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  [GT] 1만 배 더 정확해지는 자이로스코프 개발
대부분의 스마트 폰에는 자이로스코프(Gyroscope)가 내장되어 있어 ...




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    1만 배 더 정확해지는 자이로스코프 개발


    대부분의 스마트 폰에는 자이로스코프(Gyroscope)가 내장되어 있어 화면의 방향을 감지하고 화면이 어디를 향하고 있는지를 알아내지만 사실 그 정확도는 그다지 높지 않다. 내비게이션 기능을 사용하는 중 사용자가 향하고 있는 방향을 잘 못 나타내는 경우가 종종 있는데 바로 이러한 이유 때문이다.


    사람이 길거리에 있거나 운전 중일 때 이것은 사실 큰 문제는 아니다. 그러나 자율 주행 자동차의 경우는 그렇지 않다. GPS 신호를 없어지면 이러한 자동차는 곧바로 혼란에 빠지기 때문이다. 따라서 백업 내비게이션 시스템 내에서 오늘날의 자율 주행 자동차는 더 크고 비싼 고성능 자이로스코프를 사용한다.


    이러한 이유로 오늘날의 고성능 자이로스코프는 자율 주행 자동차 산업에서 하나의 장애물이다. 이 문제는 꽤 오랫동안 해결되지 못했다. 그러나 최근 미시간 대학교에서 개발된 작고 저렴하며 고도의 정밀도를 제공하는 자이로스코프가 이러한 장애물을 제거할 것 같다. 대부분의 자율 주행 자동차에 고도로 정밀하면서도 비용은 저렴한 관성 내비게이션을 제공해줄 수 있기 때문이다. 이 새로운 자이로스코프는 1만 배 더 정확하지만 가격은 현재 일반 휴대 전화에 사용되는 자이로스코프보다 10배 정도 더 비싸다. 그러나 이 자이로스코프는 비슷한 성능을 지닌 ? 현재 자율 주행 자동차에 적용되는 - 훨씬 큰 자이로스코프보다 가격이 1,000배 더 저렴하다.


    이 자이로스코프는 GPS 신호가 혼잡한 지역에서 군인들이 경로를 찾는 데 도움을 줄 수 있는 보다 향상된 백업 내비게이션 시스템의 핵심을 구성할 수 있다. 조금 더 일상적으로 보면, 정확한 실내 내비게이션 능력은 창고나 물류 로봇들의 속도를 더 빠르게 만들 수 있다.


    지속적인 방향신호 없이 내비게이션을 가능하게 하는 장치를 관성 측정 장치라 부른다. 이 장치는 3개의 가속도계와 3개의 자이로스코프로 구성되는데, 각각 공간의 한 축을 맡는다. 그러나 기존 관성 측정 장치를 활용하여 이것을 해내려면 너무나 큰 비용이 드는데, 이 비용은 자율 주행 자동차에 적용하기에도 버거울 정도다.


    미시건 대학교가 개발한 자이로스코프가 저렴한 이유는 이것이 거의 대칭적인 기계식 공진기를 갖춘 작은 자이로스코프라는 데 있다. 이 자이로스코프는 와인 잔과 비슷한 도넛 모양으로 크기가 약 1cm이다. 와인 잔이 부딪칠 때 생기는 소리의 지속 시간은 미학적 특성이 아니라 유리의 품질에 달려 있다. 마찬가지로 이러한 울림이 이 자이로스코프의 기능에 매우 중요하다. 이 완전한 장치는 유리 공진기 주위에 놓인 전극을 활용하여, 유리를 밀고 당기면서 울림을 만들고 그것을 계속 유지한다.


    유리 공진기는 지정된 패턴으로 진동하며 갑자기 회전하면 진동 패턴이 원래 방향으로 유지되는데, 이에 따라 진동 패턴을 모니터링하여 회전 속도와 각도를 직접 측정할 수 있는 것이다. 진동 운동이 유리를 통과하는 방식이 공간에서 자이로스코프가 얼마나 빨리 그리고 얼마나 많이 회전하는지를 나타낸다.


    이 유리 공진기를 최대한 완벽하게 만들기 위해, 미시간 대학 연구팀은 약 1/4mm 두께의, 용융 실리카(fused-silica)로 알려진 매우 이상적인 순수 유리 시트로 시작했다. 이들은 소형 발염(發炎) 장치를 사용하여 유리를 가열한 후 도넛 모양의 유리 공진기로 성형했다.


    이후, 금속 코팅을 하고, 그 주변에 전극을 배치하여 유리에 진동을 일으키고 측정했다. 이 모든  과정은 진공으로 진행되었다. 미 국방연구계획국(DARPA)이 자금을 지원한 이 연구는 최근 관성 센서 및 시스템에 관한 제7회 IEEE 국제 심포지엄에서 발표되었다.


    - University of Michigan, March 23, 2020, “Small, Precise and Affordable Gyroscope for Navigating without GPS,” Nicole Casal Moore and Kate McAlpine.  ⓒ 2020 The Regents of the University of Michigan.  All rights reserved.


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