Un giroscop mic, ieftin și foarte precis ar putea ajuta dronele și mașinile fără șofer să rămână pe traseu fără semnal GPS, spun cercetătorii.

„Giroscopul nostru este de 10.000 de ori mai precis, dar de numai 10 ori mai scump decât giroscoapele folosite în telefoanele mobile obișnuite”, spune Khalil Najafi, profesor de inginerie la Universitatea din Michigan și profesor de inginerie electrică și informatică.

„Acest giroscop este de 1.000 de ori mai puțin costisitor decât giroscoapele mult mai mari cu performanțe similare.”

Majoritatea smartphone-urilor conțin giroscoape pentru a detecta orientarea ecranului și pentru a ne ajuta să ne dăm seama în ce direcție suntem orientați, dar acestea au o precizie slabă. Acesta este motivul pentru care telefoanele indică adesea în mod incorect direcția spre care se îndreaptă utilizatorul în timpul navigării.

Aceasta nu contează cu adevărat pentru cineva de pe stradă sau de la volan, dar o mașină fără șofer s-ar putea pierde rapid în cazul pierderii semnalului GPS. În interiorul sistemelor lor de navigație de rezervă, vehiculele autonome folosesc în prezent giroscoape de înaltă performanță, care sunt mai mari și mult mai scumpe.

„Giroscoapele de înaltă performanță sunt un gât de gâtul de sticlă, și au fost pentru o lungă perioadă de timp. Acest giroscop poate elimina acest blocaj, permițând utilizarea navigației inerțiale de înaltă precizie și cu costuri reduse în majoritatea vehiculelor autonome”, spune Jae Yoong Cho, cercetător științific asistent în inginerie electrică și informatică.

Un echipament de navigație de rezervă mai bun ar putea ajuta, de asemenea, soldații să se orienteze în zonele în care semnalele GPS au fost bruiate. Sau, într-un scenariu mai banal, o navigare precisă în interior ar putea accelera roboții din depozite.

Trei accelerometre și trei giroscoape, câte unul pentru fiecare axă din spațiu, alcătuiesc dispozitivul, numit unitate de măsurare inerțială. Dispozitivul permite navigarea fără un semnal de orientare consistent. Dar obținerea unei citiri bune a direcției în care mergeți cu IMU-urile existente costă atât de mult încât rămâne în afara razei de acțiune, chiar și pentru echipamente atât de scumpe precum vehiculele autonome.

Cheia pentru realizarea acestui giroscop mic și accesibil este un rezonator mecanic aproape simetric. Acesta arată ca o tigaie Bundt încrucișată cu un pahar de vin, făcut cu un centimetru lățime. Ca și în cazul paharelor de vin, durata sunetului de apel produs atunci când loviți paharul depinde de calitatea acestuia.

Dar, în loc să fie o caracteristică estetică, inelul este crucial pentru funcționarea giroscopului. Dispozitivul complet folosește electrozi plasați în jurul rezonatorului din sticlă pentru a împinge și a trage de sticlă, făcându-l să sune și menținându-l în funcțiune.

„Practic, rezonatorul din sticlă vibrează după un anumit model. Dacă îl rotiți brusc, modelul de vibrație vrea să rămână în orientarea sa inițială. Astfel, prin monitorizarea modelului de vibrație este posibil să se măsoare în mod direct rata și unghiul de rotație”, spune Sajal Singh, un doctorand în inginerie electrică și informatică care a contribuit la dezvoltarea procesului de fabricație.

Modul în care mișcarea de vibrație se deplasează prin sticlă dezvăluie când, cât de repede și cu cât de mult se rotește giroscopul în spațiu.

Pentru a face rezonatoarele cât mai perfecte posibil, echipa lui Najafi începe cu o foaie aproape perfectă de sticlă pură, cunoscută sub numele de silice topită, cu o grosime de aproximativ un sfert de milimetru. Ei folosesc o lampă de sudură pentru a încălzi sticla și apoi o modelează într-o formă asemănătoare cu Bundt – cunoscută sub numele de rezonator „birdbath”, deoarece seamănă, de asemenea, cu o baie de pasăre întoarsă cu susul în jos.

Apoi, ei adaugă un strat metalic la înveliș și plasează electrozi în jurul acestuia care inițiază și măsoară vibrațiile din sticlă. Întregul ansamblu este învelit într-un ambalaj vidat, cu o amprentă cât un timbru poștal și o jumătate de centimetru înălțime, care împiedică aerul să amortizeze rapid vibrațiile.

Cercetătorii își vor prezenta lucrarea pe 25 martie la cel de-al 7-lea Simpozion internațional virtual IEEE privind senzorii inerțiali & Systems.

Agenția pentru proiecte de cercetare avansată în domeniul apărării (Defense Advanced Research Projects Agency) a sprijinit lucrarea. Cho și Najafi sunt co-fondatori ai unei companii nou înființate, Enertia Microsystems, bazată pe tehnologia licențiată de la Universitatea din Michigan.

capitol: Noul rezonator și electrozii, pe un deget pentru scară. Rezonatorul este aproape perfect simetric, realizat din sticlă aproape pură, ceea ce îi permite să vibreze pentru perioade lungi de timp, similar cu sunetul unui pahar de vin. (Credit: Grupul Najafi / U. Michigan)

.