Een kleine, goedkope, en zeer nauwkeurige gyroscoop kan drones en bestuurderloze auto’s helpen om op koers te blijven zonder een GPS-signaal, zeggen onderzoekers.

“Onze gyroscoop is 10.000 keer nauwkeuriger, maar slechts 10 keer duurder dan gyroscopen die worden gebruikt in uw typische mobiele telefoons,” zegt Khalil Najafi, professor in engineering aan de Universiteit van Michigan en een hoogleraar in elektrotechniek en computerwetenschappen.

“Deze gyroscoop is 1.000 keer goedkoper dan veel grotere gyroscopen met vergelijkbare prestaties.”

De meeste smartphones bevatten gyroscopen om de oriëntatie van het scherm te detecteren en ons te helpen bepalen welke kant we opkijken, maar ze zijn niet erg nauwkeurig. Daarom geven telefoons tijdens het navigeren vaak foutief aan in welke richting de gebruiker kijkt.

Dat maakt voor iemand op straat of achter het stuur niet zo veel uit, maar een bestuurderloze auto kan snel verdwalen als het GPS-signaal wegvalt. In hun backup-navigatiesystemen gebruiken autonome voertuigen momenteel gyroscopen met hoge prestaties die groter en veel duurder zijn.

“Gyroscopen met hoge prestaties zijn een knelpunt, en dat zijn ze al een hele tijd. Deze gyroscoop kan dit knelpunt wegnemen door het gebruik van hoge-precisie en goedkope traagheidsnavigatie mogelijk te maken in de meeste autonome voertuigen,” zegt Jae Yoong Cho, een assistent-onderzoekswetenschapper in elektrotechniek en computerwetenschappen.

Betere back-upnavigatieapparatuur zou soldaten ook kunnen helpen hun weg te vinden in gebieden waar GPS-signalen zijn gestoord. Of in een meer alledaags scenario zou nauwkeurige navigatie binnenshuis magazijnrobots kunnen versnellen.

Drie versnellingsmeters en drie gyroscopen, een voor elke as in de ruimte, vormen het apparaat, een inertiële meeteenheid genaamd. Het apparaat maakt navigatie mogelijk zonder een consistent oriëntatiesignaal. Maar het krijgen van een goede lezing over welke kant je op gaat met bestaande IMU’s kost zo veel dat het buiten bereik blijft, zelfs voor apparatuur zo duur als autonome voertuigen.

De sleutel tot het maken van deze betaalbare, kleine gyroscoop is een bijna symmetrische mechanische resonator. Het ziet eruit als een Bundt pan gekruist met een wijnglas, gemaakt een centimeter breed. Net als bij wijnglazen hangt de duur van de beltoon die wordt geproduceerd wanneer je het glas raakt af van de kwaliteit van het glas.

Maar in plaats van een esthetisch kenmerk, is de ring van cruciaal belang voor de functie van de gyroscoop. Het complete apparaat maakt gebruik van elektroden die rond de glazen resonator zijn geplaatst om aan het glas te duwen en te trekken, waardoor het gaat rinkelen en aan de gang blijft.

“In principe trilt de glazen resonator in een bepaald patroon. Als je het plotseling draait, wil het trilpatroon in zijn oorspronkelijke oriëntatie blijven. Door het trillingspatroon te volgen, is het dus mogelijk om de rotatiesnelheid en -hoek rechtstreeks te meten”, zegt Sajal Singh, een doctoraalstudent elektrotechniek en computertechniek die het fabricageproces heeft helpen ontwikkelen.

De manier waarop de trillende beweging door het glas beweegt, onthult wanneer, hoe snel, en met hoeveel de gyroscoop in de ruimte draait.

Om de resonatoren zo perfect mogelijk te maken, begint Najafi’s team met een bijna perfecte plaat zuiver glas, bekend als gesmolten-silica, ongeveer een kwart millimeter dik. Ze gebruiken een brander om het glas te verhitten en gieten het dan in een Bundt-achtige vorm – bekend als een “vogelbad” resonator omdat het ook lijkt op een omgekeerd vogelbad.

Daarna voegen ze een metalen coating toe aan het omhulsel en plaatsen ze er elektroden omheen die trillingen in het glas initiëren en meten. Het geheel is ingekapseld in een vacuüm pakket, ongeveer de voetafdruk van een postzegel en een halve centimeter hoog, dat voorkomt dat lucht snel de trillingen dempt.

De onderzoekers zullen hun paper 25 maart presenteren op het virtuele 7e IEEE internationale symposium over inertiële sensoren & systemen.

Het Defense Advanced Research Projects Agency ondersteunde het werk. Cho en Najafi zijn medeoprichters van een startup bedrijf, Enertia Microsystems, gebaseerd op de technologie in licentie van de Universiteit van Michigan.

caption: De nieuwe resonator en elektroden, op een vinger voor schaal. De resonator is bijna perfect symmetrisch, gemaakt van bijna zuiver glas, waardoor het gedurende lange perioden kan vibreren, vergelijkbaar met het rinkelen van een wijnglas. (Credit: Najafi Groep / U. Michigan)