密歇根大学开发出低成本高精准微型陀螺仪: 精度1万倍, 价格低10倍

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3月26日消息,据外媒报道,当自动驾驶汽车或无人机失去GPS联系时它会利用惯性测量单元(IMU)来跟踪自己在空间中的方位。现在,密歇根大学开发出一种全新的微型陀螺仪,这样的装置可能很快就会比以往任何时候都更加精确,比智能手机中使用的要高1万倍,价格要低10倍。


密歇根大学开发出低成本高精准微型陀螺仪: 精度1万倍, 价格低10倍


通常情况下,IMU由多个陀螺仪、加速度计和磁力仪组成。然而,陀螺仪的性能是有限的,因为它并不是很精确--更精确的陀螺仪确实存在,但它们通常成本太高以致于不能有效地集成到IMU中。


在Khalil Najafi教授的带领下,密歇根大学的科学家们着手解决这个问题。据报道,这种微型陀螺仪的精度是目前智能手机中使用的那种陀螺仪的1万倍,但价格“仅”是后者的10倍--据称,它的价格只是现有更大型号陀螺仪的千分之一。


密歇根大学开发出低成本高精准微型陀螺仪: 精度1万倍, 价格低10倍


该装置的核心是一个一厘米宽的金属涂层玻璃谐振器,它看起来像是一个倒置的蛋糕锅。它由约1/4英寸厚的纯熔融石英制成,其底部边缘由一圈电极环绕。谐振器上的推动和拉动使其能不断振动并像葡萄酒杯一样响个不停。


整个装置被包裹在一个约半厘米高的真空容器中。这就避免了空气对振动的衰减,而振动是由产生振动的电极来测量。


博士生Sajal Singh表示:“基本上,玻璃谐振器以某种模式振动。如果你突然旋转它,振动模式会保持在原来的方向。因此,通过监测振动模式,可以直接测量转速和角度。”



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。



这项技术目前正在由Enertia Microsystems公司进行商业化。它将最终不仅可以用于汽车、无人机和其他交通工具,还可以用于军事应用或自导仓库机器人。


美最顶级陀螺仪19000个零件,导弹精度40米



现代洲际导弹采用复合制导。其中惯性制导为主,星光导航为辅。就精度来说,GPS制导的误差往往小于1米。那么为何其不采用GPS呢?这是因为洲际导弹在进入大气层时,速度往往高于20马赫,此时会产生黑障问题。


这对接受卫星信号极为不利,另外GPS也存在被严重干扰的可能。因此抗干扰能力强大的惯性自主导航也成了洲际导弹的首选。尽管精度有所牺牲,但安全性和可靠性大为提高。再者采用惯性导航,其精度也未必比GPS差。上个世纪,美军研发的“和平卫士”洲际导弹就堪称机械陀螺仪时代的顶峰。


这种导弹本来是为了在首轮核打击中摧毁苏联陆基发射井和导弹洞库的。为了能打破发射井盖和导弹洞库的最薄弱环节,因此尤为讲求精度,圆概率误差小于40米,丝毫不比早期的卫星制导逊色。而它的秘诀就在于一款名为AIRS的惯性制导系统。这套系统极为复杂,仅其最核心的机械陀螺仪就由19000个零部件组成。有传闻其中一个加速度计就高达30万美元。如此昂贵的装备令美军也难以承受,苏联解体后“和平卫士”立即下马。


AIRS包括一整套技术,包括元器件加工工艺和材料以及算法模型,我国至今也未必能做出来,对美国来说也是难以逾越的顶峰。不过这是机械陀螺仪,但在激光陀螺仪方面我国早已弯道超车。高伯龙院士团队用了43年,令我国内腔四频差动激光陀螺仪跻身世界先进水平,当时全球仅美俄法能造。外媒曾推测,“东风-41”的圆概率误差很可能不是纸面上的100米,而是小于50米。这意味着我国的洲际导弹制导技术已不输美国。



关于微型陀螺仪


陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。


来源:互联网,EETOP

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