Een kleine, goedkope en zeer nauwkeurige gyroscoop, ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan, zou kunnen helpen drones en autonome auto's op het goede spoor te blijven zonder een GPS-signaal.

"Onze gyroscoop is 10, 000 keer nauwkeuriger maar slechts 10 keer duurder dan gyroscopen die in uw typische mobiele telefoons worden gebruikt. Deze gyroscoop is 1, 000 keer goedkoper dan veel grotere gyroscopen met vergelijkbare prestaties, " zei Khalil Najafi, de Schlumberger Professor of Engineering aan de UM en een professor in de elektrotechniek en informatica.

De meeste smartphones bevatten gyroscopen om de richting van het scherm te detecteren en te helpen bepalen in welke richting we kijken, maar hun nauwkeurigheid is slecht. Ze zijn de reden waarom telefoons vaak ten onrechte aangeven in welke richting een gebruiker kijkt tijdens het navigeren.

Het maakt niet veel uit voor een mens op straat of achter het stuur, maar een auto zonder bestuurder kan snel verdwalen met een verlies van het GPS-signaal. In hun back-upnavigatiesystemen, autonome voertuigen gebruiken momenteel krachtige gyroscopen die groter en veel duurder zijn.

"High-performance gyroscopen zijn een knelpunt, en dat zijn ze al heel lang. Deze gyroscoop kan dit knelpunt wegnemen door het gebruik van zeer nauwkeurige en goedkope traagheidsnavigatie in de meeste autonome voertuigen mogelijk te maken. " zei Jae Yoong Cho, een assistent-onderzoeker in elektrotechniek en informatica.

Betere back-upnavigatieapparatuur kan soldaten ook helpen hun weg te vinden in gebieden waar GPS-signalen zijn vastgelopen. Of in een meer alledaags scenario, nauwkeurige binnennavigatie kan magazijnrobots versnellen.

Het apparaat dat navigatie mogelijk maakt zonder een consistent oriënterend signaal, wordt een traagheidsmeeteenheid genoemd. Het bestaat uit drie versnellingsmeters en drie gyroscopen, één voor elke as in de ruimte. Maar goed lezen welke kant je op gaat met bestaande IMU's is zo prijzig dat het buiten bereik is, zelfs voor apparatuur die zo duur is als autonome voertuigen.

De sleutel om dit betaalbaar te maken, kleine gyroscoop is een bijna symmetrische mechanische resonator. Het ziet eruit als een Bundt-pan gekruist met een wijnglas, een centimeter breed gemaakt. Net als bij wijnglazen, de duur van de beltoon die wordt geproduceerd wanneer het glas wordt geraakt, hangt af van de kwaliteit van het glas, maar in plaats van een esthetisch kenmerk te zijn, de ring is cruciaal voor de functie van de gyroscoop. Het complete apparaat maakt gebruik van elektroden die rond de glazen resonator zijn geplaatst om op het glas te duwen en te trekken, laten rinkelen en doorgaan.

"In principe, de glasresonator trilt in een bepaald patroon. Als je hem plotseling draait, het vibrerende patroon wil in zijn oorspronkelijke oriëntatie blijven. Dus, door het trillingspatroon te bewaken is het mogelijk om de rotatiesnelheid en -hoek direct te meten, " zei Sajal Singh, een doctoraatsstudent in elektrotechniek en computertechniek die het productieproces heeft helpen ontwikkelen.

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

Om hun resonatoren zo perfect mogelijk te maken, Najafi's team begint met een bijna perfecte plaat van puur glas, bekend als gesmolten silica, ongeveer een kwart millimeter dik. Ze gebruiken een steekvlam om het glas te verwarmen en het vervolgens in een Bundt-achtige vorm te gieten - bekend als een "vogelbad" -resonator, omdat het ook lijkt op een omgekeerd vogelbad.

Vervolgens, ze voegen een metalen coating toe aan de schaal en plaatsen er elektroden omheen die trillingen in het glas initiëren en meten. Het geheel is verpakt in een vacuümverpakking, over de voetafdruk van een postzegel en een halve centimeter hoog, die voorkomt dat lucht de trillingen snel dempt.

De krant, "0.00016 graden/√hr hoek random walk (ARW) en 0.0014 deg/hr bias instability (BI) van een 5.2M-Q en 1-cm precisie shell integrerende (PSI) gyroscoop, " staat gepland om te worden gepresenteerd op het (nu virtuele) 7e internationale IEEE-symposium over inertiële sensoren en systemen, op woensdag, 25 maart.