• Twitter
• Email

Ett litet, billigt och mycket exakt gyroskop skulle kunna hjälpa drönare och förarlösa bilar att hålla sig på rätt spår utan en GPS-signal, säger forskare.

”Vårt gyroskop är 10 000 gånger noggrannare men bara 10 gånger dyrare än de gyroskop som används i vanliga mobiltelefoner”, säger Khalil Najafi, professor i teknik vid University of Michigan och professor i elektroteknik och datavetenskap.

”Det här gyroskopet är 1 000 gånger billigare än mycket större gyroskop med liknande prestanda.”

De flesta smartphones innehåller gyroskop som känner av skärmens orientering och hjälper till att räkna ut åt vilket håll vi är vända, men de har dålig precision. Därför anger telefonerna ofta felaktigt vilken riktning användaren vänder sig åt under navigering.

Det spelar egentligen ingen roll för någon på gatan eller bakom ratten, men en förarlös bil kan snabbt gå vilse om GPS-signalen går förlorad. I sina reservnavigeringssystem använder autonoma fordon för närvarande högpresterande gyroskop som är större och mycket dyrare.

”Högpresterande gyroskop är en flaskhals, och det har de varit under lång tid. Det här gyroskopet kan ta bort denna flaskhals genom att möjliggöra användning av högprecisions- och billig tröghetsnavigering i de flesta autonoma fordon”, säger Jae Yoong Cho, biträdande forskare i elektroteknik och datavetenskap.

Bättre reservnavigationsutrustning skulle också kunna hjälpa soldater att hitta rätt i områden där GPS-signaler har blockerats. Eller i ett mer vardagligt scenario skulle noggrann inomhusnavigering kunna påskynda lagerrobotar.

Tre accelerometrar och tre gyroskop, ett för varje axel i rymden, utgör enheten, som kallas för en tröghetsmätningsenhet. Enheten möjliggör navigering utan en konsekvent orienteringssignal. Men att få en bra avläsning av åt vilket håll man är på väg med befintliga IMU:er kostar så mycket att det förblir utom räckhåll, även för utrustning som är så dyr som autonoma fordon.

Nyckeln till att göra detta prisvärda, lilla gyroskop är en nästan symmetrisk mekanisk resonator. Den ser ut som en Bundt-panna korsad med ett vinglas, gjort en centimeter bred. Precis som med vinglas beror varaktigheten av den ringande tonen som produceras när man slår mot glaset på glasets kvalitet.

Men i stället för att vara ett estetiskt inslag är ringen avgörande för gyroskopets funktion. Hela apparaten använder elektroder som placeras runt glasresonatorn för att trycka och dra i glaset, vilket får det att ringa och håller det igång.

”I grund och botten vibrerar glasresonatorn i ett visst mönster. Om man plötsligt roterar den vill det vibrerande mönstret stanna kvar i sin ursprungliga orientering. Så genom att övervaka vibrationsmönstret är det möjligt att direkt mäta rotationshastighet och vinkel”, säger Sajal Singh, doktorand i el- och datateknik som var med och utvecklade tillverkningsprocessen.

Sättet som den vibrerande rörelsen rör sig genom glaset avslöjar när, hur snabbt och hur mycket gyroskopet snurrar i rymden.

För att göra resonatorerna så perfekta som möjligt börjar Najafis team med ett nästan perfekt skikt av rent glas, så kallad smält kiseldioxid, som är ungefär en kvarts millimeter tjockt. De använder en blåslampa för att värma glaset och formar det sedan till en Bundt-liknande form – känd som en ”fågelbad”-resonator eftersom den också liknar ett uppochnedvänt fågelbad.

Därefter lägger de till en metallisk beläggning på skalet och placerar elektroder runt omkring som initierar och mäter vibrationer i glaset. Det hela är inneslutet i ett vakuumpaket, ungefär lika stort som ett frimärke och en halv centimeter högt, vilket förhindrar att luft snabbt dämpar vibrationerna.

Forskarna kommer att presentera sin artikel den 25 mars vid det virtuella 7:e internationella IEEE-symposiet om tröghetssensorer & Systems.

The Defense Advanced Research Projects Agency har stött arbetet. Cho och Najafi är medgrundare av ett nystartat företag, Enertia Microsystems, baserat på den teknik som licensierats från University of Michigan.

bildtext: Den nya resonatorn och elektroderna, på ett finger för skalans skull. Resonatorn är nästan perfekt symmetrisk och tillverkad av nästan rent glas, vilket gör att den kan vibrera under långa perioder, likt ringningen av ett vinglas. (Tillbaka till: Najafi Group / U. Michigan)