Ключевая проблема всех маленьких летающих роботов — это их «вестибулярный аппарат»: большие и дорогие гироскопы никак не хотели уменьшаться, пока инженеры не догадались перенести их оптику на обычный компьютерный чип.
Чтобы беспилотник мог летать сам по себе и при этом не врезаться в стены, ему мало знать, где он находится. Ему жизненно важно чувствовать каждое своё движение и поворот в реальном времени. Особенно остро эта проблема стоит там, где спутниковая навигация не работает: внутри зданий, в тесных уличных каньонах мегаполисов или рядом с важными объектами, где глушить сигнал GPS – обычное дело. В таких условиях вся надежда на гироскопы – приборы, которые измеряют угловую скорость с ювелирной точностью.
Самыми надежными из них считаются волоконно-оптические гироскопы. Но у них есть фатальный недостаток для маленьких дронов: они громоздкие, стоят как хороший автомобиль, и впихнуть их в компактный корпус крайне сложно.
Ученые под руководством Юн-Джэ Хуна из Национального университета Сунь Ят-сена (Тайвань) нашли обходной путь. Они предлагают использовать кремниевую фотонику — ту же технологию, что применяется для производства микросхем, — чтобы уменьшить «мозг» гироскопа до размеров рисового зернышка. В их разработке ключевые оптические элементы умещаются на одном чипе размером примерно 4 на 1,2 миллиметра. Это открывает дорогу к тому, чтобы сверхточное навигационное оборудование стало легким и доступным для массовых беспилотных систем.
Как вообще работает такой гироскоп
Внутри него свет пускают по длинной свернутой в катушку нити в двух противоположных направлениях. Если прибор неподвижен, лучи проходят путь одинаково. Но стоит ему начать вращаться — вступает в силу так называемый эффект Саньяка. Из-за вращения один луч немного запаздывает относительно другого, возникает крошечная оптическая разница фаз. Эту разницу можно измерить и перевести в точные градусы поворота. Раньше для всего этого требовался набор громоздких линз, зеркал и делителей, но теперь всю «обвязку» заменяет один кремниевый чип, сделанный по стандартным полупроводниковым технологиям.
Чтобы показания были стабильными, а не плясали от каждой вибрации, инженеры специально спроектировали компоненты так, чтобы они подавляли посторонние помехи. Их показатель подавления нежелательной поляризации (это когда свет начинает «шуметь») превышает 60 децибел — это очень хороший результат. В лабораторных испытаниях прототип показал нестабильность нуля около 0,1 градуса в час. Специалисты называют это «тактическим» уровнем точности. Но самое впечатляющее — чувствительность прибора оказалась достаточной, чтобы зафиксировать вращение самой Земли. Для гироскопов это своего рода олимпийский норматив: если видишь, как планета поворачивается под тобой, значит, прибор сделали на совесть.
Технология обещает кардинально удешевить производство. Вместо штучной сборки оптических деталей — как у ювелиров — чипы можно штамповать тысячами на обычных фабриках по производству электроники. Для промышленности это означает снижение стоимости навигационных систем для роботов-курьеров или сельскохозяйственных дронов в разы. Для науки и оборонки это шанс получать приборы, которые раньше стоили десятки тысяч долларов, за существенно меньшие деньги. Но удешевление коснется только «железа»; программная калибровка и высокоточное тестирование все равно останутся дорогими и элитными процедурами. Так что для массового потребителя в смартфонах такая точность появится нескоро, а вот для доставки еды дронами — уже вполне реалистично.
До этого момента волоконно-оптические гироскопы уменьшали, в основном, за счет сокращения длины катушки или применения новых типов волокна. Но оптические компоненты оставались «навесными». Работа тайваньской группы — это не просто улучшение, а смена парадигмы сборки. Они сделали то, что в микроэлектронике называют монолитной интеграцией: все на одном кристалле. Это заметный сдвиг от «сборки из деталей» к «печати прибора». Однако пока это именно лабораторный триумф. До выхода на рынок и превращения в серийный продукт дистанция еще огромная: нужно решить вопросы герметизации, устойчивости к перепадам температур и интеграции с лазерными источниками света, которые пока остаются внешними.
Главные конкуренты — это микроэлектромеханические (MEMS) гироскопы, которые стоят копейки и стоят в каждом смартфоне. Они дешевы, но их «сносит» (дрейфует) на десятки градусов в час — для полета вслепую это катастрофа. Альтернатива — лазерные гироскопы, они еще точнее, но огромны и дороги. Новая разработка занимает нишу посередине: она почти как MEMS по размеру, но приближается по точности к большим волоконным системам. Слабое место по сравнению с MEMS — цена (пока что), а по сравнению с классическими волоконными — меньшая длина волокна, что теоретически может ограничивать максимальную чувствительность при очень медленных вращениях. Но тайваньцы эту проблему решили за счет чистой обработки сигнала.
Ранее стало известно об успешном испытании квантовых навигаторов.