En liten, billigt och mycket exakt gyroskop, utvecklad vid University of Michigan, kan hjälpa drönare och autonoma bilar att hålla sig på rätt spår utan en GPS -signal.

"Vårt gyroskop är 10, 000 gånger mer exakt men bara 10 gånger dyrare än gyroskop som används i dina vanliga mobiltelefoner. Detta gyroskop är 1, 000 gånger billigare än mycket större gyroskop med liknande prestanda, "sa Khalil Najafi, Schlumberger-professorn i teknik vid U-M och professor i elektroteknik och datavetenskap.

De flesta smartphones innehåller gyroskop för att upptäcka skärmens orientering och hjälpa till att räkna ut åt vilket håll vi står, men deras noggrannhet är dålig. Det är anledningen till att telefoner ofta felaktigt anger vilken riktning en användare är vänd under navigering.

Det spelar ingen roll för en människa på gatan eller bakom ratten, men en förarlös bil kan gå vilse snabbt med förlust av GPS -signal. Inuti deras backup -navigationssystem, autonoma fordon använder för närvarande högpresterande gyroskop som är större och mycket dyrare.

"Högpresterande gyroskop är en flaskhals, och det har de varit länge. Detta gyroskop kan ta bort denna flaskhals genom att möjliggöra användning av hög precision och billig tröghetsnavigering i de flesta autonoma fordon, "sa Jae Yoong Cho, biträdande forskare inom elektroteknik och datavetenskap.

Bättre reservnavigeringsutrustning kan också hjälpa soldater att hitta i områden där GPS -signaler har fastnat. Eller i ett mer vardagligt scenario, korrekt inomhusnavigering kan påskynda lagerrobotar.

Enheten som möjliggör navigering utan en konsekvent orienteringssignal kallas en tröghetsmätningsenhet. Den består av tre accelerometrar och tre gyroskop, en för varje axel i rymden. Men att få en bra läsning om hur du går med befintliga IMU är så dyr att det har varit utanför intervallet, även för så dyr utrustning som autonoma fordon.

Nyckeln till att göra detta prisvärt, litet gyroskop är en nästan symmetrisk mekanisk resonator. Det ser ut som en Bundtpanna korsad med ett vinglas, gjort en centimeter bred. Som med vinglas, varaktigheten av ringsignalen som produceras när glaset träffas beror på glasets kvalitet - men istället för att vara en estetisk egenskap, ringen är avgörande för gyroskopets funktion. Hela enheten använder elektroder placerade runt glasresonatorn för att trycka och dra i glaset, får den att ringa och hålla den igång.

"I grund och botten, glasresonatorn vibrerar i ett visst mönster. Om du plötsligt roterar den, det vibrerande mönstret vill stanna i sin ursprungliga orientering. Så, genom att övervaka vibrationsmönstret är det möjligt att direkt mäta rotationshastighet och vinkel, "sa Sajal Singh, en doktorand i el- och datateknik som hjälpte till att utveckla tillverkningsprocessen.

Det sätt på vilket den vibrerande rörelsen rör sig genom glaset avslöjar när, hur snabbt och hur mycket gyroskopet snurrar i rymden.

För att göra deras resonatorer så perfekta som möjligt, Najafis team börjar med ett nästan perfekt ark av rent glas, känd som smält kiseldioxid, ungefär en kvarts millimeter tjock. De använder en blåslampa för att värma upp glaset och formar det sedan till en Bundt-liknande form-känd som en "fågelbad" -resonator eftersom det också liknar ett upp och ner fågelbad.

Sedan, de lägger till en metallisk beläggning på skalet och placerar elektroder runt det som initierar och mäter vibrationer i glaset. Det hela är inneslutet i ett vakuumförpackning, om fotavtrycket på en frimärke och en halv centimeter hög, vilket hindrar luft från att snabbt dämpa vibrationerna.

Pappret, "0,00016 deg/√hr vinkel slumpmässig gång (ARW) och 0,0014 deg/tim bias instabilitet (BI) från ett 5,2M-Q och 1 cm precisionsskalintegrerande (PSI) gyroskop, "är planerat att presenteras på det (nu virtuella) sjunde IEEE internationella symposiet om tröghetssensorer och -system, på onsdag, 25 mars.