Michigan Üniversitesi araştırmacı profesörlerinden
Khalil Najafi ve ekibi,
bir GPS sinyali olmasa bile kendi kendine giden (otonom) arabaların ve dronların rotada kalmasına yardımcı olmak için küçük ve düşük maliyetli ve son derece hassas bir jiroskop geliştirdi
.
Birdbath Resonator Gyroscope (BRG) olarak adlandırılan ultra yüksek hassasiyetli MEMS jiroskopu mükemmel simetrikte ve saf camdan yapıldı. Cam yapısı, cihazın bir bardak çınlamasına benzer şekilde uzun süre titreşmesini sağlamakta. Najafi, "yeni geliştirilen jiroskopun bugün tipik cep telefonlarında kullanılan jiroskoplardan 10.000 kat daha doğru sonuç verdiğini, ancak şimdilik 10 kat daha pahalı üretim maliyetine sahip olduğunu, ayrıca, bu jiroskopun benzer performansa sahip çok daha büyük jiroskoplardan 1000 kat daha ucuz olduğunu" belirtti. Jiroskop (ölçüm hassasiyetini anlayabilmeniz için), test sonuçlarında, (yeryüzü konumlandırması ve uçan araçlar için yükseklik ve alçaklık irtifaları dahil) tam 2 mm hassasiyetle ölçüm yapmaktadır. Yani sabit hızda giden bir araç 2 mm sağ da mı, 2 mm solda mı, yoksa 2 mm yukarı da mı, aşağıda mı tam ölçüm yapıyor. Bu, piyasa da bulunan diğer jiroskoplar için resmen bir devrim.
| Konunun önemini daha iyi anlayabilmeniz için; 1956 yılında IBM tarafından üretilen ve 5 mb hafızaya sahip, yaklaşık 1 ton ağırlığında bir harddisk'in uçağa yüklenirken fotoğrafları internette mevcut. O teknolojiden 55 yıl sonra, avuç içine sığabilen, 2 tb kapasiteli usb bellek üretildi. Günümüzde kullanılan jiroskoplar da tam olarak 1956 yılının harddiski gibi ölçüm hassasiyeti zayıf ve yüksek hassasiyete sahip olanlar ise çok büyük, pahalı ve ağır cihazlar. İşte 55 yıllık bu teknoloji farkını bu icat edilen jiroskop bir anda kapattı. Yani jiroskop cihazları için bu gelişme tam bir çağ atlamak diyebiliriz. |
Yapısı
Geliştirilen jiroskop, çoğu otonom araçta yüksek hassasiyetli ve düşük maliyetli ataletsel navigasyonun kullanılmasını sağlayacak. Rezonatörleri olabildiğince mükemmel hale getirmek için ekip, erimiş silika olarak bilinen neredeyse tam pürüssüz, mükemmel saf cam tabakasını aldı, yaklaşık çeyrek milimetre kalınlığında ve camı ısıtmak için bir üfleyici kullanarak Bundt'a kalıpladı. BirdBath "kuş banyosu" rezonatörü olarak bilinen ve baş aşağı bir kuş banyosuna benzeyen son şekli ile üretildi.
Çalışma mantığı olarak dış kabuğa metalik bir kaplama ilave edilmiş ve camdaki titreşimleri başlatmak ve ölçmek için etrafına elektrotlar yerleştirilmiş. Tüm bileşenler, havanın titreşimleri hızla sönümlemesini önlemek için bir posta pulu kalınlığında ve yarım santimetre uzunluğunda bir vakumlu paket içerisine yerleştirilmiş. Tüm jiroskop (vakumlu kutusu da dahil) toplam iki santimetreden daha küçük bir boyuta sahip.
Geleceği Değiştirecek Bir Teknoloji!
Dr. Najafi, "Çoğu akıllı telefon, ekranın yönünü tespit etmek ve hangi yöne baktığımızı anlamaya yardımcı olmak için jiroskoplar içerir, ancak doğrulukları zayıftır. Telefonların, kullanıcının navigasyon sırasında hangi yöne baktığını genellikle yanlış bir şekilde belirtmesinin nedeni budur. Bu durum sokaktaki veya direksiyonun başındaki bir insan için çok önemli değildir, ancak sürücüsüz bir araç GPS sinyali kaybedilen noktalarda hızlı bir şekilde yönünü kaybedebilir. Otonom araçlar şu anda daha büyük ve çok daha pahalı olan yüksek performanslı jiroskoplar kullanıyor. Bu jiroskop ile, çoğu otonom araç yüksek hassasiyetli ve düşük maliyetli ataletsel navigasyonun kullanılmasını sağlayabilecek.” dedi.
Bu yeni teknolojik gelişme ile daha iyi sonuç veren navigasyon cihazları üretilebilir, üretim alanlarında, depo robotlarını doğru konumlandırarak, çalışmayı doğru şekilde hızlandırabilir. Tutarlı bir yönlendirme sinyali olmadan konumlandırma sağlayan cihaza ataletsel ölçüm birimi denir. Uzayda her eksen için bir tane olmak üzere 3 ivmeölçer ve 3 jiroskop uydusu bulunur. Ancak mevcut IMU'larla hangi yöne gittiğinizi belirlemek otonom araçlar içerisinde kullanılan büyük cihazlara kıyasla çok çok daha pahalıdır. Bu ekonomik küçük jiroskopu üretmenin anahtarı simetrik bir mekanik rezonatördür. Bir santimetre genişliğinde yapılmış bir cam ile çaprazlanmış bir Bundt'ta, cama vurulduğunda (bardaklarda olduğu gibi) üretilen zil sesinin süresi camın kalitesini gösterir. Ancak bu jiroskop için bu özellik estetik olmaktan daha çok teknolojiktir. Titreşim başlatmak için cam rezonatörün etrafına elektrotlar yerleştirilmiştir.
“Temel olarak, cam rezonatör belirli bir düzende titreşir. Aniden döndürürseniz, titreşimli desen orijinal yönünde kalmak ister. Bu nedenle, titreşim paternini izleyerek dönme hızını ve açısını doğrudan ölçmek mümkündür ”diyor elektrik ve bilgisayar mühendisliği doktora öğrencisi olan, aynı zamanda üretim sürecinin geliştirilmesine de katkı sağlayan Sajal Singh. Titreşim hareketinin camdan geçme şekli, jiroskopun ne zaman, ne kadar hızlı ve ne kadar döndüğünü gösterir.
Rezonatörlerini olabildiğince mükemmel hale getirmek için Najafi'nin ekibi, yaklaşık milimetrenin dörtte biri kalınlığında kaynaşmış silika olarak bilinen neredeyse mükemmel bir saf cam tabakası kullandı.
PSI Gyro Rezonatör
PSI gyro rezonatörünün Q faktörü 5,1 milyon Q'dur. Bu da, havasız vakumlu paketi içinde beş dakikadan fazla titreşebilir demek oluyor. Yüksek Q faktörü önemlidir, çünkü titreşimin bir moddan diğerine etkili bir şekilde aktarılması için rezonatörün mümkün olduğunca temiz olması gerekir. Bu teknolojiyi üretmek için rezonatör, titreşim modlarını algılayan jantın etrafına yerleştirilmiş elektrotlar ve bir cam substrata tutturulur. Bir rezonatörde yüksek bir Q faktörü, kütle ve sertlik elde etmek (bu boyuta küçültüldüğünde) çok daha zordur, bu da PSI jiroskopunu benzersiz kılan şeydir. Bu jiroskop rezonatörünün mükemmel konum doğruluğu tespit edebilme özelliğinin bir başka sırrı da, yüksek bir kütle ve sertlik özelliğidir.
GPS Olmadan Doğru Konum İzleme
BirdBath rezonatör, araştırmacıların bir akıllı telefon jiroskopunun aksine 10.000 kat daha iyi verimlilik üretme düşüncesi karşılığı olarak ortaya çıktı. Otonom araç üreticileri bu yeni jiroskop ile aradıkları şeyi bulmuş oldular. Örnek olarak, yeni gyro ile donatılan bir otonom araç, 50 m/s hızında, GPS olmadan nispeten düz bir yolda ilerlerken sadece
2 milimetre hassasiyetle ölçüm yapacaktır. Bu rakam 5 dakika sonra, max.
30 santimetreye kadar yükselecektir. Buna karşılık ise, standart bir otomotiv jiroskopu, bir dakika sonra kabaca
7 metre ve 5 dakika sonra kabaca
850 metre konumsal bir hata sergilemektedir. Araştırma ekibi, bu performansı sergileyen yeni jiroskopun çok ucuz olmasına rağmen, askeri sınıf çok pahalı denizaltılarda bulunanlar jiroskoplarla karşılaştırılabilir derecede hassas ölçüm yaptığını söylemektedir. PSI gyronun ticari üretimi için hazırlıklar tüm hızıyla devam ediyor. Başlangıçta otonom araçlar, robotik ve tüketici elektroniği hedeflenecek.
Araştırma, İleri Savunma Araştırma Projeleri Ajansı tarafından desteklenmekte. Dr. Najafi, Enertia Microsystems'in kurucu ortağıdır.
