Mały, niedrogi i bardzo dokładny żyroskop mógłby pomóc dronom i samochodom bez kierowcy pozostać na torze bez sygnału GPS, twierdzą naukowcy.

„Nasz żyroskop jest 10,000 razy dokładniejszy, ale tylko 10 razy droższy niż żyroskopy używane w typowych telefonach komórkowych”, mówi Khalil Najafi, profesor inżynierii na Uniwersytecie Michigan oraz profesor elektrotechniki i informatyki.

„Ten żyroskop jest 1000 razy tańszy od znacznie większych żyroskopów o podobnej wydajności.”

Większość smartfonów zawiera żyroskopy, które wykrywają orientację ekranu i pomagają zorientować się, w którą stronę jesteśmy zwróceni, ale mają one słabą dokładność. Dlatego telefony często błędnie wskazują kierunek, w którym użytkownik jest zwrócony podczas nawigacji.

To nie ma znaczenia dla kogoś na ulicy lub za kierownicą, ale samochód bez kierowcy może zgubić się szybko z utratą sygnału GPS. Wewnątrz swoich zapasowych systemów nawigacyjnych, autonomiczne pojazdy używają obecnie żyroskopów o wysokiej wydajności, które są większe i znacznie droższe.

„Żyroskopy o wysokiej wydajności są wąskim gardłem, i były przez długi czas. Ten żyroskop może usunąć to wąskie gardło, umożliwiając korzystanie z wysokiej precyzji i tanich nawigacji inercyjnej w większości pojazdów autonomicznych”, mówi Jae Yoong Cho, asystent naukowca w inżynierii elektrycznej i informatyki.

Better backup sprzętu nawigacyjnego może również pomóc żołnierzom znaleźć drogę w obszarach, w których sygnały GPS zostały zagłuszone. Lub w bardziej przyziemnym scenariuszu, dokładna nawigacja w pomieszczeniach może przyspieszyć roboty magazynowe.

Trzy akcelerometry i trzy żyroskopy, po jednym dla każdej osi w przestrzeni, składają się na urządzenie, zwane inercyjną jednostką pomiarową. Urządzenie umożliwia nawigację bez spójnego sygnału orientacyjnego. Ale uzyskanie dobrego odczytu, w którą stronę idziesz z istniejącymi IMU kosztuje tak dużo, że pozostaje poza zasięgiem, nawet dla sprzętu tak drogiego jak pojazdy autonomiczne.

Kluczem do stworzenia tego niedrogiego, małego żyroskopu jest niemal symetryczny rezonator mechaniczny. Wygląda on jak patelnia Bundt skrzyżowana z kieliszkiem do wina, o szerokości jednego centymetra. Podobnie jak w przypadku kieliszków do wina, czas trwania dźwięku dzwonka wytwarzanego po uderzeniu w kieliszek zależy od jakości szkła.

Ale zamiast być cechą estetyczną, pierścień jest kluczowy dla funkcji żyroskopu. Kompletne urządzenie wykorzystuje elektrody umieszczone wokół szklanego rezonatora, które naciskają i ciągną szkło, sprawiając, że dzwoni i utrzymuje je w ruchu.

„Zasadniczo, szklany rezonator wibruje w określonym wzorze. Jeśli nagle obrócisz go, wzór wibracji chce pozostać w oryginalnej orientacji. Tak więc, poprzez monitorowanie wzoru wibracji można bezpośrednio zmierzyć szybkość obrotu i kąt” – mówi Sajal Singh, doktorant inżynierii elektrycznej i komputerowej, który pomagał w opracowaniu procesu produkcji.

Sposób, w jaki ruch wibracyjny przemieszcza się przez szkło ujawnia, kiedy, jak szybko i jak bardzo żyroskop obraca się w przestrzeni.

Aby uczynić rezonatory tak doskonałymi, jak to tylko możliwe, zespół Najafiego zaczyna od niemal doskonałej tafli czystego szkła, znanego jako krzemionka topiona, o grubości około ćwierć milimetra. Używają palnika do podgrzewania szkła, a następnie formują je w kształt przypominający Bundta – znany jako rezonator „birdbath”, ponieważ przypomina on również odwróconą do góry nogami wanienkę dla ptaków.

Następnie dodają metaliczną powłokę do powłoki i umieszczają wokół niej elektrody, które inicjują i mierzą wibracje w szkle. Całość jest zamknięta w opakowaniu próżniowym, o wielkości znaczka pocztowego i wysokości pół centymetra, co zapobiega szybkiemu tłumieniu drgań przez powietrze.

Badacze przedstawią swoją pracę 25 marca na wirtualnym 7th IEEE International Symposium on Inertial Sensors & Systems.

Obronna Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych wsparła prace. Cho i Najafi są współzałożycielami firmy startupowej, Enertia Microsystems, opartej na technologii licencjonowanej z University of Michigan.

caption: Nowy rezonator i elektrody, na palcu dla skali. Rezonator jest niemal idealnie symetryczny, wykonany z niemal czystego szkła, co pozwala mu wibrować przez długi czas, podobnie jak dzwonienie kieliszka do wina. (Credit: Najafi Group / U. Michigan)

.