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超高精度廉价"鸟盆"陀螺仪:精度提高1万倍 价格便宜10倍!无GPS可精确导航

2020-03-25 12:59:01 来源:EETOP
近日密歇根大学开发出一种小型,廉价且高精度的陀螺仪,可以帮助无人机和自动驾驶汽车在没有GPS信号的情况下保持在正常轨道上。

UM的斯伦贝谢工程学以及电气工程和计算机科学教授Khalil Najafi说:“我们的陀螺仪比普通手机使用的陀螺仪精度高10000倍,但价格却比普通陀螺仪便宜10倍。这种陀螺仪比性能类似的大型陀螺仪便宜1000倍。”

大多数智能手机都包含陀螺仪,可以检测屏幕的方向并帮助弄清楚我们所面对的方向,但是其准确性很差。这就是为什么手机在导航过程中经常错误地指示用户朝向哪个方向的原因。

这对街上的行人或开车的人来说,可能无关紧要,但是一辆无人驾驶汽车可能会因为失去GPS信号而很快迷路。因此目前的自动驾驶汽车在其备用导航系统内部使用了更大且价格更高的高性能陀螺仪。

“高性能陀螺仪是一个瓶颈,而且已经存在了很长时间。这种陀螺仪可以通过在大多数自动驾驶车辆中使用高精度和低成本的惯性导航来消除这一瓶颈,”电子工程和计算机科学助理研究员Jae Yoong Cho说。

更好的备用导航设备还可以帮助士兵在GPS信号受阻的区域找到自己的出路。或者在更普通的情况下,精确的室内导航可以加快仓库机器人的速度。

能够在没有一致的定向信号的情况下进行导航的设备称为惯性导航单元。它由三个加速度计和三个陀螺仪组成,空间中的每个轴一个。但是,如果要很好地了解使用现有IMU的方式是非常昂贵的,即使对于像自动驾驶汽车这样昂贵的设备,也远远超出了我们的能力范围。

制造这种价格合理的小型陀螺仪的关键是几乎对称的机械谐振器。它看起来像一个用葡萄酒杯搭成的平底锅,宽一厘米。与葡萄酒杯一样,当你敲击酒杯时发出的铃声持续时间取决于酒杯的质量。但铃声不是陀螺仪的美学特征,而是对陀螺仪的功能至关重要。完整个装置使用放置在玻璃谐振器周围的电极来推动和拉动玻璃,使其振铃并保持运转。振动运动穿过玻璃的方式揭示了陀螺仪在太空中旋转的时间、速度和程度。

帮助开发制造工艺的电气和计算机工程博士生Sajal Singh说:“基本上,玻璃谐振器会以一定的模式振动。如果你突然旋转它,则振动模式将希望保持其原始方向。因此,通过监视振动模式,可以直接测量旋转速度和角度。”

为了使谐振器尽可能地完美,Najafi的团队首先从一块近乎完美的纯玻璃片(称为熔融石英)开始,其厚度约为四分之一毫米。他们使用喷灯加热玻璃,然后将其模制成类似酒杯的形状-被称为“鸟盆”谐振器,因为它也类似于倒置的鸟盆。

然后,他们在外壳上添加金属涂层,并在外壳周围放置电极,以启动和测量玻璃中的振动。整件东西都装在一个真空包装中,可防止空气迅速衰减振动。

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