Malý, přesný a levný gyroskop umožní praktickou navigaci bez GPS  
GPS navigace je skvělá. Ale není všudypřítomná a rozhodně není nezranitelná. Autonomní stroje mívají jako záložní navigační systém inerciální měřící jednotku s gyroskopy, které jsou obvykle drahé a objemné. Nový převratný gyroskop nabízí levnou a výkonnou navigaci, která by se mohla uplatnit v dronech, autonomních vozidlech, robotech i v navigaci pro vojenské jednotky.

Gyroskop pro navigaci bez GPS. Kredit: Najafi Group, University of Michigan.
Gyroskop pro navigaci bez GPS. Kredit: Najafi Group, University of Michigan.
V dnešní době je stále více zařízení závislých na GPS navigaci. Když člověk někde v lese ztratí GPS signál, tak to obvykle není úplná tragédie. Pokud se to ale stane autonomnímu vozidlu nebo dronu, tak to může mít nepříjemné důsledky. Nemluvě o tom, že GPS navigace je v současné podobě docela zranitelná v případě útoku technologicky vyspělého protivníka.

 

Jae Yoong Cho. Kredit: University of Michigan.
Jae Yoong Cho. Kredit: University of Michigan.
Soudobá autonomní zařízení proto spoléhají na výkonné gyroskopy, které fungují jako záložní navigační systém. Problém je, že takové gyroskopy bývají velké a pořádně drahé. Pro účely navigace bez GPS jsou gyroskopy součástí inerciální měřící jednotky (IMU). Tu obvykle tvoří tři akcelerometry a tři gyroskopy, každý pro jednu prostorovou osu. V běžných chytrých telefonech jsou rovněž gyroskopy, které detekují orientaci telefonu. Jejich přesnost je ale obvykle bídná, což je patrné i v aplikacích, které s těmito gyroskopy pracují.

Nový gyroskop ve vakuovém obalu. Kredit: Najafi Group, University of Michigan.
Nový gyroskop ve vakuovém obalu. Kredit: Najafi Group, University of Michigan.

Jae Yoong Cho z americké University of Michigan a jeho spolupracovníci vyvinuli malý, levný a zároveň velice přesný gyroskop, který by se mohl uplatnit v navigaci dronů a autonomních vozidel, nezávislé na GPS signálu. Jejich gyroskop je desettisíckrát přesnější a přitom jen 10krát dražší nežli gyroskopy v běžných chytrých telefonech. A naopak, je tisíckrát levnější, nežli dnešní mnohem větší gyroskopy se srovnatelným výkonem

 

Podle badatelů právě gyroskopy již dlouhou dobu představují technologický problém, doslova bottleneck ve vývoji nových zařízení. S tímto novým gyroskopem, který nabízí levnou a výkonnou inerciální navigaci, by tento nepříjemný bottleneck mohl zaniknout. Gyroskop jistě uvítají i vojáci, kteří se v dnešní době rovněž velmi spoléhají na GPS navigaci. A uplatnit by se mohl i třeba v robotech, kteří pracují v domácnostech nebo na zahradách.

 

Nový gyroskop je vlastně téměř symetrický mechanický rezonátor, vyrobený z velmi čistého křemenného skla. Díky tomu může vibrovat po dlouhou dobu, jako když někdo hraje na sklenici od vína. Ze sledování vibrací tohoto gyroskopu je možné odvodit potřebné parametry, které pak slouží k navigaci. Vibrace gyroskopu totiž prozradí, jak se gyroskop pohybuje v prostoru.

 

Literatura

University of Michigan 23.3. 2020.

Datum: 31.03.2020
Tisk článku

Myšlením k myšlení - Zavřel Viktor
 
 
cena původní: 293 Kč
cena: 246 Kč
Myšlením k myšlení
Zavřel Viktor
Související články:

Problémy s navigací lodí ukazují na testování ruské zbraně proti GPS     Autor: Stanislav Mihulka (12.08.2017)
Americké vesmírné síly pořizují GPS satelity odolné vůči rušení     Autor: Stanislav Mihulka (16.02.2018)
Kvantový kompas nabízí navigaci bez satelitů     Autor: Stanislav Mihulka (11.11.2018)



Diskuze:

Martin Pecka,2020-03-31 02:11:54

Gyroskop asi udelali hezky, ale jak ho vyuzit k navigaci bez GPS, to teda fakt nevim. Pokud je mi znamo, tak k integrovani polohy s vyuzitim gyroskopu clovek potrebuje jeste merit linearni rychlost. Aby vedel nejen to, jak se otocil, ale i jak moc se v danem smeru "linearne" pohnul. Bez toho se ta poloha proste nenaintegruje, i kdybyste se vztekli.

A dokud nekdo nevyrobi vyrazne presnejsi akcelerometry, nez jsou ted k dispozici, tak bude k ziskani presne polohy porad potreba nejaka exterocepce (at uz triangulace k bodum se znamou polohou, nebo staveni lokalni mapy pomoci nejakeho SLAM systemu zalozeneho na kamerach nebo lidarech).

Odpovědět


Re:

Tonda Rarach,2020-03-31 07:50:59

No jasně, gyroskop sám o sobě nestačí.
Jsou tomu potřeba ještě hodiny, nějaká paměť na uložení dat o změnách stavu a trochu počítání.

Na začátku je kalibrace - stroj stojí.
Pak se stroj začne hýbat, gyro zaznamená směr pohybu, zrychlení a podle času se dopočítá aktuální rychlost. Při neměnné rychlosti (gyro nezaznamenává změnu) se pak podle času pohybu o známé rychlosti dopočítá vzdálenost a tak dále - algoritmus to není až tak složitý, složitější bude odstranění 'šumu' vibrací a rychlost zaznamenávání a počítání změn (jsem laik, teď jsem si vymyslel jak by to mohlo fungovat).

Nakonec by to mohlo celé být 'zadrátované' do čipu s gyroskopem.

Odpovědět


Re:

Vojtěch Kocián,2020-03-31 07:58:36

Technologie vibračních gyroskopů je velmi podobná technologii vibračních akcelerometrů. Obojí jen snímá silové působení. Takže pokud zvládli vylepšit přesnost jednoho, druhé na sebe nenechá dlouho čekat.

Navigace podle vnější zdrojů bude samozřejmě potřeba i dál, ale pokud bude inerciální systém dostatečně přesný, odečítání nebude muset být moc časté.

Odpovědět


Re: gyroskop x akcelerometr

Tomáš Pilař,2020-03-31 09:37:12

V principu není žádný rozdíl mezi gyroskopem a akcelerometrem. Pokud bude mít gyroskop zavěšení mimo svůj střed (=bude se houpat), tak začne fungovat jako akcelerometr.

Odpovědět


Re:

Jiří Kocurek,2020-04-01 00:01:45

Pokud získám hodnoty přetížení v závislosti na čase, tak mi stačí danou křivku zrychlení prohnat integrálem dle času a získám průběh (graf) rychlosti. Ujetá vzdálenost je plocha pod křivkou grafu rychlosti.
Neboli: Je-li známo přetížení a jeho průběh v čase, tak vzdálenost se spočítá jako dvojitý integrál dle času.

A hodiny? Ty jsou přece v každém procesoru. Udržují jeho takt.

Odpovědět


Re: Re:

Petr Nejedlý,2020-04-02 04:23:39

Ach jo,
Tady zase všichni teoreticky integrují, až se hory zelenají.

Problém je, že ta akcelerace nemá přirozenou nulu. Akcelerometr neměří jen jak s ním zrovna škubnu, měří celou dobu i na něj působící gravitační sílu země. Čili tříosý akcelerometr v klidu vydává trojrozměrný vektor, jehož magnituda odpovídá lokálnímu gravitačnímu zrychlení v daném místě. Když s ním pohnu, vektor se nakloní a jeho amplituda změní. Teoreticky dokáži zpětně dopočítat, jaký akcelerační vektor se přidal ke stávajícímu klidovému. Ten pak mohu integrovat.

Jenže integrál má tu nepěknou vlastnost, že přidává "neznámou konstantu". V případě integrálu zrychlení je touto konstantou fyzikálně počáteční rychlost. Čili moje naintegrovaná rychlost je nutně zatížena nějakou chybou, která je, řekněme konstantní (proč není si povíme dále).
Problémem je, že pro určení polohy potřebujeme tuto rychlost (včetně oné chyby) nadále integrovat, díky čemuž chyba polohy v čase roste, a to docela rychle.

Dále, když se pohybujeme, dostáváme se do míst s odlišným gravitačním zrychlením (na letadlo ve výšce 10km působí zhruba o 0.3% nižší gravitační zrychlení) To už se pak ty vektory vskutku odečítají dost špatně = 0.3% chyba zrychlení se snadno naintegruje do mnohem vyšší chyby rychlosti, která pak způsobí, že chyba polohy roste nade všechny meze.

Narozdíl od akcelerace, rotace se integruje mnohem lépe. Kdybych dokázal poznat, že se objekt přestal pohybovat, mohl bych resetovat rychlost (integrál akcelerace), ale to se díky všudypřítomnému gravitačnímu zrychlení dělá dost těžko. Rotace totiž má mnohem přirozenější nulu. Do té míry, že dokážeme relativně snadno rozpoznat a měřit tak pomalou rotaci, jako je rotace země (Focaultovo kyvadlo).
Proto integrační systémy určování polohy bez GPS dokáží velmi přesně udržovat směr, ale pro měření rychlosti používají vnější signál - lepší navigace v autě udrží polohu v tunelu kombinací gyra a tachometru, letecké systémy při výpadku GPS použijí alespoň rychlost vzduchu (kterou mohou kompenzovat posledním známým vektorem větru).

Ale čistý integrál akcelerace je dobrý tak na pokrytí minutového výpadku GPS.

Odpovědět


Re: Re: Re:

Pavel Hudecek,2020-04-03 13:40:47

Jojo, 0 je pěkná mrška, často se s ní při různých měřeních bojuje a běda když se hodnota integruje:-) Ten samej problém je i se stavem baterií. Zadavatel chce levné součástky, jenže těm 0 courá, říká se tomu offset a jeho stabilita. Zařízení změřilo, že právě z baterky žere 22,35 mA. Protože ovšem kvůli GSM modulu musí umět změřit až 2 A, může mít offset až 15 mA a kroky jsou velké 4,407 mA, tzn mezi 22 a 26 nic není. Integrováním po dobu dvou hodin zjistíme, že v baterce ubylo 44,07 mAh. Jenže kvůli offsetu to klidně může bejt 74, nebo 14:-) Jsou i další způsoby měření stavu baterek, ale každý kdo jim rozumí, dobře ví, že hranice mezi měřením a věštěním je u nich taky hodně tenká.

Až zas u nějakého bateriového zařízení nabydete dojmu, že stav baterky měří špatně, vzpomeňte si na článek o gyroskopu:-)

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace