期刊信息
曾用名:量子电子学
主办:中国光学学会基础光学专业委员会;中国科学院合肥物质科学家研究院
主管:中国科学院
ISSN:1007-5461
CN:34-1163/TN
语言:中文
周期:双月
影响因子:0.365217
数据库收录:
文摘杂志;北大核心期刊(2000版);北大核心期刊(2004版);北大核心期刊(2008版);北大核心期刊(2011版);北大核心期刊(2014版);北大核心期刊(2017版);化学文摘(网络版);中国科学引文数据库(2011-2012);中国科学引文数据库(2013-2014);中国科学引文数据库(2015-2016);中国科学引文数据库(2017-2018);中国科学引文数据库(2019-2020);日本科学技术振兴机构数据库;中国科技核心期刊;期刊分类:无线电电子学;物理学
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学术活动_第十三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集
量子技术上车了!博世第一个吃螃蟹(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】要想搞明白博世量子陀螺仪的原理,得从现在最常用的MEMS陀螺仪开始。 在IMU供应商ADI的官网上,有对MEMS陀螺仪的详细介绍,能够帮助我们理解陀螺仪的工
要想搞明白博世量子陀螺仪的原理,得从现在最常用的MEMS陀螺仪开始。
在IMU供应商ADI的官网上,有对MEMS陀螺仪的详细介绍,能够帮助我们理解陀螺仪的工作原理。简单来说,陀螺仪的工作原理就是依靠科里奥利力实现对角速度的测量。
例如从图中A点以同样的力、初速度、角度抛出小球,其每一次的落点都会在B点。但如果圆盘发生转动,小球就会落在B‘点。在这一现象中,转动参考系中观察到的运动物体的加速现象就被称为科里奥利力效应,产生的惯性力就叫科里奥利力。
图解科里奥利力
当我们知道A、B、B'之间相对距离以及小球的速度之后,就能够通过计算得出圆盘转动的角速度。
MEMS陀螺仪结构
MEMS陀螺仪与其原理相同,使用一个质量块在陀螺仪内部反复震荡。如果因偏转产生科里奥利力时,就能计算得出角速度。在实际应用中,质量块的振荡频率会较高以实现实时测量,同时也会封装多个质量块打造双核、四核陀螺仪避免因震动出现误差。
四核MEMS陀螺仪
在高精度定位的IMU模块中,拥有三轴陀螺仪和三轴加速度感应器,陀螺仪用于感知横滚、俯仰、偏转三个方向的角速度偏转,与加速度计配合,实现对位置的感知。
小鹏汽车的停车场记忆泊车就是IMU发挥实力的一个代表性场景。在停车场内,通常没有GPS信号和网络连接,定位相当困难。然而,利用IMU对车身姿态的实时感知,就能感知到车辆当前所在的位置,从而实现无GPS信号条件下定位。
小鹏汽车的空间定位和记忆泊车
因此,驾驶员只需要开车进车库一次,让车辆记下整个泊车过程,下一次车辆就能自己开。
在L4级自动驾驶中,IMU惯性测量单元的角色实际上更加重要。可以说,看似不起眼的陀螺仪其实是实现自动驾驶的核心部件之一。
博世要打造的量子陀螺仪,实现的效果和现有MEMS陀螺仪完全相同,但构成和原理却完全不同。
在物理学中,量子代表着构成物质的最小的不可分割的基本单位。博世的量子陀螺仪就采用一种碱金属铷(Rb)和一种稀有气体氙(Xe)打造了MEMS蒸汽陀螺仪,其中铷和氙两种物质都以原子形式存在,每个原子就是构成铷和氙的最小单位。
充满铷和氙的气室
博世表示,这种量子陀螺仪能够实现更稳定的位置感知,为提升自动驾驶安全性铺平了道路。
从原理上来说,量子陀螺仪也相比MEMS陀螺仪更为复杂。量子陀螺仪需要有一个密闭的气室,其中混合着铷和氙两种气体。气室的体积并不大,比较小的大约在1~10mm3,较大的有1cm3。
量子陀螺仪气室
传感器通过测量气室内原子自旋进动频率变化,从而计算得到角速度。
在下图中,加入了Z轴方向的磁场B,内部的原子就产生了拉莫尔进动现象。加上与磁场方向相同的泵浦光之后,原子就会被极化。接着,在正交于静磁场B方向(X、Y轴平面)外加频率与原子进动频率相等、均匀交变的磁场B1,核自旋回产生核磁共振,并且共振频率等于拉莫尔角频率。
量子陀螺仪原理
最后,在X、Y轴平面施加检测激光,检测拉莫尔进动频率,就能够计算出角速度。
实际上,称其为量子陀螺仪只是因为其基于量子原理,在学术界也有核磁共振陀螺仪、原子陀螺仪等名称。
博世研发人员正在测试量子陀螺仪
了解完两种陀螺仪的原理之后可以发现,量子陀螺仪的复杂程度相对更高,并且还有较高的技术门槛,那为什么博世还要造量子陀螺仪呢?
答案就在于:量子陀螺仪能够大幅提升定位精度,并且抗干扰能力强,不需要活动部件。因此很有可能在自动驾驶领域广泛应用。
三、精度提升百倍 L4能变更简单实际测试中正是如此。博世的量子陀螺仪实现了0.02deg/hr的零偏稳定性和0.005deg/√hr的角度随机游走值。与现有量产产品比较,博世量子陀螺仪的零偏稳定性相比现有产品有上百倍的提升,角度随机游走也有数十倍的提升,可以大幅度提升定位精度。
换句话说,要实现L4级自动驾驶,变得更简单了。
为什么这么说呢?
文章来源:《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0324/1475.html
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