Malý, levný a velmi přesný gyroskop by podle vědců mohl pomoci bezpilotním letounům a autům bez řidiče udržet stopu bez signálu GPS.

„Náš gyroskop je 10 000krát přesnější, ale jen 10krát dražší než gyroskopy používané v běžných mobilních telefonech,“ říká Khalil Najafi, profesor inženýrství na Michiganské univerzitě a profesor elektrotechniky a informatiky.

„Tento gyroskop je 1000krát levnější než mnohem větší gyroskopy s podobným výkonem.“

Většina chytrých telefonů obsahuje gyroskopy, které zjišťují orientaci obrazovky a pomáhají určit, na kterou stranu jsme otočeni, ale jejich přesnost je nízká. Proto telefony při navigaci často nesprávně ukazují, kterým směrem je uživatel otočen.

Na tom člověku na ulici nebo za volantem příliš nezáleží, ale auto bez řidiče by se při ztrátě signálu GPS mohlo rychle ztratit. Uvnitř svých záložních navigačních systémů používají autonomní vozidla v současné době vysoce výkonné gyroskopy, které jsou větší a mnohem dražší.

„Vysoce výkonné gyroskopy jsou úzkým hrdlem, a to již dlouhou dobu. Tento gyroskop může toto úzké místo odstranit tím, že umožní používat vysoce přesnou a levnou inerciální navigaci ve většině autonomních vozidel,“ říká Jae Yoong Cho, odborný asistent v oboru elektrotechniky a informatiky.

Zlepšení záložních navigačních zařízení by také mohlo pomoci vojákům najít cestu v oblastech, kde byl signál GPS rušen. Nebo ve všednějším případě by přesná navigace uvnitř budov mohla urychlit práci skladových robotů.

Tři akcelerometry a tři gyroskopy, jeden pro každou osu v prostoru, tvoří zařízení zvané inerciální měřicí jednotka. Zařízení umožňuje navigaci bez konzistentního orientačního signálu. Ale získat dobrý údaj o tom, kterým směrem se pohybujete, s existujícími IMU stojí tolik, že zůstává mimo dosah i pro tak drahá zařízení, jako jsou autonomní vozidla.

Klíčem k výrobě tohoto cenově dostupného, malého gyroskopu je téměř symetrický mechanický rezonátor. Vypadá jako buchta zkřížená se sklenicí na víno, vyrobená na šířku jednoho centimetru. Stejně jako u sklenic na víno závisí délka zvonivého tónu, který vzniká při úderu do sklenice, na kvalitě skla.

Ale místo toho, aby byl kroužek estetickým prvkem, je pro funkci gyroskopu klíčový. Celé zařízení využívá elektrody umístěné kolem skleněného rezonátoru, které tlačí a tahají na sklo, čímž ho rozeznívají a udržují v chodu.

„V podstatě skleněný rezonátor vibruje podle určitého vzoru. Pokud jej náhle otočíte, vibrační vzor chce zůstat v původní orientaci. Sledováním vibračního vzoru je tedy možné přímo měřit rychlost a úhel otáčení,“ říká Sajal Singh, doktorand v oboru elektrotechniky a informatiky, který se podílel na vývoji výrobního procesu.

Způsob, jakým se vibrační pohyb pohybuje sklem, odhaluje, kdy, jak rychle a o kolik se gyroskop otáčí v prostoru.

Aby byly rezonátory co nejdokonalejší, začíná Najafiho tým s téměř dokonalým plátem čistého skla, známého jako tavený křemík, silným asi čtvrt milimetru. Pomocí pájecí lampy sklo zahřejí a pak ho vytvarují do tvaru podobného Bundtově – známého jako rezonátor „ptačí lázeň“, protože také připomíná obrácenou ptačí lázeň.

Poté přidají na plášť kovový povlak a kolem něj umístí elektrody, které iniciují a měří vibrace ve skle. Celá věc je uzavřena ve vakuovém obalu o velikosti poštovní známky a výšce půl centimetru, který zabraňuje rychlému utlumení vibrací vzduchem.

Výzkumníci přednesou svůj příspěvek 25. března na virtuálním 7. mezinárodním sympoziu IEEE o inerciálních senzorech & Systems.

Práci podpořila Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty. Cho a Najafi jsou spoluzakladateli začínající společnosti Enertia Microsystems, která je založena na technologii licencované Michiganskou univerzitou.

titulek: Nový rezonátor a elektrody, na prstu kvůli měřítku. Rezonátor je téměř dokonale symetrický, vyrobený z téměř čistého skla, což mu umožňuje dlouhodobě vibrovat, podobně jako zvoní sklenička na víno. (Kredit: Najafi Group / U. Michigan)