Un gyroscope petit, peu coûteux et très précis pourrait aider les drones et les voitures sans conducteur à rester sur la bonne voie sans signal GPS, affirment des chercheurs.

« Notre gyroscope est 10 000 fois plus précis mais seulement 10 fois plus cher que les gyroscopes utilisés dans vos téléphones portables typiques », explique Khalil Najafi, professeur d’ingénierie à l’Université du Michigan et professeur de génie électrique et d’informatique.

« Ce gyroscope est 1 000 fois moins cher que des gyroscopes beaucoup plus grands avec des performances similaires. »

La plupart des smartphones contiennent des gyroscopes pour détecter l’orientation de l’écran et aider à déterminer de quel côté nous sommes tournés, mais leur précision laisse à désirer. C’est pourquoi les téléphones indiquent souvent de manière incorrecte la direction vers laquelle l’utilisateur est tourné pendant la navigation.

Cela n’a pas vraiment d’importance pour quelqu’un dans la rue ou derrière le volant, mais une voiture sans conducteur pourrait se perdre rapidement avec une perte de signal GPS. A l’intérieur de leurs systèmes de navigation de secours, les véhicules autonomes utilisent actuellement des gyroscopes à haute performance qui sont plus grands et beaucoup plus chers.

« Les gyroscopes à haute performance sont un goulot d’étranglement, et ils l’ont été pendant longtemps. Ce gyroscope peut supprimer ce goulot d’étranglement en permettant l’utilisation d’une navigation inertielle de haute précision et à faible coût dans la plupart des véhicules autonomes », explique Jae Yoong Cho, chercheur adjoint en génie électrique et informatique.

Un meilleur équipement de navigation de secours pourrait également aider les soldats à trouver leur chemin dans les zones où les signaux GPS ont été brouillés. Ou dans un scénario plus banal, une navigation intérieure précise pourrait accélérer les robots d’entrepôt.

Trois accéléromètres et trois gyroscopes, un pour chaque axe dans l’espace, composent le dispositif, appelé unité de mesure inertielle. Le dispositif permet la navigation sans un signal d’orientation cohérent. Mais obtenir une bonne lecture de la direction dans laquelle vous allez avec les IMU existants coûte tellement cher qu’il reste hors de portée, même pour des équipements aussi coûteux que les véhicules autonomes.

La clé pour fabriquer ce petit gyroscope abordable est un résonateur mécanique presque symétrique. Il ressemble à un moule à Bundt croisé avec un verre à vin, fait d’un centimètre de large. Comme pour les verres à vin, la durée de la sonnerie produite lorsque vous frappez le verre dépend de la qualité du verre.

Mais au lieu d’être une caractéristique esthétique, la sonnerie est cruciale pour le fonctionnement du gyroscope. Le dispositif complet utilise des électrodes placées autour du résonateur en verre pour pousser et tirer sur le verre, le faisant sonner et le faisant continuer.

« Fondamentalement, le résonateur en verre vibre selon un certain modèle. Si vous le faites tourner soudainement, le motif de vibration veut rester dans son orientation initiale. Donc, en surveillant le motif de vibration, il est possible de mesurer directement la vitesse et l’angle de rotation », explique Sajal Singh, un doctorant en génie électrique et informatique qui a participé à la mise au point du procédé de fabrication.

La façon dont le mouvement vibratoire se déplace à travers le verre révèle quand, à quelle vitesse et de combien le gyroscope tourne dans l’espace.

Pour rendre les résonateurs aussi parfaits que possible, l’équipe de Najafi commence avec une feuille presque parfaite de verre pur, connu sous le nom de silice fondue, d’environ un quart de millimètre d’épaisseur. Ils utilisent un chalumeau pour chauffer le verre, puis le moulent en une forme semblable à celle d’un Bundt – connu sous le nom de résonateur « birdbath » puisqu’il ressemble également à un bain d’oiseaux renversé.

Puis, ils ajoutent un revêtement métallique à la coque et placent des électrodes autour d’elle qui initient et mesurent les vibrations dans le verre. Le tout est enfermé dans un emballage sous vide, de l’empreinte d’un timbre-poste et d’un demi-centimètre de hauteur, qui empêche l’air d’amortir rapidement les vibrations.

Les chercheurs présenteront leur article le 25 mars au 7e symposium international virtuel de l’IEEE sur les systèmes de capteurs inertiels &.

La Defense Advanced Research Projects Agency a soutenu ces travaux. Cho et Najafi sont cofondateurs d’une startup, Enertia Microsystems, basée sur la technologie sous licence de l’Université du Michigan.

caption : Le nouveau résonateur et les électrodes, sur un doigt pour l’échelle. Le résonateur est presque parfaitement symétrique, fabriqué en verre presque pur, ce qui lui permet de vibrer pendant de longues périodes, comme la sonnerie d’un verre à vin. (Crédit : Groupe Najafi / U. Michigan)