A kutatók szerint egy kicsi, olcsó és nagy pontosságú giroszkóp segítségével a drónok és a vezető nélküli autók GPS-jel nélkül is a pályán maradhatnak.

“A giroszkópunk 10 000-szer pontosabb, de csak 10-szer drágább, mint a tipikus mobiltelefonokban használt giroszkópok” – mondja Khalil Najafi, a Michigani Egyetem mérnöki professzora, az elektrotechnika és informatika professzora.

“Ez a giroszkóp 1000-szer olcsóbb, mint a hasonló teljesítményű, sokkal nagyobb giroszkópok.”

A legtöbb okostelefon tartalmaz giroszkópot, amely érzékeli a képernyő tájolását, és segít kitalálni, hogy merre nézünk, de a pontosságuk gyenge. Ezért a telefonok gyakran tévesen jelzik, hogy a felhasználó milyen irányba néz a navigáció során.

Ez nem igazán számít annak, aki az utcán vagy a volán mögött ül, de egy vezető nélküli autó a GPS-jel elvesztésével gyorsan eltévedhet. A tartalék navigációs rendszereikben az autonóm járművek jelenleg nagy teljesítményű giroszkópokat használnak, amelyek nagyobbak és sokkal drágábbak.

“A nagy teljesítményű giroszkópok szűk keresztmetszetet jelentenek, és már régóta azok. Ez a giroszkóp megszüntetheti ezt a szűk keresztmetszetet, lehetővé téve a nagy pontosságú és olcsó inerciális navigáció használatát a legtöbb autonóm járműben” – mondja Jae Yoong Cho, a villamosmérnöki és informatikai tudományok tudományos segédmunkatársa.

A jobb tartalék navigációs berendezések segíthetnek a katonáknak a tájékozódásban olyan területeken is, ahol a GPS-jeleket zavarják. Vagy egy hétköznapibb forgatókönyv szerint a pontos beltéri navigáció felgyorsíthatná a raktári robotokat.

Három gyorsulásmérő és három giroszkóp – egy-egy a tér minden tengelyéhez – alkotja az inerciális mérőegységnek nevezett eszközt. Az eszköz következetes tájékozódási jel nélkül is lehetővé teszi a navigációt. De a meglévő IMU-kkal jól leolvasni, hogy merre megyünk, olyan sokba kerül, hogy még az olyan drága berendezések számára is elérhetetlen marad, mint az autonóm járművek.

A megfizethető, kis giroszkóp elkészítésének kulcsa egy közel szimmetrikus mechanikus rezonátor. Úgy néz ki, mint egy borospohárral keresztezett, egy centiméter szélesre készített Bundt tepsi. A borospoharakhoz hasonlóan a pohár megütésekor keletkező csengőhang időtartama a pohár minőségétől függ.

Ahelyett azonban, hogy esztétikai jellegzetesség lenne, a gyűrű kulcsfontosságú a giroszkóp működéséhez. A teljes eszköz az üvegrezonátor körül elhelyezett elektródák segítségével nyomja és húzza az üveget, így az csengőhangot ad és tartja fenn.

“Alapvetően az üvegrezonátor egy bizonyos mintázat szerint rezeg. Ha hirtelen elforgatjuk, a rezgésmintázat az eredeti orientációban akar maradni. Így a rezgésmintázat megfigyelésével közvetlenül mérhető a forgási sebesség és szög” – mondja Sajal Singh, az elektromos és informatikai mérnöki tudományok doktorandusza, aki segített a gyártási eljárás kifejlesztésében.

Az, ahogy a rezgőmozgás az üvegen keresztül mozog, elárulja, mikor, milyen gyorsan és mennyivel forog a giroszkóp a térben.

A rezonátorok minél tökéletesebbé tételéhez Najafi csapata egy közel tökéletes, körülbelül negyed milliméter vastagságú tiszta üveglapból, úgynevezett olvasztott szilícium-dioxidból indul ki. Légfúvó segítségével felmelegítik az üveget, majd egy Bundt-szerű formába öntik – amit “madárfürdő” rezonátornak neveznek, mivel egy fejjel lefelé fordított madárfürdőre is hasonlít.

Ezután fémbevonatot adnak a héjhoz, és elektródákat helyeznek köré, amelyek rezgéseket indítanak el és mérnek az üvegben. Az egészet egy vákuumcsomagolásba zárják, amely körülbelül egy postabélyeg alapterületű és fél centiméter magas, ami megakadályozza, hogy a levegő gyorsan elnyomja a rezgéseket.

A kutatók március 25-én mutatják be tanulmányukat a virtuális 7. IEEE International Symposium on Inertial Sensors & Systems című konferencián.

A Defense Advanced Research Projects Agency támogatta a munkát. Cho és Najafi társalapítói az Enertia Microsystems nevű startup cégnek, amely a Michigani Egyetemtől licencelt technológián alapul.

felirat: Az új rezonátor és az elektródák, egy ujjon a méretarányok miatt. A rezonátor szinte tökéletesen szimmetrikus, majdnem tiszta üvegből készült, ami lehetővé teszi, hogy hosszú ideig rezegjen, hasonlóan a borospohár csengéséhez. (Credit: Najafi Group / U. Michigan)