Ein kleines, preiswertes und hochpräzises Gyroskop könnte Drohnen und fahrerlosen Autos helfen, auch ohne GPS-Signal auf Kurs zu bleiben, sagen Forscher.

„Unser Gyroskop ist 10.000-mal genauer, aber nur 10-mal teurer als Gyroskope, die in typischen Mobiltelefonen verwendet werden“, sagt Khalil Najafi, Professor für Ingenieurwesen an der University of Michigan und Professor für Elektrotechnik und Computerwissenschaften.

„Dieses Gyroskop ist 1.000-mal billiger als viel größere Gyroskope mit ähnlicher Leistung.“

Die meisten Smartphones enthalten Gyroskope, die die Ausrichtung des Bildschirms erkennen und dabei helfen, herauszufinden, in welche Richtung wir schauen, aber sie sind nicht sehr genau. Deshalb zeigen Telefone bei der Navigation oft falsch an, in welche Richtung der Nutzer schaut.

Für jemanden auf der Straße oder hinter dem Steuer spielt das keine Rolle, aber ein fahrerloses Auto könnte sich bei einem Verlust des GPS-Signals schnell verfahren. In ihren Backup-Navigationssystemen verwenden autonome Fahrzeuge derzeit Hochleistungs-Gyroskope, die größer und viel teurer sind.

„Hochleistungs-Gyroskope sind ein Engpass, und das schon seit langem. Dieses Gyroskop kann diesen Engpass beseitigen, indem es die Verwendung von hochpräziser und kostengünstiger Trägheitsnavigation in den meisten autonomen Fahrzeugen ermöglicht“, sagt Jae Yoong Cho, ein Assistenzforscher in Elektrotechnik und Informatik.

Bessere Ersatznavigationsgeräte könnten auch Soldaten helfen, sich in Gebieten zurechtzufinden, in denen GPS-Signale gestört werden. Oder in einem alltäglicheren Szenario könnte eine genaue Navigation in Innenräumen Lagerroboter beschleunigen.

Drei Beschleunigungsmesser und drei Gyroskope, eines für jede Achse im Raum, bilden das Gerät, das als Inertialmesseinheit bezeichnet wird. Das Gerät ermöglicht die Navigation ohne ein einheitliches Orientierungssignal. Aber mit den vorhandenen IMUs ist es so teuer, dass sie selbst für so teure Geräte wie autonome Fahrzeuge unerschwinglich sind.

Der Schlüssel zur Herstellung dieses erschwinglichen, kleinen Gyroskops ist ein fast symmetrischer mechanischer Resonator. Er sieht aus wie eine Gugelhupfform gekreuzt mit einem Weinglas, das einen Zentimeter breit ist. Wie bei Weingläsern hängt die Dauer des Klingeltons, der beim Anschlagen des Glases erzeugt wird, von der Qualität des Glases ab.

Allerdings ist der Ring kein ästhetisches Merkmal, sondern für die Funktion des Kreisels entscheidend. Das gesamte Gerät verwendet Elektroden, die um den Glasresonator herum angeordnet sind, um auf das Glas zu drücken und zu ziehen und es so zum Klingen zu bringen und in Bewegung zu halten.

„Im Grunde schwingt der Glasresonator in einem bestimmten Muster. Wenn man ihn plötzlich dreht, will das Schwingungsmuster in seiner ursprünglichen Ausrichtung bleiben. Durch die Überwachung des Schwingungsmusters ist es also möglich, die Drehrate und den Drehwinkel direkt zu messen“, sagt Sajal Singh, ein Doktorand der Elektro- und Computertechnik, der an der Entwicklung des Herstellungsverfahrens beteiligt war.

Die Art und Weise, wie sich die vibrierende Bewegung durch das Glas bewegt, gibt Aufschluss darüber, wann, wie schnell und um wie viel sich das Gyroskop im Raum dreht.

Um die Resonatoren so perfekt wie möglich zu machen, beginnt Najafis Team mit einer nahezu perfekten Platte aus reinem Glas, so genanntem Quarzglas, die etwa einen Viertel Millimeter dick ist. Mit einer Lötlampe erhitzen sie das Glas und formen es dann zu einer bündelartigen Form, die als „Vogelbad“-Resonator bezeichnet wird, da sie auch einer auf dem Kopf stehenden Vogeltränke ähnelt.

Dann fügen sie der Hülle eine Metallbeschichtung hinzu und platzieren um sie herum Elektroden, die Schwingungen im Glas auslösen und messen. Das Ganze ist in einem etwa briefmarkengroßen und einen halben Zentimeter hohen Vakuumgehäuse untergebracht, das verhindert, dass die Vibrationen schnell durch Luft gedämpft werden.

Die Forscher werden ihre Arbeit am 25. März auf dem virtuellen 7th IEEE international Symposium on Inertial Sensors & Systems vorstellen.

Die Defense Advanced Research Projects Agency unterstützte die Arbeit. Cho und Najafi sind Mitbegründer eines Startup-Unternehmens, Enertia Microsystems, das auf der von der University of Michigan lizenzierten Technologie basiert.

Bildunterschrift: Der neue Resonator und die Elektroden, maßstabsgerecht auf einem Finger. Der Resonator ist nahezu perfekt symmetrisch und besteht aus nahezu reinem Glas, so dass er über lange Zeiträume schwingen kann, ähnlich wie das Klingeln eines Weinglases. (Credit: Najafi Group / U. Michigan)