Lille, præcist og overkommeligt gyroskop til navigation uden GPS

En lille, billigt og meget præcist gyroskop, udviklet ved University of Michigan, kunne hjælpe droner og autonome biler med at holde sig på rette spor uden et GPS -signal.

"Vores gyroskop er 10, 000 gange mere præcis, men kun 10 gange dyrere end gyroskoper, der bruges i dine typiske mobiltelefoner. Dette gyroskop er 1, 000 gange billigere end meget større gyroskoper med lignende ydeevne, "sagde Khalil Najafi, Schlumberger-professoren i teknik ved U-M og professor i elektroteknik og datalogi.

De fleste smartphones indeholder gyroskoper til at registrere skærmens retning og hjælpe med at finde ud af, hvilken vej vi vender mod, men deres nøjagtighed er dårlig. Det er grunden til, at telefoner ofte forkert angiver, hvilken retning en bruger vender under navigation.

Det betyder ikke meget for et menneske på gaden eller bag rattet, men en førerløs bil kunne hurtigt fare vild med et tab af GPS -signal. Inde i deres backup -navigationssystemer, autonome køretøjer bruger i øjeblikket højtydende gyroskoper, der er større og meget dyrere.

"Højtydende gyroskoper er en flaskehals, og det har de været længe. Dette gyroskop kan fjerne denne flaskehals ved at muliggøre brug af høj præcision og billig inertial navigation i de fleste autonome køretøjer, "sagde Jae Yoong Cho, en assisterende forsker inden for elektroteknik og datalogi.

Bedre navigationsudstyr til backup kunne også hjælpe soldater med at finde vej i områder, hvor GPS -signaler er blevet klemt. Eller i et mere dagligdags scenario, nøjagtig indendørs navigation kan fremskynde lagerrobotter.

Enheden, der muliggør navigation uden et konsekvent orienteringssignal, kaldes en inertial måleenhed. Det består af tre accelerometre og tre gyroskoper, en for hver akse i rummet. Men at få en god læsning af, hvordan du går med eksisterende IMU'er, er så dyr, at den har været uden for rækkevidde, selv for udstyr, der er så dyrt som autonome køretøjer.

Nøglen til at gøre dette overkommeligt, lille gyroskop er en næsten symmetrisk mekanisk resonator. Det ligner en Bundt -pande krydset med et vinglas, lavet en centimeter bred. Som med vinglas, varigheden af ​​ringetonen, der frembringes, når glasset rammes, afhænger af glassets kvalitet - men i stedet for at være et æstetisk træk, ringen er afgørende for gyroskopets funktion. Den komplette enhed bruger elektroder placeret rundt om glasresonatoren til at skubbe og trække i glasset, får den til at ringe og holde den i gang.

"I bund og grund, glasresonatoren vibrerer i et bestemt mønster. Hvis du pludselig roterer den, det vibrerende mønster ønsker at blive i sin originale retning. Så, ved at overvåge vibrationsmønsteret er det muligt direkte at måle rotationshastighed og vinkel, "sagde Sajal Singh, en doktorand i el- og computerteknik, der hjalp med at udvikle fremstillingsprocessen.

Den måde, hvorpå den vibrerende bevægelse bevæger sig gennem glasset, afslører, når, hvor hurtigt og hvor meget gyroskopet snurrer i rummet.

For at gøre deres resonatorer så perfekte som muligt, Najafis team starter med et næsten perfekt stykke rent glas, kendt som fused-silica, cirka en kvart millimeter tyk. De bruger en blæselampe til at opvarme glasset og støber det derefter til en Bundt-lignende form-kendt som en "fuglebad" -resonator, da det også ligner et opadvendt fuglebad.

Derefter, de tilføjer en metallisk belægning til skallen og placerer elektroder omkring den, der starter og måler vibrationer i glasset. Det hele er indkapslet i en vakuumpakke, om et frimærkes fodaftryk og en halv centimeter høj, som forhindrer luft i hurtigt at dæmpe vibrationerne.

Papiret, "0,00016 deg/√hr vinkel random walk (ARW) og 0,0014 deg/hr bias ustabilitet (BI) fra et 5,2M-Q og 1 cm præcisionsskalintegrerende (PSI) gyroskop, "er planlagt til at blive præsenteret på det (nu virtuelle) 7. IEEE internationale symposium om inertielle sensorer og systemer, på onsdag, 25. marts.