Маленький, точный и доступный гироскоп для навигации без GPS

Небольшой, недорогой и высокоточный гироскоп, разработанный в Мичиганском университете, может помочь беспилотникам и автономным автомобилям оставаться на трассе без сигнала GPS.

«Наш гироскоп в 10 000 раз точнее, но только в 10 раз дороже, чем гироскопы, используемые в ваших типичных сотовых телефонах. Этот гироскоп в 1000 раз дешевле, чем гораздо большие гироскопы с аналогичной производительностью», — сказал Халил Наджафи, профессор инженерного искусства компании Schlumberger в UM. и профессор электротехники и компьютерных наук.

Большинство смартфонов содержат гироскопы для определения ориентации экрана и определения того, к чему мы стремимся, но их точность низкая. Именно по этой причине телефоны часто неправильно указывают, в каком направлении смотрит пользователь во время навигации.

Это не имеет большого значения для человека на улице или за рулем, но автомобиль без водителя может быстро потеряться с потерей сигнала GPS. В своих резервных навигационных системах автономные транспортные средства в настоящее время используют высокопроизводительные гироскопы, которые больше по размеру и намного дороже.

«Высокопроизводительные гироскопы являются узким местом, и они были в течение долгого времени. Этот гироскоп может устранить это узкое место, позволяя использовать высокоточную и недорогую инерциальную навигацию в большинстве автономных транспортных средств», — сказала Чже Юн Чо, ассистент-исследователь в области электротехники и информатики.

Лучшее резервное навигационное оборудование может также помочь солдатам найти дорогу в местах, где были заблокированы сигналы GPS. Или в более приземленном сценарии точная навигация внутри помещений может ускорить работу складских роботов.

Устройство, обеспечивающее навигацию без согласованного ориентирующего сигнала, называется инерциальной единицей измерения. Он состоит из трех акселерометров и трех гироскопов, по одному на каждую ось в пространстве. Но получить хорошее представление о том, по какому пути вы идете с существующими IMU, настолько дорого, что оно вышло за пределы допустимого диапазона даже для такого дорогого оборудования, как автономные транспортные средства.

Ключом к созданию этого доступного небольшого гироскопа является почти симметричный механический резонатор. Это похоже на кастрюлю Бундта, скрещенную с бокалом для вина, шириной в один сантиметр. Как и в бокалах, длительность звонка при ударе по стеклу зависит от качества стекла, но вместо того, чтобы быть эстетической особенностью, кольцо имеет решающее значение для работы гироскопа. Полное устройство использует электроды, расположенные вокруг стеклянного резонатора, чтобы толкать и натягивать стекло, заставляя его вращаться и поддерживать его движение.

«По сути, стеклянный резонатор вибрирует по определенной схеме. Если вы внезапно поверните его, вибрирующая схема захочет остаться в своей первоначальной ориентации. Таким образом, отслеживая схему вибрации, можно напрямую измерять частоту вращения и угол поворота», — сказал Саджал. Сингх, докторант в области электротехники и вычислительной техники, который помог развить производственный процесс.

То, как вибрирующее движение движется сквозь стекло, показывает, когда, как быстро и насколько гироскоп вращается в пространстве.

Чтобы сделать их резонаторы настолько совершенными, насколько это возможно, команда Наджафи начинает с почти идеального листа чистого стекла, известного как плавленый кварц, толщиной около четверти миллиметра. Они используют паяльную лампу, чтобы нагреть стекло, а затем формируют его в форме, похожей на Бундта — известной как резонатор «птичьего купола», так как он также напоминает перевернутую птичью ванну.

Затем они добавляют металлическое покрытие к оболочке и размещают вокруг нее электроды, которые инициируют и измеряют вибрации в стекле. Все это заключено в вакуумную упаковку размером с почтовую марку высотой полсантиметра, которая не позволяет воздуху быстро гасить вибрации.

Документ, озаглавленный «Случайное блуждание с углом наклона 0,00016 ° / час (ARW) и нестабильность смещения (BI) 0,0014 ° / час на гироскопе с интегрированной прецизионной оболочкой (PSI) 5,2 МQ и 1 см»), планируется представить на ( теперь виртуальный) 7-й международный симпозиум IEEE по инерционным датчикам и системам 25 марта.

Исследование было поддержано Агентством перспективных исследований в области обороны.