Un piccolo, economico e altamente accurato giroscopio potrebbe aiutare droni e auto senza conducente a rimanere in pista senza un segnale GPS, dicono i ricercatori.

“Il nostro giroscopio è 10.000 volte più preciso ma solo 10 volte più costoso dei giroscopi usati nei tipici telefoni cellulari”, dice Khalil Najafi, professore di ingegneria all’Università del Michigan e professore di ingegneria elettrica e informatica.

“Questo giroscopio è 1.000 volte meno costoso di giroscopi molto più grandi con prestazioni simili.”

La maggior parte degli smartphone contengono giroscopi per rilevare l’orientamento dello schermo e aiutare a capire da che parte siamo rivolti, ma hanno una scarsa precisione. Questo è il motivo per cui i telefoni spesso indicano erroneamente la direzione in cui l’utente è rivolto durante la navigazione.

Questo non ha molta importanza per qualcuno in strada o al volante, ma un’auto senza conducente potrebbe perdersi rapidamente con una perdita del segnale GPS. All’interno dei loro sistemi di navigazione di backup, i veicoli autonomi utilizzano attualmente giroscopi ad alte prestazioni che sono più grandi e molto più costosi.

“I giroscopi ad alte prestazioni sono un collo di bottiglia, e lo sono stati per molto tempo. Questo giroscopio può rimuovere questo collo di bottiglia consentendo l’uso di navigazione inerziale ad alta precisione e a basso costo nella maggior parte dei veicoli autonomi”, dice Jae Yoong Cho, un assistente ricercatore in ingegneria elettrica e informatica.

Migliore attrezzatura di navigazione di backup potrebbe anche aiutare i soldati a trovare la loro strada in aree dove i segnali GPS sono stati bloccati. O in uno scenario più mondano, una navigazione interna accurata potrebbe accelerare i robot di magazzino.

Tre accelerometri e tre giroscopi, uno per ogni asse nello spazio, compongono il dispositivo, chiamato unità di misura inerziale. Il dispositivo permette la navigazione senza un segnale di orientamento coerente. Ma ottenere una buona lettura su dove si sta andando con le IMU esistenti costa così tanto che rimane fuori portata, anche per attrezzature costose come i veicoli autonomi.

La chiave per fare questo piccolo giroscopio accessibile è un risonatore meccanico quasi simmetrico. Assomiglia a una padella Bundt incrociata con un bicchiere da vino, fatto di un centimetro di larghezza. Come per i bicchieri da vino, la durata del suono prodotto quando si colpisce il bicchiere dipende dalla qualità del vetro.

Ma invece di essere una caratteristica estetica, l’anello è fondamentale per il funzionamento del giroscopio. Il dispositivo completo utilizza elettrodi posti intorno al risonatore di vetro per spingere e tirare il vetro, facendolo suonare e facendolo andare avanti.

“Fondamentalmente, il risonatore di vetro vibra in un certo modo. Se lo si ruota improvvisamente, il modello di vibrazione vuole rimanere nel suo orientamento originale. Quindi, monitorando il modello di vibrazione è possibile misurare direttamente il tasso e l’angolo di rotazione”, dice Sajal Singh, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica che ha contribuito a sviluppare il processo di produzione.

Il modo in cui il movimento vibratorio si muove attraverso il vetro rivela quando, quanto velocemente e di quanto il giroscopio gira nello spazio.

Per rendere i risonatori più perfetti possibile, il team di Najafi inizia con un foglio quasi perfetto di vetro puro, noto come silice fusa, spesso circa un quarto di millimetro. Usano una fiamma ossidrica per riscaldare il vetro e poi lo modellano in una forma simile a un bundt – noto come un risonatore “birdbath” poiché assomiglia anche a una vasca per uccelli capovolta.

Poi, aggiungono un rivestimento metallico al guscio e mettono elettrodi intorno ad esso che iniziano e misurano le vibrazioni nel vetro. Il tutto è racchiuso in un pacchetto di vuoto, circa l’impronta di un francobollo e alto mezzo centimetro, che impedisce all’aria di smorzare rapidamente le vibrazioni.

I ricercatori presenteranno la loro carta il 25 marzo al virtuale 7 ° IEEE international Symposium on Inertial Sensors & Systems.

La Defense Advanced Research Projects Agency ha sostenuto il lavoro. Cho e Najafi sono cofondatori di una startup, Enertia Microsystems, basata sulla tecnologia concessa in licenza dall’Università del Michigan.

capitolo: Il nuovo risonatore e gli elettrodi, su un dito per la scala. Il risonatore è quasi perfettamente simmetrico, fatto di vetro quasi puro, permettendo di vibrare per lunghi periodi, simile al suono di un bicchiere di vino. (Credito: Najafi Group / U. Michigan)