Michigan News
Миниатюрный, дешевый и высокоточный гироскоп, разработанный в Мичиганском Университете, может помочь беспилотным летательным аппаратам и автономным автомобилям оставаться на трассе без сигнала GPS.
“Наш гироскоп в 10000 раз точнее, но только в 10 раз дороже, чем гироскопы, используемые в ваших типичных мобильных телефонах. Этот гироскоп в 1000 раз дешевле, чем гораздо бóльшие по габаритам сенсоры с аналогичными характеристиками», – сказал Халил Наджафи, профессор инженерии Мичиганского Университета и профессор электронной инженерии и компьютерных наук.
Большинство смартфонов содержат сенсоры – гироскопы для определения ориентации экрана и помогают электронному устройству определять направление поворота, но точность их низкая. Именно по этой причине телефоны часто неправильно указывают, в каком направлении смотрит пользователь во время работы в навигационных приложениях.
 |
| Резонатор гироскопа с электродами, расположен на пальце для понимания масштаба. Резонатор практически идеально симметричен, изготовлен из стекла с минимальным содержанием примесей. Это позволяет ему вибрировать в течении долгих периодов, подобно звону бокала. |
Это не имеет большого значения для человека на улице или за рулем, но автомобиль без водителя может быстро «потеряться» при исчезновении сигнала GPS. В настоящее время в резервных навигационных системах автономных автомобилей используются высокопроизводительные гироскопы – это габаритные и дорогостоящие приборы.
«Высоэффективные гироскопы достаточно долгое время являлись узким местом в навигационных системах. Представленный прибор может устранить это препятствие, позволяя использовать высокоточную и бюджетную инерциальную навигацию в большинстве автономных транспортных средств», – сказал Чже Йонг Чо, помощник научного сотрудника в области электронной инженерии и информатики.
Такого рода резервное навигационное оборудование может также использоваться военными при поиске путей в местах, где сигналы GPS заблокированы. Или в более приземленном сценарии: точная навигация внутри зданий и помещений может ускорить работу складских роботов.
Устройство, обеспечивающее навигацию без соответствующего ориентирующего сигнала, называется инерциальным измерительным модулем (inertial measurement unit, IMU). Такой модуль состоит из трех акселерометров и трех гироскопов, по одному на каждую ось в пространстве. Но получить точную информацию о том, как вы двигаетесь, с существующим IMU настолько дорого, что это вышло за пределы допустимого диапазона даже для такого дорогостоящего оборудования, которое применяется в автономных транспортных средствах.
Ключом к созданию этого доступного миниатюрного гироскопа является практически идеально симметричный резонатор. Он похож на форму для выпечки кекса скрещенную с бокалом для вина, выполненную в размере 1 см. Как и в случае с бокалами, длительность звуковых колебаний при ударе по стеклу зависит от качества стекла, но в данном случае вместо эстетической особенности звуковые колебания имеют решающее значение для работы гироскопа. Завершенное устройство использует электроды, расположенные вокруг стеклянного резонатора, чтобы сжимать и растягивать стекло, тем самым заставляя его вибрировать и поддерживать профиль вибрации.
«По сути, стеклянный резонатор вибрирует по определенной схеме. Если вы вдруг повернете его, вибрационная диаграмма захочет остаться в своей первоначальной позиции. Таким образом, отслеживая характер вибрации, можно непосредственно измерять частоту вращения и угол поворота», – сказал Саджал Сингх, докторант в области электронной и компьютерной инженерии, который помог разработать технологический процесс.
То, как вибрации движутся сквозь стекло, показывает, когда, как быстро и как вращается гироскоп в пространстве.
Чтобы сделать резонатор настолько совершенным, насколько это возможно, команда Наджафи начинает с листа почти идеально чистого стекла, известного как плавленый кварц, толщиной около четверти миллиметра. Они используют горелку для нагрева стекла, а затем формируют его в виде формы для выпечки кекса – это Birdbath-резонатор (резонатор «птичья ванна», т.к. он также напоминает перевернутую птичью ванну).
 |
| Новый миниатюрный высокоточный гироскоп в вакуумном прозрачном корпусе |
Затем на стеклянную оболочку наносится металлическое покрытие, а вокруг размещают электроды, которые инициируют и измеряют вибрации в стекле. Все это заключено в вакуумный корпус размером с почтовую марку высотой пол сантиметра, который не позволяет воздуху быстро гасить вибрации.
Документ, озаглавленный «Случайный уход угла 0.00016 град/√ч (ARW) и нестабильность смещения 0.0014 град/ч прецизионного гироскопа с интегрированной оболочкой 5.2M-Q и 1-cm» был представлен 25 марта на виртуальном 7 международном симпозиуме IEEE по инерционным датчикам и системам.
Исследование было поддержано Агенством перспективных исследований в области обороны.
Ученые Чже Йонг Чо и Халил Наджафи являются соучредителями новой компании Enertia Microsystems, основанной на технологиях, лицензированных у Мичиганского Университета.
