密歇根大学开发出一种精度达0.0014 °/h的小型低成本积分陀螺仪

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据密歇根大学官网2020年3月23日报道，密歇根大学开发出一种小型、低成本且高精确度的精密壳积分（PSI）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运行。PSI陀螺仪直径为1 cm，其熔融石英谐振器的机械品质因数（Q值）为520万，电容读出和控制电极放置在谐振器边缘下方。PSI陀螺仪的角度随机游走（ARW）为0.00016 °/√h，零偏不稳定性（BI）为0.0014 °/h，无需任何温度补偿。

大多数智能手机都包含陀螺仪，该陀螺仪比普通手机使用的陀螺仪精度高10000倍，但价格只提高了10倍，比类似性能的大型陀螺仪便宜1000倍。该陀螺仪除了帮助无人机和自动驾驶汽车导航外，还可以帮助士兵在GPS信号受阻的区域找到道路，或者通过准确的室内导航加快仓库机器人的速度。

手机中的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，因此，手机在导航过程中经常错误地指示用户所面对的方向。这对于开车的人来说，可能无关紧要，但是无人驾驶汽车可能会因此而迅速迷失方向。目前，自动驾驶汽车在其备用导航系统内部使用了体积更大且价格更高的高性能陀螺仪。

惯性测量单元（IMU）由三个加速度计和三个陀螺仪组成，可在没有GPS信号的情况下导航。但要通过现有IMU获得良好的导航效果，即使对于像自动驾驶汽车这样昂贵的设备，价格依然超出了承受范围。

几乎对称的机械谐振器是陀螺仪实现价格合理、小型化的核心。它看起来像是带有酒杯的蛋糕模型（Bundt pan）。与酒杯一样，敲打玻璃时产生的声音的持续时间取决于玻璃的质量，声音对陀螺仪功能的实现至关重要。使用放置在玻璃谐振器周围的电极来使其发出声音并保持运转。

玻璃谐振器会以一定的模式振动。如果突然旋转它，振动模式会保持其原始方向。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，研究团队首先从一块近乎完美的纯玻璃（称为熔融石英）开始，其厚度约为0.25 mm。首先，使用喷灯加热玻璃，然后将其制成类似倒置的鸟盆形状的谐振器。然后，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。装置封装在一个真空包装中，约邮票大小，高度约为0.5 cm，可防止空气振动迅速衰减。

本项研究得到了DARPA：MRIG（Award＃W31P4Q-11-1-0002）和DARPA：AIMS（Award＃N66001-16-1-4029）计划的支持。

参考文献：

Jae Yoong Cho, Sajal Singh, Jong-Kwan Woo, Guohong He, and Khalil Najafi. 0.00016 deg/√hr Angle Random Walk (ARW) and 0.0014 deg/hr Bias Instability (BI) from a 5.2M-Q and 1-cm Precision Shell Integrating (PSI) Gyroscope. The 7th IEEE International Symposium on Inertial Sensors & Systems, 2020

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