您好,欢迎来到中国自动驾驶高精地图产业创新发展论坛2019!

新的陀螺仪设计将帮助自动驾驶汽车和机器人绘制世界地图

发布日期:2020-04-05

GRCChdmap

2020-04-05 19:24:05

手机阅读


它比手机中的陀螺仪精确10,000倍,但价格仅为50美元






(* 照片:纳杰菲集团/密西根大学. 新的谐振器和电极显示在手指上,用于缩放。该谐振器几乎是完全对称的,由近乎纯净的玻璃制成。这使其能够长时间振动,类似于酒杯的振铃 )


与GPS一样有用,它并不是我们一直可以依赖的系统。在许多情况下,GPS可能无法使用,例如当您在建筑物内,穿越隧道,在战场上,在地雷,水下或太空中时。


需要跟踪位置的系统(例如您的手机,自动驾驶汽车或潜艇)通常使用所谓的惯性测量单元(加速度计和陀螺仪的组合)通过跟踪加速度和旋转的变化通过航位推算来估算位置。这些位置估计的准确性取决于这些IMU中传感器的准确性。不幸的是,对于大多数商业或消费级系统而言,能够很好地长时间跟踪旋转的陀螺仪太大且太昂贵。


由Khalil Najafi领导,并由DARPA资助的密歇根大学研究人员在第七届IEEE惯性传感器与系统国际研讨会上发表了一篇关于新型陀螺仪的论文,该陀螺仪称为精密壳积分(PSI)陀螺仪,作者说:“它的精度是普通手机中使用的陀螺仪的10,000倍,但仅贵10倍。”它以千分之一的成本提供了更大的陀螺仪的性能,这意味着对于移动设备和地下机器人而言,高精度位置识别,室内导航和长期自治可能很快就可以实现。


在某种程度上,关于PSI陀螺仪要好得多,重要的是要了解从手机中几乎可以肯定的陀螺仪获得的性能。


为什么陀螺仪很重要


您的手机具有三个陀螺仪和三个加速度计,它们被组合成一个惯性测量单元(IMU),可以检测所有三个轴上的加速度和旋转。这IMU可能花费几美元。陀螺仪的灵敏度*约为每小时1,000度,这意味着如果您花了整整一个小时非常缓慢地旋转手机,则陀螺仪会注意到在这段时间内是否旋转了3次或更多,但是如果您将手机旋转的速度稍慢一点,使其在一小时内只能旋转两次,则旋转速度太慢,陀螺仪无法检测到。很好,因为您的手机只真正关心大而快速的旋转(每秒数十度),例如提起或翻转手机时。


除了灵敏度之外,还有精度,或陀螺仪测量的旋转量与实际旋转量之间的接近程度。大多数传感器都有某种精度的偏差,称为偏差-这是传感器什么都不应该看到的东西所看到的东西,或者在陀螺仪的情况下,当传感器完全不运动时所看到的东西。只要传感器的偏置稳定,就不一定有错。如果偏差始终是相同的,则可以对其进行校准,并获得准确的结果。但是,如果偏差不稳定且发生不可预测的变化,那将真的使传感器的精度陷入混乱。


对于典型的手机陀螺仪,偏置不稳定性为每小时数百到数千度。同样,这很好,因为您的手机更关心在第二刻度上测量数十或数百度的旋转,这是玩游戏或稳定相机所需的全部。


那么为什么我们要关心陀螺仪灵敏度高,偏置稳定呢?它可能与手机无关,但对于潜水艇,宇宙飞船,自动驾驶汽车,室内机器人以及您无需依赖GPS即可跟踪自己位置的其他任何地方,都异常重要。所有这些系统都使用IMU跟踪它们的相对位置,获取它们的最后一个已知**位置(来自GPS或预先存在的地图或其他任何东西),然后依靠IMU组合连续的加速度和旋转测量值来估计相对于该位置的运动点。


从本质上讲,这只是一种推算方法,就像其他推算方法一样,随着时间的流逝,会逐渐积累一些细小的错误,因此您依赖的时间越长,获得的航向就越远。潜艇和航天器使用装满激光和物品的高档(且昂贵)陀螺仪来****地减少这些误差以及由此导致的位置精度漂移,但对于地面机器人,无人机和(在较小程度上)自动驾驶汽车而言,尺寸,质量和成本是重要因素。无论是用于在矿山中绘制地图的机器人,还是用于穿越隧道的自动驾驶汽车,您都希望陀螺仪同时灵敏,准确,价格适中且体积小。


(*照片:纳杰菲集团/密西根大学)


这就是密歇根大学PSI陀螺仪的用处,因为它体积小,价格便宜,并且比常规手机陀螺仪精确数千倍。达到这种精度水平的秘诀是陀螺仪的心脏-一种超纯金属涂层玻璃的共振结构,看上去几乎完全像倒置的邦特蛋糕盘或倒置的鸟浴。


要了解PSI陀螺仪谐振器为何具有这种形状,以及它如何工作以及如何工作,首先让我们快速了解一下手机中的陀螺仪类型。几乎可以肯定,它们是机械振动陀螺仪,它们非常小,并且易于使用常规半导体制造技术制造。


陀螺仪如何工作


您可以将这些陀螺仪的核心(机械谐振器)想像成一个音叉-当其中的金属物件带有杆和两个臂时,它们会受到撞击而振动(发出音调)。敲打音叉时得到的特定类型的振动包括两个臂(尖齿)的相互振动(在标准音乐会音高下为440 Hz),它们相互振动。


现在,如果您将音叉绕着其长轴旋转,会发生什么?惯性意味着叉齿要保持与开始振动的平面相同的振动(内外振动),但是不能,因为音叉的基座正在旋转,并且它们连接到基础。取而代之的是,由于科里奥利效应,尖齿开始在第一平面之外的第二平面中振动。这是由于地球在旋转,因此在测量地球运动时必须考虑的相同效果。


无论如何,对于旋转的音叉,科里奥利效应会导致每个尖齿的尖端开始来回振荡(超出尖齿的平面)。音叉旋转得越多,由科里奥利效应产生的来回振动就越多地转化为来回振动,这意味着测量音叉的尖齿来回振动的程度可以告诉您基地发生了多少轮换。


这些振动结构陀螺仪(有时称为科里奥利振动陀螺仪)有很多不同的设计,并且只有其中一些具有实际上看起来像音叉的谐振器,但是它们的工作方式几乎相同,因此很麻烦。它振动,然后测量将进出振动转换为来回振动的程度,以计算旋转。


鸟浴陀螺仪


PSI陀螺仪看起来不像音叉,它的谐振器具有邦特平底锅或鸟形盆的形状,通常被称为酒杯形状,这很有用,因为(至少对我而言)想象振动的酒杯会更容易。就像音叉一样,您可以敲打酒杯,酒杯会开始振动。如果从上方看酒杯,这种振动就是酒杯的边缘轻微变形,从圆形到椭圆形来回移动。而且,就像音叉一样,如果旋转酒杯,则科里奥利效应会引起第二种振动补偿模式,您可以通过测量该第二种振动补偿模式来确定旋转。


出于几个原因,酒杯形谐振器在测量旋转方面比音叉形谐振器好得多。首先,该形状是轴对称的或围绕中心轴对称的。这种对称性意味着两种振动模式几乎以完全相同的频率发生,因此,当科里奥利效应将能量从第一种模式传递到第二种模式时,这是非常有效的,这意味着您每旋转一圈就会得到更多的振动,从而导致更灵敏的陀螺仪。


酒杯谐振器还具有很高的“ Q因子”,它是谐振器中存储的能量与谐振器每次振荡损失的能量之比的无量纲度量。重击酒杯时,酒杯会振动,移动并发出声音。如果它永远做下去,它将具有无限大的Q,但是它当然会以各种不同的方式(声学,热,机械)放弃能量,因此最终它将停止振动。高品质的酒杯可能有几千个Q。一个典型的手机陀螺仪的Q值为几百,并且振动少于一秒钟。构成PSI陀螺仪核心的谐振器的Q值为510万(!),这意味着一旦将其包装在真空中,将在被单次敲打后振动300秒。


高Q之所以重要的原因是,您希望谐振器的主振动尽可能干净,以便更有效地将振动从一种模式传递到另一种模式。谐振器的其他可以提高精度的特性是相对较高的质量和刚度,这两者都使其不易产生噪声。


好一万倍


综合所有这些,PSI陀螺仪的偏置不稳定性(运动检测的准确性)非常低,每小时0.0014度,这比典型的手机陀螺仪好几万倍。这很容易敏感,足以检测脚下旋转的地球的运动。


但是也许您不需要测量地球的自转,所以让我们看一下这种陀螺仪对试图在没有GPS的情况下自动跟踪自身的自动驾驶汽车可能产生的影响。


我们假设这辆车使用的IMU具有**的加速度计,但是通常在汽车中会发现这种陀螺仪(比手机中的陀螺仪好一点)。我们还将假设汽车在平坦的地方行驶,这意味着我们只关心一个陀螺仪(偏航)的输出。


在以5o km / h的速度行驶仅一分钟之后,标准汽车陀螺仪所累积的误差将导致七米的位置误差。五分钟后,该位置误差增加到850米以上。但是对于配备PSI陀螺仪的汽车,一分钟的位置误差仅为2毫米,五分钟后的位置误差仅为30厘米,(对于自动驾驶汽车而言)这可能是停留在正确的车道与驶入下一个城镇。它超大。


(*

(* 照片:纳杰菲集团/密西根大学 新型真空陀螺仪打开,露出了内部的谐振器)


PSI陀螺仪的谐振器是由覆盖有导电层的超纯熔融石英玻璃制成的。将谐振器上下颠倒,然后通过中心钻头将其附着到玻璃基板上。谐振器的边缘没有附着在任何东西上(因此它可以谐振),但是在边缘的外部有电极驱动谐振器(它们会发出声音)并感应谐振器的振动模式检测旋转。


整个东西都装在一个小于2厘米大小的真空密封盒中。当您按比例缩小元件时,要在谐振器中获得高Q值,高质量和高刚度会变得更加困难,这是PSI陀螺仪的独特之处–不仅是性能本身,而且是性能,尺寸的组合和费用。


研究人员说,PSI陀螺仪的性能可与军方在潜艇上使用的超级花式陀螺仪相媲美,只是它们的成本高达数千或数万美元,但在生产量(> 100万台)中每张只要$ 50。它至少比其他高性能陀螺仪小10倍,这真的使您想知道为什么一旦这些东西商用后,有人会继续使用它们。


有人告诉我们,幸运的是,商业可用性是该计划的一部分-PSI陀螺仪背后的人们已经组建了一家名为Enertia Microsystems的初创公司,以将PSI陀螺仪和非常类似的设计称为Birdbath Resonating Gyro(BRG)进行商业化。性能与PSI陀螺仪相当,但略小。他们的目标是自动驾驶汽车,机器人技术和一些消费类应用,在这些应用中,通过更好,更实惠的传感器有巨大的改进潜力。


*在陀螺仪的情况下,灵敏度的技术定义与此稍有不同,但是此处使用的定义是传达相同想法的一种更简单的方法。


作者:Evan Ackerman

摘自:IEEE





END





点击上方蓝字关注我们


  • 电话咨询
  • 021-22306692
  • 15021948198
None