Et lille, billigt og meget præcist gyroskop kan hjælpe droner og førerløse biler med at holde sig på sporet uden et GPS-signal, siger forskere.

“Vores gyroskop er 10.000 gange mere præcist, men kun 10 gange dyrere end gyroskoper, der bruges i dine typiske mobiltelefoner,” siger Khalil Najafi, professor i ingeniørvidenskab ved University of Michigan og professor i elektroteknik og datalogi.

“Dette gyroskop er 1.000 gange billigere end meget større gyroskoper med samme ydeevne.”

De fleste smartphones indeholder gyroskoper til at registrere skærmens orientering og hjælpe med at finde ud af, hvilken vej vi vender, men de har en ringe nøjagtighed. Derfor angiver telefonerne ofte forkert, hvilken retning en bruger vender under navigationen.

Det betyder ikke rigtig noget for en person på gaden eller bag rattet, men en førerløs bil kan hurtigt fare vild med et tab af GPS-signal. I deres backup-navigationssystemer bruger autonome køretøjer i øjeblikket højtydende gyroskoper, som er større og meget dyrere.

“Højtydende gyroskoper er en flaskehals, og det har de været i lang tid. Dette gyroskop kan fjerne denne flaskehals ved at muliggøre brugen af højpræcisions- og billig inertialnavigation i de fleste autonome køretøjer”, siger Jae Yoong Cho, assisterende forsker i elektroteknik og datalogi.

Bedre backup-navigationsudstyr kan også hjælpe soldater med at finde vej i områder, hvor GPS-signalerne er blevet blokeret. Eller i et mere banalt scenarie kunne præcis indendørs navigation gøre lagerrobotter hurtigere.

Tre accelerometre og tre gyroskoper, et for hver akse i rummet, udgør enheden, der kaldes en inertimåleenhed. Enheden gør det muligt at navigere uden et ensartet orienteringssignal. Men at få en god læsning af, hvilken vej man går med eksisterende IMU’er koster så meget, at det fortsat er uden for rækkevidde, selv for udstyr så dyrt som autonome køretøjer.

Nøglen til at lave dette overkommelige, lille gyroskop er en næsten symmetrisk mekanisk resonator. Den ligner en Bundt-pande krydset med et vinglas, lavet en centimeter bred. Ligesom med vinglas afhænger varigheden af den ringende tone, der opstår, når man rammer glasset, af glassets kvalitet.

Men i stedet for at være et æstetisk træk er ringen afgørende for gyroskopets funktion. Hele apparatet bruger elektroder placeret rundt om glasresonatoren til at skubbe og trække i glasset, hvilket får det til at ringe og holder det i gang.

“Dybest set vibrerer glasresonatoren i et bestemt mønster. Hvis man pludselig drejer den, vil det vibrerende mønster gerne blive i sin oprindelige retning. Så ved at overvåge vibrationsmønsteret er det muligt direkte at måle rotationshastighed og vinkel,” siger Sajal Singh, der er ph.d.-studerende i elektro- og datateknik og har været med til at udvikle fremstillingsprocessen.

Den måde, hvorpå den vibrerende bevægelse bevæger sig gennem glasset, afslører, hvornår, hvor hurtigt og hvor meget gyroskopet drejer rundt i rummet.

For at gøre resonatorerne så perfekte som muligt starter Najafis hold med en næsten perfekt plade af rent glas, kendt som smeltet silica, med en tykkelse på omkring en kvart millimeter. De bruger en blæselampe til at opvarme glasset og støber det derefter i en Bundt-lignende form – kendt som en “fuglebad”-resonator, da den også ligner et omvendt fuglebad.

Dernæst tilføjer de en metallisk belægning til skallen og placerer elektroder omkring den, der igangsætter og måler vibrationer i glasset. Det hele er indkapslet i en vakuumpakke, der er på størrelse med et frimærke og en halv centimeter høj, hvilket forhindrer luft i hurtigt at dæmpe vibrationerne.

Forskerne vil præsentere deres artikel den 25. marts på det virtuelle 7th IEEE international Symposium on Inertial Sensors & Systems.

The Defense Advanced Research Projects Agency støttede arbejdet. Cho og Najafi er medstiftere af en nystartet virksomhed, Enertia Microsystems, baseret på den teknologi, der er licenseret fra University of Michigan.

Billede: Den nye resonator og elektroder, på en finger for at få en skala. Resonatoren er næsten perfekt symmetrisk og lavet af næsten rent glas, hvilket gør det muligt for den at vibrere i lange perioder, svarende til ringen fra et vinglas. (Kilde: Najafi Group / U. Michigan)