Благодаря специальной антенне, в перспективе устройство получит возможность самостоятельно обеспечивать себя энергией и поддерживать беспроводное соединение, используя радиоволны.
Гироскопы и акселерометры – это датчики, которые используются для навигации, то есть для определения скорости, ускорения и положения объекта в пространстве. Благодаря этому они получили широкое распространение в смартфонах (например, для определения ориентации экрана), самолетах, космической технике, морских судах, гироскутерах, роботах и других устройствах.
В настоящее время для электронной промышленности серийно производятся и широко используются навигационные датчики МЭМС (микроэлектромеханические системы). Эти датчики отличаются доступной ценой, небольшими размерами, малым весом, низким энергопотреблением и высокой точностью при измерении навигационных параметров. МЭМС-датчики идеально подходят для навигации в мобильных устройствах, различных типах пилотируемого и беспилотного транспорта, а также в системах автоматизации. Вместе с тем, из-за особенностей конструкции, подобные устройства обладают невысокой прочностью, что ограничивает их надежность в оборудовании, эксплуатируемом при значительных физических воздействиях. В частности, это актуально для систем точной установки строительных свай или навигации промышленных производственных линий.
«Учитывая трудность условий эксплуатации, нами создан прототип датчиков нового типа, предназначенных для навигационных систем. Использование альтернативных по сравнению с МЭМС-технологиями конструктивных решений позволит этим датчикам выдерживать значительно большие нагрузки, при этом сохранив компактность, высокую точность и небольшой вес», – рассказал заведующий кафедрой прикладной механики и инженерной графики, доцент кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» Александр Сергеевич Кукаев.
Навигационный датчик, разработанный в ЛЭТИ, основан на использовании поверхностных акустических волн (механических колебаний), возникающих на поверхности кристалла из пьезоэлектрического материала. Он позволяет осуществлять преобразование электрического сигнала в механические колебания и обратно.
Датчик функционирует следующим образом: на пьезоэлектрическую пластину подается электрический ток, что вызывает колебания ее поверхности и повышает ее чувствительность к различным внешним факторам, таким как изменения температуры, давления, ускорения, угловой скорости и другим параметрам. В процессе колебаний характеристики пьезоэлектрика претерпевают изменения, и при преобразовании акустических волн обратно в электричество параметры тока отличаются от исходного сигнала. Именно эти изменения и регистрирует датчик.
На основе анализа полученных данных можно с большой степенью уверенности установить ориентацию любого перемещающегося объекта, оснащенного данным устройством. Также стоит отметить, что пьезоэлектрические материалы отличаются доступной ценой и высокой надежностью, а в конструкции самого датчика не предусмотрены движущиеся элементы. Благодаря этому навигационный датчик, разработанный в ЛЭТИ, способен функционировать при значительных перегрузках.
«В настоящее время мы сосредоточены на создании полностью автономного устройства путем интеграции миниатюрной антенны в датчик. Данное решение позволит одновременно осуществлять беспроводную связь и питание. В будущем такие устройства могут стать инновационным типом компактных навигационных датчиков для различных технических систем, функционирующих в условиях значительных физических воздействий», – рассказала аспирант кафедры ЛИНС СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Мария Александровна Сорвина.
Сотрудники ЛЭТИ обратились с заявкой в Российский научный фонд на получение гранта для создания теоретической основы разработки в рамках заявленной темы.