Um giroscópio com a embalagem a vácuo aberta, revelando o ressonador.

Introduzido um giroscópio barato e preciso para rastrear veículos autônomos sem GPS

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Tão bom quanto o GPS, não é um sistema que possa ser totalmente confiável em todos os momentos. Existem muitas situações em que um sistema GPS pode falhar ou não estar disponível, como quando você está dirigindo por um túnel. Os sistemas que rastreiam a localização geralmente usam Unidades Internas de Medição (IMUs), que são uma combinação de acelerômetros e giroscópios, para estimar a posição, rastreando alterações na aceleração e rotação.

A precisão desses sistemas depende da precisão dos sensores nessas IMUs. Naturalmente, quanto maior e mais caro o giroscópio, melhor eles estão fazendo um bom trabalho de rastreamento ao longo do tempo.

Infelizmente, giroscópios grandes e caros não são adequados para muitos sistemas, incluindo alguns veículos autônomos que não são apenas aplicáveis ​​ao uso na estrada, mas também em ambientes menos tolerantes, como debaixo d’água ou em cavernas e cavernas, onde o espaço é limitado.

Agora, pesquisadores da Universidade de Michigan, liderados por Khalil Najafi, anunciaram o desenvolvimento de um giroscópio preciso e barato para rastrear veículos autônomos sem GPS. A pesquisa da equipe foi apresentada no Simpósio Internacional IEEE sobre sensores e sistemas inerciais.

Um giroscópio com a embalagem a vácuo aberta, revelando o ressonador.

O novo giroscópio com a embalagem a vácuo aberta, revelando o ressonador dentro. Imagem creditada ao Najafi Group

Conseguir rastreamento preciso e autonomia a longo prazo

De acordo com o trabalho de pesquisa, a equipe desenvolveu um novo tipo de giroscópio chamado giroscópio de precisão com integração celular (PSI). Eles afirmam que é “10.000 vezes mais preciso, mas … 10 vezes mais caro que os giroscópios usados ​​em seu telefone celular típico”.

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Diz-se também que oferece o mesmo ou melhor desempenho que os giroscópios maiores a uma fração do custo, teoricamente significando que o rastreamento altamente preciso da localização e a autonomia a longo prazo podem ser alcançados não apenas para veículos autônomos, mas também para eletrônicos de consumo.

O foco da pesquisa é muito em veículos autônomos, com a equipe explicando que o giroscópio PSI é necessário para veículos autônomos não tripulados que possam se perder sem um sinal de GPS. Se um sistema GPS falhar, os veículos autônomos usam um giroscópio de alto desempenho em seus sistemas de navegação de reserva, mas estes são maiores e muito caros.

Uma estrutura ressonante única

Para entender como o giroscópio PSI da equipe é supostamente mais preciso e, ao mesmo tempo, menor e relativamente barato, precisamos olhar para o coração dele – uma estrutura ressonante feita de vidro revestido de metal ultra-puro.

A maneira como as vibrações se movem através do vidro revela quão rápido e quanto o giroscópio está girando. Para tornar essa medida o mais precisa possível, a equipe de pesquisa começou com uma folha de vidro de sílica fundida pura. Eles então usaram um maçarico para aquecê-lo e moldá-lo na forma de copo de vinho (um “ressonador de banho de pássaros”) antes de adicionar um revestimento metálico ao invólucro e colocar eletrodos em torno dele para iniciar e medir as vibrações.

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Birdbath Resonator

Esse ressonador de banho de pássaros é melhor para medir a rotação do que os ressonadores convencionais em forma de diapasões encontrados em smartphones. Isso ocorre porque a forma axissimétrica significa que a vibração inicial e a ‘segunda vibração’ induzidas pelo efeito Coriolis ocorrem quase na mesma frequência. Portanto, quando o efeito Coriolis transfere energia do primeiro para o segundo modo, é mais eficiente e você obtém mais vibração por rotação, resultando em maior sensibilidade e em um número de rotação mais preciso.

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O ressonador também possui um alto ‘fator Q’, uma medição adimensional da razão entre a energia armazenada em um ressonador e quanta energia é perdida por oscilação. O giroscópio típico de um smartphone possui um fator Q de algumas centenas e vibra por menos de um segundo porque perde rapidamente energia mecânica, acústica e térmica.

Ressonador giroscópio

O ressonador do giroscópio PSI. Imagem creditada ao Najafi Group

Ressonador Giroscópio PSI

Por outro lado, o ressonador do giroscópio PSI possui um fator Q de 5,1 milhões, o que significa que ele pode vibrar por mais de cinco minutos quando embalado no vácuo. Um fator Q alto é importante porque, para uma transferência efetiva da vibração de um modo para outro, o ressonador precisa estar o mais limpo possível.

O ressonador é anexado a um substrato de vidro com eletrodos ao redor da borda que o acionam e detectam os modos de vibração do ressonador. Quando embalado em sua caixa selada a vácuo, o giroscópio inteiro mede menos de dois centímetros de tamanho. Obter um alto fator Q, massa e rigidez em um ressonador é muito mais difícil quando reduzido para esse tamanho, que é o que torna o giroscópio PSI único.

Outras características do ressonador de banho de aves que atribuem à sua precisão incluem uma alta massa e rigidez.

Rastreamento AV preciso sem GPS

Juntas, todas as características do ressonador de banho de pássaro se traduzem no que os pesquisadores descrevem como uma eficiência 10.000 vezes melhor em comparação com um giroscópio de smartphone. Isso significa que é facilmente sensível o suficiente para uso em um veículo autônomo para um rastreamento automático preciso sem GPS.

Por exemplo, um veículo autônomo viajando a 50 m / h sem GPS por uma estrada relativamente plana enquanto equipado com um giroscópio PSI exibirá apenas dois milímetros de erro. Após cinco minutos, isso aumentará para apenas 30 centímetros. Por outro lado, um giroscópio automotivo padrão exibirá um erro de posição de aproximadamente sete metros após um minuto e aproximadamente 850 após cinco minutos.

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Esse desempenho, diz a equipe de pesquisa, é comparável ao encontrado em submarinos de nível militar, apesar de ser substancialmente mais barato.

Os planos de produção comercial do giroscópio PSI já estão em pleno andamento, com a equipe por trás dele já tendo formado uma start-up, a Enertia Microsystems, para comercializar o giroscópio PSI e um design semelhante chamado Giroscópio Ressonante para Birdbath (BRG). A partida terá como alvo veículos autônomos, robótica e eletrônicos de consumo.

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