的姿态,比如当用户将手机从直立状态旋转90度时,手机屏幕上显示的内容也会随之发生旋转,以适应手机改变;甚至,手机拍照时的防抖功能也离不开陀螺仪。

随着智能设备应用领域的拓展,汽车上也出现了陀螺仪,有些汽车甚至配备了多只陀螺仪,用来检测汽车不同部位的工作状态,给行车电脑提供信息,让用户更好地控制汽车。

 

手机上的陀螺仪元件,资料图


与其他软件应用程序相比,陀螺仪几乎不必担心会被黑客攻击,但令人意想不到的是,虽然电脑攻击可以避免,但是来自声波的物理攻击却令其溃不成军。

那么,人们是否可以关闭陀螺仪来避免这种潜在的威胁呢?专业人士指出,手机中并没有关闭陀螺仪的选项。而且,它在平衡车、无人机等设备中,属于基本传感器,不可关闭。

 

用超声波干扰VR等智能电子设备,资料图


超声波如何干扰陀螺仪及相关电子设备?

这个漏洞看起来那么明显,可是人们在一开始却并没有注意。直到2015年,韩国先进科学技术研究院(KAIST)的研究人员,对无人机中的一个关键组件陀螺仪进行了共振测试,发现可利用声波使陀螺仪发生共振,输出错误信息,从而导致无人机坠落。甚至就在今年3月,美国密歇根大学的科研人员也成功利用声波攻击了加速度传感器,并且成功入侵智能手机和智能可穿戴设备Fitbit手环。

在国内,也有阿里巴巴的技术人员通过大量实验测试,发现27kHz左右的共振超声波频率,可以对虚拟现实设备产生不同的效果影响。技术人员进测试发现,超声波可让VR和AR发生画面抖动、旋转甚至静止的现象。当这些情况出现在用户使用过程中,他们可能会因为无法观察外界环境,让大脑跟随眼前画面的旋转和抖动产生眩晕,造成摔倒。

更令人担心的是,多款市面常见的平衡车都会因超声波干扰失去平衡,从而使其向前运动寻找平衡点,不同平衡车受干扰程度不一样,有的甚至会直接发生翻倒。而当声波“瞄准”汽车时,它甚至可能干扰汽车的安全气囊传感器或者车身系统,从而影响安全驾驶。

技术人员还发现,除了陀螺仪,GPS及定位信息也在物理攻击的范围内,例如,利用软件无线电设备实施GPS位置、时间欺骗,或者基于WiFi辅助定位系统的位置实施欺骗。研究发现,基于WiFi位置欺骗比GPS欺骗更容易被攻击者利用,攻击者甚至不需要任何特殊硬件设备,只需一台普通笔记本电脑,即可对市面上常见的地图类应用进行攻击。

对此,中科院计算机技术研究所副研究员翟立东表示,物理攻击造成信息泄露的概率比较小,但更为严重的是会令设备瘫痪。

 

MEMS陀螺仪模块产品,资料图


传感器智能设备该如何免受超声波干扰?

但有个好消息是,并非所有设备中的陀螺仪都在同一频率。在技术人员解释称,在测试时,他们选择演示的设备都使用了同一家陀螺仪,它的频段是统一的。而在实际应用中,还有不同位置的共振频率的MEMS传感器。

此外,声波的攻击范围与功率有关,因为声波也会随着传播距离增加而衰减,且具有指向性,所以,不必太担心有人会利用声波对智能设备进行大范围的攻击。

当然,目前尚未出现的漏洞,不代表以后也不会出现,这就需要相关制造产品的企业配备更高级别的防护。王康进一步解释说,针对这种物理攻击,我们也提供了可能解决的方案。一方面,厂商研发产品时可对设备增加缓冲层,如增加一些覆盖材料,让外界声音进入不了陀螺仪,来防止由于传感器的声波或超声波干扰所造成的安全威胁,并为造成威胁的声音频率提供声音消除的功能;或者在设备上加装降噪装置,通过主动发射反向声音,抵消进行干扰的超声波,实现防干扰。

不过,王康补充道,长期而言,最佳的解决方案还是开发出可以抵抗声波攻击的新型传感器,例如不易受外部震动影响的陀螺仪。

此文关键字:陀螺仪 加速度传感器 GPS

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