SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL

2008
SENSORES
INERCIALES
EN ROBÓTICA
MÓVIL
Introducción
al Diseño de Micro Robots
Móviles
El presente documento propone un primer contacto con la
robótica móvil. Llevando a cabo un repaso a través de
algunos componentes críticos que le dan forma como son
los acelerómetros y los giróscopos. Para terminar se hace
referencia a aplicaciones reales y de actualidad para
asimilar por completo la potencia que pueden tener dichos
componentes.
Berbel Millán, Víctor
Collada Nevado, José Andrés
Díaz Pardo, Carlos
Poudereux Clemente, Pablo
Departamento de Electrónica
01/11/2008
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
INDICE
INTRODUCCIÓN.......................................................................4
Estructura y propósito del trabajo................................................. 4
Introducción al mundo de los sensores inerciales ......................... 5
Funcionamiento básico.................................................................. 6
Tipos y tecnologías existentes ...................................................... 6
¿Qué es un Acelerómetro? ......................................................6
¿Qué es un Giróscopo? ...........................................................8
Tecnologías ...........................................................................9
Ejemplos de sensores inerciales.................................................. 10
Giróscopo Futaba GY-401 para aeromodelismo ........................ 10
Acelerómetro de 2 ejes robonova s300474.............................. 10
Giróscopo piezoelectrico PK3 ................................................. 10
ACELEROMETRO.....................................................................11
Funcionamiento........................................................................... 11
Teoría de operación para medir inclinación:................................ 12
Calculo distancias........................................................................ 13
Tipos de acelerómetros ............................................................... 15
Piezo-electronicos ................................................................ 15
Piezo-resistivo ..................................................................... 16
Acelerómetro de galgas extensométricas (Strain gage based) ... 16
Láser.................................................................................. 17
Térmico .............................................................................. 18
Condensador ....................................................................... 18
Sensores Concretos..................................................................... 19
ADXL320 ............................................................................ 19
MXD7202GL ........................................................................ 20
GIROSCOPOS .........................................................................21
Introducción ............................................................................... 21
Propiedades del giróscopo .......................................................... 22
2
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Rigidez giroscópica............................................................... 22
Precesión ............................................................................ 22
Tipos de giróscopos..................................................................... 23
Giróscopo mecánico ............................................................. 23
Giróscopo óptico .................................................................. 25
Giróscopos electrónicos ........................................................ 30
Otros giróscopos.................................................................. 36
APLICACIONES REALES .........................................................40
Wii .............................................................................................. 40
Introducción........................................................................ 40
Acelerómetro......................................................................... 41
Giróscopos ........................................................................... 43
Crash test dummies .................................................................... 43
Introducción .......................................................................... 43
Acelerómetros ....................................................................... 44
Sensores de carga .................................................................. 46
Sensores de movimiento........................................................... 46
Seguridad automotriz.................................................................. 46
Modelos reales..................................................................... 51
CONCLUSIONES .....................................................................54
ÍNDICE DE FIGURAS ..............................................................56
BIBLIOGRAFIA ......................................................................58
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
Estructura y propósito del trabajo
El objetivo que intentamos perseguir con la realización de este
trabajo no es otro que el acercar a los alumnos el interesante mundo
de los sensores inerciales en el contexto de la robótica móvil.
Dicho propósito no busca ofrecer una exhaustiva documentación de
carácter altamente técnico, sino exponer primero los conocimientos
más básicos para comprender lo que son los sensores inerciales, y
sobre todo describir a nivel práctico dos modelos concretos de sus
dos tipos más importantes (un acelerómetro y un giróscopo) para que
también pueda servir de guía o manual para iniciarse en su
utilización. También, por último, uno de los objetivos del presente
documento el describir brevemente algunos de los proyectos reales
que existen y se benefician de esta tecnología. Para ello, hemos
dividido la estructura de este trabajo en cuatro partes bien
diferenciadas:
-
-
-
En la primera parte hablaremos de las bases
teóricas y lo que se debe saber sobre los sensores
inerciales, que son, funcionamiento básico, tipos, y
relación con la robótica móvil con algunos
ejemplos que es lo que nos interesa.
En la segunda y tercera parte se describe más
en profundidad cada uno de los tipos más
importantes que existen. Un apartado para cada
uno, estos son los acelerómetros y los giróscopos,
en cada uno de estos apartados se explicará
concretamente su funcionamiento y tecnología
además de exponer como referente un modelo
particular que se puede comprar, para exponer sus
características y su utilización.
En el último bloque del documento hablaremos
de varios proyectos reales, también fuera o más
alejado del ámbito de la robótica móvil, pero que
son muy interesantes por su avance y su
repercusión tanto técnica como social. Estamos
hablando por ejemplo del muy conocido mando de
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
control del sistema de entretenimiento doméstico
“Wii”, o por poner otro ejemplo de los sistemas de
automoción basados en sistemas inerciales para
aumentar la seguridad y/o comodidad del usuario.
Introducción al mundo de los sensores inerciales
En robótica, como ya sabemos, los sensores los utilizamos para
poder captar información del mundo exterior, y que esta permita
realizar algo útil o sea parte de un objetivo más complejo para el
sistema, estos forman parte del sistema de percepción del robot.
Existen multitud de tipos de sensores, en este trabajo abordaremos
aquellos que son llamados sensores inerciales. Pero para poder
definirlo correctamente, deberíamos empezar primero por definir lo
que es un sensor, y luego especificar lo particular de los sensores
inerciales, es decir que los diferencian del resto.
Un sensor se puede definir como un dispositivo (normalmente
eléctrico y/o mecánico) que detecta una determinada acción externa,
tal como temperatura, presión, etc., y la transmite adecuadamente.
Componente fundamental de cualquier robot, cuyo programa
computacional decide que hacer basándose en esa información y en
sus
propias
instrucciones.
(diccionario
de
robótica
http://www.quizma.cl/robotica/diccionario.htm )
Ahora que sabemos esto, podemos definir entonces a un sensor
inercial como aquel que se utiliza para medir las variaciones de
velocidad en un cuerpo, que pueden ser lineales (medidas por los
acelerómetros) ó angulares (medidas por los giróscopos).También es
importante saber que con algunos cálculos también se pueda obtener
la velocidad o la distancia recorrida puesto que realmente lo que
miden es la segunda derivada de la posición.
¿Donde
estoy?
Figura 1: robot perdido
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Funcionamiento básico
El principio físico de funcionamiento de estos sensores radica la
existencia de una masa, llamada “masa de prueba” que se sitúa en su
interior. El movimiento (ya sea lineal o angular) de dicha masa
respecto al sistema de referencia del sensor es lo que se mide y esto
nos indica el movimiento que ha tenido el objeto o robot en el que se
halle.
De ahí su nombre, sensores inerciales o de inercia debido al
desplazamiento que experimenta su masa.
Figura 2: Sensor inercial de choque
Tipos y tecnologías existentes
Prácticamente existen dos grandes tipos de sensores inerciales,
ya que, aunque hay más tipos de sensores cuyo fin es la orientación
(brújulas, distancia, etc…), son los acelerómetros y los giróscopos los
que realmente se basan en los principios de inercia.
¿Qué es un Acelerómetro?
Estos sensores, como su propio nombre indica, miden
aceleraciones, variaciones de velocidad lineal, es decir, aceleraciones
lineales.
Esta medición no es más que la fuerza de inercia generada
cuando a una masa se le aplica un cambio de velocidad, puesto que
se aplican las leyes básicas de Newton, conocida la masa.
Un acelerómetro por tanto también puede ser usado
perfectamente para determinar la posición de un cuerpo, ya que al
conocer su aceleración en todo momento, es posible calcular los
desplazamientos que tuvo. Considerando que se conocen la posición y
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
velocidad original del robot, y sumando los desplazamientos medidos
se determina la posición con pocas operaciones.
Según J.M. Pastor García, son sobre todo tres las cosas que
puede hacer variar esta fuerza:
-
La tensión de un muelle
La deformación de un elemento
Laa deformación de una masa
El esquema básico de un acelerómetro esta compuesto por tres
elementos importantes (masa, elemento o mecanismo de suspensión
y sensor), aunque puede variar su complejidad según la tecnología y
su grado de especificación, sería el siguiente:
Masa
Mecanismo de suspensión
Sensor
Figura 3: Esquema acelerómetro
Su montaje es sencillo y permite al robot conocer las
velocidades al inclinarse en varios ejes. Los costes son muy variables,
aunque los más baratos son sencillos y en robótica móvil funcionan
bastante bien, los más costosos incluyen realimentación para mejorar
la linealidad y aportan mayor precisión.
Figura 4 y 5: sensor en robonova 2
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
En robótica móvil se suelen usar normalmente para detectores
de choque, vibraciones, inclinación del terreno, y también como
posición.
¿Qué es un Giróscopo?
Estos sensores miden velocidades angulares o de rotación. Por
su origen y por su principio relacionado con la física, también son
llamados giroscopios.
La señal que devuelven sirve para medir la rotación de la masa
pues es proporcional a su velocidad angular. La cantidad de tipos
concretos de giróscopos que existen es inmensa, y a veces se aplican
diferentes principios.
Está formado por un cuerpo que gira alrededor de su eje de
simetría. Cuando se somete el giroscopio a una fuerza que tiende a
cambiar la orientación del eje de rotación su comportamiento es
aparentemente paradójico ya que el eje de rotación, en lugar de
cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia
de orientación en una dirección perpendicular a la dirección
"intuitiva". (www.wikipedia.org).
El ya bautizado como “efecto giróscopo” es en el que se basan
juguetes como la peonza.
De acuerdo con la mecánica del sólido rígido, además de la
rotación alrededor de su eje de simetría, un giróscopo presenta en
general dos movimientos principales: la precesión y la nutación. Este
hecho se deduce directamente de las ecuaciones de Euler. Aunque no
vamos a entrar en ello en profundidad, pues en el apartado de
giróscopos se explicará más claramente, es importante saber que se
basa en estos dos tipos de movimientos, gracias a los cuales
podemos
medir
finalmente
las
aceleraciones
angulares.
(www.wikipedia.org). En la siguiente imagen tenemos el esquema
básico de un giróscopo.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 6: Esquema básico giróscopo
Uno de los usos normales de los giróscopos en robótica móvil es
como sensores de cambio de dirección.
Tecnologías
Entre el abundante mundo de los
giróscopos, se utilizan varias tecnologías.
acelerómetros
y
los
Dentro de los acelerómetros tenemos:
-
Capacitivos
Piezoeléctricos
Extensiométricos
Etc…
Y las tecnologías más utilizadas en los giróscopos son:
-
Fibra óptica
Piezoelectricos
Anillo laser
Estructura vibrante
Cuánticos
Etc…
En los apartados correspondientes de este documento se
describirá más en profundidad estas tecnologías y tipos.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Ejemplos de sensores inerciales
Giróscopo Futaba GYGY-401 para aeromodelismo
Utilizado en helicópteros de aeromodelismo para corregir los
cambios bruscos de dirección.
Figura 7: Giróscopo Futaba
Acelerómetro de 2 ejes robonova s300474
Sensor acelerómetro capaz de mostrar el ángulo de inclinación
de 2 planos X e Y con gran precisión, bajo consumo y alta precisión.
Figura 8: Acelerómetro robonova
Giróscopo piezoelectrico PK3
Giróscopo piezoeléctrico utilizado habitualmente en aviones y
helicópteros de radiocontrol para compensar de forma automática los
giros bruscos.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 9: Giróscopo PK3
ACELEROMETRO
Funcionamiento
El funcionamiento básico de un acelerómetro se basa en los
desplazamientos que sufre una masa conocida
con los cambios de
aceleración. Dicha masa esta enganchada con dos muelles a sus
extremos, con lo que aplicando la ley de Newton se puede obtener la
aceleración. Al mover el cuerpo con cierta aceleración a aparece
sobre él una fuerza de inercia, F = m*a, que es medida con un
resorte, usando la ley de Hooke, F = k*x, siendo x el alargamiento
del resorte y k su constante elástica.
Si determinamos la distancia recorrida por la masa con un
potenciómetro o resistor variable, conoceremos la distancia y por
tanto la aceleración producida en la masa.
Este sistema permitiría por tanto medir la aceleración producida
por la fuerza de la gravedad, lo que resulta útil en los inclinómetros.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 10: sistema masa-resorte
Teoría de operación para medir inclinación:
Como se ha dicho, este sensor es capaz de medir la fuerza de la
gravedad terrestre si se coloca uno de sus ejes perpendiculares a la
superficie de la tierra. Pero la medida de aceleración no es lineal, ya
que la señal es en función del seno del ángulo al que se ponga el
sensor con respecto a la superficie de la tierra.
En el siguiente gráfico puede verse la señal obtenida con
respecto a la inclinación de 0 a 180º.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 11: gráfica inclinación acelerómetro
Como se observa en la grafica la salida no es lineal. Por tanto
para determinar correctamente la medida del sensor se ha de
procesar
calculando el arccos. Aunque para cambios pequeños del
ángulo se podría considerar como una recta facilitando los cálculos.
Calculo distancias
Aplicando la integral a la aceleración en un espacio de tiempo,
se puede determinar la velocidad que adquiere el objeto. Y si
aplicamos la integral de esa velocidad (aplicamos la segunda integral
a la aceleración) podemos obtener la distancia recorrida por el
objeto; observemos un ejemplo:
Tenemos un objeto que se mueve a velocidad constante
durante 8 segundos y a partir de ese momento adquiere una
aceleración de 9,8 m/s², queremos obtener la velocidad adquirida con
dicha aceleración en los dos siguientes segundos. Aplicando la
integral obtenemos que:
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Ahora si solo queremos determinar la distancia recorrida por el
objeto al aplicarle durante dos segundos una aceleración de 9,8 m/s²
se puede calcular aplicando la segunda integral a la aceleración:
Como se puede observar con un acelerómetro y determinado
durante cuanto tiempo se ha producido dicha aceleración se puede
obtener tanto la velocidad del objeto como la distancia recorrida,
utilizada por ejemplo al producirse impactos laterales en algunos
robots que los desvían de su posición predeterminada.
Figura 12: gráficas aceleración, velocidad y distancia
Aplicando estos cálculos, y utilizando un acelerómetro que
trabajara en dos ejes(x e y) se podría determinar la posición y
velocidad cada pocos periodos de tiempo de un robot, conociendo así
en todo momento por donde se desplaza el robot si se parte de una
posición conocida.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Si este sistema se aplica con alguno que pueda determinar la
posición exacta en ciertos momentos, se podría obtener un sistema
muy fiable de posicionamiento en un tablero de juego por parte del
robot.
Tipos de acelerómetros
PiezoPiezo-electronicos
El funcionamiento de este tipo de acelerómetros se basa en las
propiedades de los cristales piezo-eléctricos. Estos cristales cuando
son sometidos a alguna fuerza (compresión, flexión, extensión)
producen una corriente eléctrica. Así que poniendo un cristal de este
tipo entre la carcasa (unida al objeto cuya aceleración se quiere
medir) y una masa inercial se producirá una corriente cuando ocurra
una aceleración (la masa ejercerá una fuerza sobre el cristal).
Midiendo esta corriente podremos calcular la aceleración, bien
directamente si se trata de un acelerómetro de salida de corriente
(culombios/g) o bien convirtiéndola a un voltaje de baja impedancia
si se trata de un acelerómetro de salida de voltaje.
Figura 13: Diagrama de un acelerómetro piezo-eléctrico
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ROBÓTICA MÓVIL
PiezoPiezo-resistivo
Un acelerómetro piezo-resistivo a diferencia de uno piezoeléctrico utiliza un sustrato en vez de un cristal piezo-eléctrico, en
esta tecnología las fuerzas que ejerce la masa sobre el sustrato
varían su resistencia, que forma parte de un circuito que mediante un
puente de Whetstone mide la intensidad de la corriente. La ventaja
de esta tecnología respecto a la piezo-eléctrica es que pueden medir
aceleraciones hasta cero Hz de frecuencia.
Figura 14: Diagrama de un acelerómetro piezo-resistivo
Acelerómetro de galgas extensométricas
extensométricas (Strain
(Strain gage based)
based)
En
este
tipo
de
acelerómetro
una
(o
más)
galgas
extensométricas hacen de puente entre la carcasa del instrumento y
la masa inercial, la aceleración produce una deformación de la galga
que se traduce en una variación en la corriente detectada por un
puente de Whetstone, la deformación es directamente proporcional a
la aceleración aplicada al acelerómetro. Al igual que en el piezoresistivo la respuesta de frecuencia llega hasta los cero Hz.
16
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 15: Acelerómetro galgas estensométricas
Láser
Este tipo de acelerómetro es más bien experimental y no tiene
un uso industrial como los anteriores. He aquí un esquema de su
funcionamiento.
Figura 16: Acelerómetro láser
Consiste en dos lásers L1 y L2, dos espejos semitransparentes
M1 y M2, un divisor de rayo (beam splitter BS) y dos foto diodos PD1
y PD2 en una plataforma inmóvil.
En reposo se ajusta los dos láseres a la misma frecuencia.
Cuando ocurre una aceleración por ejemplo hacia la derecha (en este
esquema) la frecuencia en el espejo M2 decrece mientras que la de
M3 se incrementa. Con PD1 y PD2 se lee la frecuencia. El uso de 2
láseres evita el efecto ‘lock-in’ de las frecuencias permitiendo medir
frecuencias de pulso muy bajo.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Térmico
Este tipo de acelerómetro consiste de los siguientes elementos
(como se ven en la figura) un sustrato de silicio en el cual se hace un
hueco para meter una pequeña resistencia que hace de calentador,
con dos termopares en los extremos, se forma una cavidad de aire
(burbuja) encima (la carcasa es estanca).
En reposo con el calentador creando un núcleo de aire caliente
en el centro, cuando ocurre una aceleración, por convección, el aire
frío desplaza al caliente, el núcleo de aire caliente se desplaza en la
misma dirección que la aceleración, esto crea un diferencial de
temperatura entre los termopares.
Midiendo este diferencial y ampliando y acondicionando la señal
podemos obtener la aceleración del objeto. Al sufrir una aceleración
hacia la derecha el núcleo se desplaza en el mismo sentido
Figura 17: Acelerómetro térmico
Condensador
En este tipo de acelerómetros el elemento que conecta la masa
inercial con la carcasa es un condensador. Una de las paredes está
fija, pegada a la carcasa y la otra a la masa. Cuando ocurre una
aceleración la masa presiona el condensador variando el grosor entre
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
pared y pared. Midiendo la capacitancia del condensador podemos
calcular
la
aceleración.
Este
tipo
de
acelerómetros
son
extremadamente resistentes, pueden soportar aceleraciones de 30
000 G lo cual permite usarlo en mediciones de aceleración de
proyectiles de cañón.
Figura 18: funcionamiento de un acelerómetro de condensador.
Información obtenida de la pagina Web de: Tom Connolly, Endevco Corp.
Sensores Concretos
En este apartado vamos a tratar de explicar el funcionamiento
de algunos de los sensores de aceleración mas utilizados y comentar
sus características y como proporcionan en el nivel de salida la
aceleración.
ADXL320
Este es un acelerómetro de 2 ejes, detecta aceleraciones de
hasta ±5g. La señal de salida la envía a través de una tensión
variable desde 0,3v hasta 2,5v. El sensor puede ser alimentado desde
2,5 v hasta los 5,25v, muy útil para los nuevos sistemas alimentados
a 3v. El sensor es capaz de aguantar impactos de 10000g lo que le
proporciona una buena resistencia.Su resolución es de 178mv/g.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Por la forma de su sensor puede ser utilizado como inclinómetro y
para medir la fuerza de la gravedad.
MXD7202GL
Es un acelerómetro de dos ejes de memsic, esta fabricado para
medir aceleración lineal en sus dos ejes hasta un fondo de escala de
2g (2 veces la fuerza de la gravedad). Esta alimentado con una
tensión que va desde los 2.75v hasta los 5,25v. También es capaz de
medir la fuerza de la gravedad terrestre por lo que usaremos también
como inclinómetro de estado sólido. Este sensor esta compensado
internamente en temperatura, lo cual proporciona una señal mas
fiable, y no le afectan las fluctuaciones en la alimentación. La salida
del sensor es un pulso digital de ancho variable a una frecuencia fija
de 100Hz, lo que facilita su utilización con cualquier microprocesador.
El sensor al basarse en la convención de calor, no posee partes
móviles, lo que le hace capaz de soporta hasta impactos de 50g.
Figura 19: Esquema MXD7202GL
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
GIROSCOPOS
Introducción
Hoy en día existen varias tecnologías para medir la orientación
de un robot móvil, en este caso hablaremos de los giróscopos. Los
giróscopos miden la velocidad angular de rotación, o como de rápido
gira un objeto sobre si mismo. Éstos presentan la ventaja de que
poseen inmunidad con respecto a las interferencias electromagnéticas
y ferros magnéticos que pueden afectan a otros dispositivos. El uso
de giróscopos es muy común ya que pueden calcular la velocidad de
rotación de un robot móvil en relación a los ejes x, y ó z. El
conocimiento del ángulo rotado en el eje y nos permite conocer los
momentos de frenadas bruscas mientras que en las curvas lo
conocemos con el eje x, el eje z servirá para orientar al robot móvil
en el plano xy.
El giróscopo, o también llamado giroscopio, es un cuerpo en
rotación que presenta dos propiedades fundamentales: la inercia
giroscópica y la precesión, que es la inclinación del eje en ángulo
recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación.
Estas propiedades son inherentes a todos los cuerpos en rotación,
incluida la Tierra. El término giróscopo se aplica generalmente a
objetos esféricos o en forma de disco montados sobre un soporte
cardánico, de forma que puedan girar libremente en cualquier
dirección.
El giróscopo fue ideado y construido por Foucault en 1852 para
demostrar el movimiento de rotación de la Tierra. La rotación ya
había sido demostrada con el péndulo de Foucault. Sin embargo con
el péndulo de Foucault no comprendía el por qué la velocidad de
rotación del péndulo era más lenta que la velocidad de rotación de la
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Tierra por un factor
, donde
representa la latitud en que se
localiza el péndulo. Es por ello que se necesitaba otro aparato para
demostrar la rotación de la tierra de forma más simple. Así Foucault
presentó un aparato capaz de conservar una rotación suficientemente
rápida durante un tiempo suficiente para que se pudiesen hacer
medidas, el giróscopo.
Propiedades del giróscopo
Rigidez giroscópica
La rigidez en el espacio de un giróscopo es consecuencia de la
primera ley del movimiento de Newton, que afirma que un cuerpo
tiende a continuar en su estado de reposo o movimiento uniforme si
no está sometido a fuerzas externas.
Prece
Precesión
La precesión giroscópica aparece cuando a uno de los anillos,
horizontal o vertical, se le aplica un par perturbador. Si cuando la
rueda se encuentra girando varía su inclinación lateral, aparecen un
par de fuerzas perturbadoras que provocan un efecto denominado
giroscópico que motiva que el ángulo de orientación de las ruedas
varíe. Este efecto giroscópico también se puede generar cuando se
modifica el ángulo de giro de las ruedas, ese es el par perturbador, lo
que provoca la variación de la caída de la rueda.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Movimiento del giroscopio
Figura 20: movimientos del giroscopio: Precesión (azul), nutación (rojo) y rotación
(verde).
Tipos de giróscopos
Según la información extraída del libro robótica: manipuladores
y robots móviles de Anibal Ollero Baturone existen diversos tipos de
giroscopios,
cada
uno
con
sus
propios
principios
físicos.
A
continuación explican los diferentes modelos: mecánicos, ópticos y
electrónicos. Los
giroscopios mecánicos son los
más
antiguos
mientras que los ópticos y los electrónicos son más modernos y los
que más se utilizan en el mundo de la automoción.
Giróscopo mecánico
Los giróscopos mecánicos están constituidos por un volante que
rota suficientemente rápido alrededor de un eje estando la masa
distribuida en la periferia con objeto de que el momento de inercia
del eje de rotación sea alto. En la figura siguiente se muestra la
configuración típica de un giróscopo mecánico.
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 21. Componentes del giróscopo mecánico
El funcionamiento de dicho giróscopo es el siguiente, el rotor es
accionado mediante un motor eléctrico normalmente, el rotor se
suspende mediante un par de cojinetes que deben ser de bajo
rozamiento en cada extremo del eje, como se muestra en la figura
anterior. Estos cojinetes están soportados por un anillo circular,
llamado anillo gimbal interno, el cual, pivota en un segundo juego de
cojinetes que están unidos rígidamente a un anillo gimbal externo,
todo ello se puede apreciar en la figura anterior. Existen tres ejes: el
eje rotor, un eje perpendicular al de rotación del volante, que define
el pivote interno, es el horizontal en la figura anterior, y un tercer eje
perpendicular a los dos anteriores que define el pivote externo, que
es el eje vertical en la figura anterior.
Una propiedad que sucede en los giróscopos es que si a la
rueda que gira se le aplica un par de fuerzas perpendicular al eje, y
dichas fuerzas tienden a volcarla, se aprecia el fenómeno, de que la
rueda adquiere un lento movimiento de rotación, pero no alrededor
del eje del par aplicado, sino alrededor del otro eje perpendicular a él
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
y al eje de giro de la rueda. Este movimiento, se conoce con el
nombre de movimiento de precesión, anteriormente explicado en las
propiedades de los giróscopos, este fenómeno se mantiene mientras
existe la inercia giroscópica aplicada. Esta propiedad también se
puede usar para la medida del ángulo girado.
Figura 22. Aplicación de una fuerza vertical en el extremo del rotor
Si se aplica una fuerza vertical hacia abajo en el extremo de eje
del rotor, ver la figura anterior, se produce un par en el eje horizontal
que origina un movimiento de presesión de rotación alrededor del eje
vertical. Si a la vez gira la base del instrumento sobre el mismo eje
vertical existirá una relación entre el movimiento de precesión y la
velocidad de giro de la base. A mayor velocidad que adquiere la base,
mayor fuerza es necesaria para la presesión y la velocidad de giro de
la base. Esta relación proporcional se emplea para medir la velocidad
de giro sobre el eje vertical. Este giroscopio proporciona la variación
de ángulo de rotación de un eje perpendicular al eje del rotor.
Giróscopo óptico
El principio por el que se basa un giróscopo láser es el llamado
efecto Sagnac. Las principales ventajas de los giróscopos ópticos
sobre los mecánicos son: No posee partes móviles, no es necesario
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
un tiempo de calentamiento, no son sensibles a la gravedad, tienen
gran rango dinámico, tienen lectura digital, un bajo costo y un
tamaño reducido.
Por el contrario, el inconveniente que tiene este tipo de
giróscopos es que son bastante frágiles.
Existen dos tipos de giróscopos ópticos: los RLG (Ring Laser
Gyro) en los que el medio por el que circula el rayo de luz es un anillo
de fibra, y los FOG (Fiber Optic Gyro) en los que el medio es una
espiral de fibra óptica. Ambos utilizan: el efecto Sagnac.
Efecto Sagnac en el vacío
El principio en el que se basa este efecto es en la diferencia de
camino recorrido por dos haces luminosos dentro de un recorrido de
fibra óptica.
Figura 23. Estructura y componentes de un RLG
El principio de funcionamiento consiste en que se parte de un
disco de radio R rotando a una velocidad Ω, en la figura siguiente se
muestra lo comentado.
26
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 24. Recorrido de los dos rayos lumínicos
La diferencia de camino que ven dos rayos lumínicos viajando
en direcciones opuestas, a lo largo del perímetro es de:
Ω··=∆)/4(cAL (Ec.1)
donde A es el área encerrada por el camino y c es la velocidad de la
luz. La derivación de esta ecuación se basa en la propagación de la
luz en un campo rotativo.
Consideramos el disco rotando con una velocidad angular Ω
perpendicular al plano del disco. Designamos en un punto del
perímetro un punto 1, entonces fotones idénticos se envían en ambos
sentidos del anillo a la largo de su perímetro. Si la velocidad angular
es cero, entonces ambos fotones verán que el camino es de la misma
longitud, cubriendo la distancia hasta llegar nuevamente al punto 1
de R·Π·2 como se puede observar en la imagen anterior. Si el anillo
se encuentra rotando, al llegar ambos fotones al punto 1 uno va a
tardar un tiempo tccw y el otro un tiempo tcw. Las ecuaciones vienen
dadas por:
Lccw = 2 * ∏ * R – R * Ω * tccw = cccw tccw (Ec.2)
Lcw = 2 * ∏ * R + R * Ω * tccw = cccw tccw (Ec.3)
27
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
∆t = tcw – tccw = (2*∏ * R ) * (2*∏ * R )/c2 = 4 * ∏ * R2 * Ω / c2 = (4*A / c2) * Ω
(Ec. 4)
Cuando se divide un rayo de luz y luego se recombina, se forma
una interferencia. La interferencia que se obtendrá dependerá de la
velocidad de rotación. Si suponemos que no ha habido rotación,
ambos rayos estarían en fase por lo que se conseguiría interferencia
constructiva que se representaría con un punto blanco. Si se ha
producido una rotación los rayos ya no estarían en fase por lo que se
obtendría interferencia destructiva y por lo tanto un punto negro.
A continuación se representa de modo esquemático lo que se
acaba de decir para su mejor comprensión (ver Figura 25).
Figura 25. Tipos de interferencia producidos al recombinar dos rayos de luz.
Otro de los modelos de giróscopos ópticos que se pueden hacer
es arrollando varias vueltas de fibra óptica, como se muestra el la
Figura 26.
28
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 26. Estructura y componentes de un FOG.
Dependiendo de la forma en que esté realizado el separador de
rayos las señales que provienen de la fibra pueden interferir en forma
constructiva o destructiva, ya comentado anteriormente.
En presencia de rotación, las señales lumínicas mostrarán una
diferencia de camino generada por:
∆L = Lcw – Lccw = (4*A * N / c) * Ω = (L*D / c) * Ω (Ec.5)
Esto causará una variación de fase de:
∆Ф = (2 *∏ * L * D /λ0 * c) (Ec.6)
Para
un
tamaño
de
sensor
dado,
la
sensibilidad
puede
aumentarse incrementando la longitud de la fibra. La fibra no puede
alargarse indefinidamente.
Con la medida de diferencia de fase los sensores ópticos
pueden transformarla en velocidad de rotación que es lo que
realmente se quiere medir.
29
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Se
distinguen
cinco
diferentes
tecnologías
para
realizar
giroscopos ópticos: resonadores ópticos activos, resonadores ópticos
pasivos,
interfenometros
de
fibra
óptica
en
bucle
abierto,
interferómetro de fibra óptica en bucle cerrado y resonadores de fibra
óptica.
Giróscopos electrónicos
Son sensores de velocidad angular que emplean el efecto de
Coriolis que es que la rotación de la Tierra ejerce un efecto sobre los
objetos que se mueven sobre su superficie. Para ello se realizan
micromecanizados del silicio. El movimiento de rotación produce
fuerzas de Coriolis que dependen de la velocidad de giro. Un sensor
típico puede tener dimensiones entre 2 y 3 milímetros.
Los giroscopios miden la velocidad angular de rotación, o como
de rápido gira un objeto. La rotación se mide en referencia a uno de
los tres ejes: x, y o z ya comentado anteriormente. La Figura 27
muestra como según el plano en el que se monte el giróscopo,
calculará una determinada velocidad de rotación:
Figura 27. Velocidades angulares que mide un giróscopo electrónico.
Por ejemplo los modelos de giróscopos ADXRS150 y ADXRS300
miden la rotación yaw (eje z) pero si se montan en otro plano (por
ejemplo en el eje x-z) pueden ser usados para calcular la velocidad
angular de roll (eje x).
30
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Una característica importante en los giróscopos eléctricos es el
rango completo de escala cuyo valor determina la cantidad de
velocidad angular que se puede medir. Un giróscopo de yaw montado
en un plato rotando a 33.3 rpm debería medir una rotación de 360º x
33.3 rpm dividido por 60 segundos o 200º/s Saldría un voltaje
proporcional a la velocidad angular, o la sensibilidad, como medida en
milivoltios por grado por segundo. Es por ello que con estas
condiciones un giróscopo necesitaría tener un rango completo de al
menos 200º/s. Existe una compensación entre el rango completo de
escala y la sensibilidad. El modelo ADXRS300 tiene un rango
completo de escala de 300 º/s y una sensibilidad de 5 mV/º/s, el
modelo ADXRS150 tiene un rango de escala mas limitado de 150º/s
pero con una gran sensibilidad de12.5 mV/º/s.
Aceleración de Coriolis
Todo cuerpo que se mueve sobre un sistema en rotación
experimenta una aceleración, llamada aceleración de Coriolis. La
aceleración de Coriolis está muy relacionada con el parámetro de
Coriolis:
f= 2* Ω * sen(θ) (Ec.7)
Donde Ω es la velocidad angular del sistema que rota y θ es la
latitud del lugar. Este parámetro es positivo en el hemisferio norte y
negativo en el hemisferio sur, por lo tanto como hay un lado positivo
y otro negativo se anula en el ecuador, dado que allí θ es cero.
En términos del parámetro de Coriolis, la aceleración de Coriolis
que siente un cuerpo que se mueve con rapidez v sobre un cuerpo
que rota es simplemente:
31
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
acor = f * v(Ec.8)
La aceleración de Coriolis es hacia la derecha del cuerpo en el
hemisferio norte y hacia su izquierda en un hemisferio sur, en el
ecuador en nula.
Un cuerpo que siente una aceleración de Coriolis experimenta
también una fuerza de Coriolis. Que se calcula multiplicando la
aceleración de Coriolis por la masa, según la segunda ley de Newton.
Es importante saber en que hemisferio nos encontramos puesto
que afecta a la dirección de la acerelación de Coriolis. Para reconocer
en que hemisferio nos encontramos se "sigue" con los dedos
meñiques a índice (4 dedos) de la mano derecha la dirección en que
el cuerpo rota. El pulgar apunta entonces hacia el hemisferio norte.
La fuerza de Coriolis es normalmente muy pequeña, por lo que
difícilmente experimentamos directamente sus efectos en la vida
diaria. Sin embargo, frecuentemente ella determina los movimientos
de fluidos que se mueven lentamente o que se mueven por largos
periodos de tiempo. Supongamos que una persona esta en una
plataforma giratoria como se muestra en la Figura de continuación:
Figura 28: plataforma giratoria con persona en ella
32
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Si se encuentra cerca del centro y dicha persona intenta
mantener la posición respecto del suelo, deberá andar contra la
rotación a una velocidad dada. Si ahora la persona se quiere
desplazar hacia un punto cercano al exterior de la plataforma, tendría
que andar más rápido para mantener la posición relativa al suelo.
Este incremento de velocidad que tiene que realizar la persona, que
es perpendicular al movimiento radial, se conoce como la aceleración
de Coriolis. Si la persona tiene una masa M y se sabe que la
aceleración de Coriolis, vale 2 * Ω * v, la fuerza que debe aplicar la
plataforma para provocar esa aceleración será 2 * M * Ω * v. La
persona
que
está
subida
en
la
plataforma
experimentaría
la
correspondiente fuerza de reacción.
Principio de funcionamiento
Este tipo de giróscopos, como por ejemplo los modelos ADXRS,
aplican el efecto de la aceleración de Coriolis usando una masa que
se desplaza de forma análoga a la persona que estaba pisando la
plataforma
rotativa
en
el
ejemplo
anterior.
La
masa
es
micromecanizada de polisilicio y atada a una estructura de polisilicio
para que pueda vibrar a lo largo de una dirección. Cuando la masa
que vibra se mueve hacia el exterior de la plataforma, la masa
experimenta una fuerza de reacción hacia la izquierda, cuando se
mueve hacia el centro de rotación la experimenta hacia la derecha. Lo
explicado se representa en la figura siguiente:
33
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 29. Fuerzas producidas por el desplazamiento vertical de una masa
La flecha roja mostrada en la figura anterior indica la fuerza
aplicada a la estructura, basada en el estado de la masa que se
desplaza.
Para medir la aceleración de Coriolis, la estructura que contiene
la masa es atada al sustrato a 90º relativos a la dirección de
desplazamiento de la masa, como se aprecia en la Figura 30. La
figura también muestra unas pequeñas barras de silicio que se usan
para detectar la aceleración capacitivamente. Si el muelle tiene una
rigidez K, entonces el desplazamiento resultante de la fuerza de
reacción será 2* Ω * v * M / K
Figura 30. Direcciones de desplazamiento de la masa y la estructura que la contiene.
En la siguiente figura, se muestra la estructura completa que se
ha explicado en los dos dibujos anteriores y como la superficie en la
34
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
que esta montado el giroscopio rota. Se aprecia también como la
masa y la estructura experimentan la aceleración de Coriolis y se
desplazan 90º una respecto de la otra.
Figura 31. Desplazamiento de la masa y de la estructura que la contiene.
La estructura y la masa que vibra se desplazan lateralmente en
respuesta al efecto de Coriolis. Este efecto que se produce se
determina del cambio diferencial en capacidad entre las barras de
silicio del sustrato y aquellos atados al sustrato. Si la capacidad total
es C y el espacio entre las barras es g, entonces la capacidad
diferencial debida al desplazamiento de la masa debido a la
aceleración de coriolis, será (2 * Ω * v * M * C) / (g * K)
Si la velocidad angular de rotación se incrementa, la aceleración
de Coriolis también se incrementa, esto hace que se produzca el
desplazamiento de la masa.
Por lo tanto el desplazamiento de la masa y el de la estructura
que la contiene son medidos a través de la capacidad que se
establece entre las pequeñas barras de silicio de la estructura que
contiene a la masa y las barras del sustrato base. Cada velocidad
angular
y
cada
aceleración
de
Coriolis
corresponden
a
una
determinada capacidad.
35
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Este tipo de sensores son los que mas se están usando en la
industria debido a su pequeño consumo de potencia y su pequeño
tamaño.
Otros giróscopos
Actualmente, aunque son menos usados, también existen
giróscopos que utilizan algún tipo de fluido de manera que se trabaja
con la interacción de las propiedades térmicas e inerciales de este. En
la figura de continuación se muestra un giróscopo diferente de los
explicados anteriormente:
Figura 32. Estructura de un giróscopo que funciona con agua.
En el esquema de la Figura 32 se muestra como el giróscopo
funciona a través de la utilización de unos sensores de temperatura
gracias al recorrido del agua. El funcionamiento consiste en que en el
plano de rotación o yaw (eje z), la velocidad angular del dispositivo
36
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
induce una aceleración de Coriolis normal a la dirección de flujo y
cuyo valor es:
ac = 2 *ω * Vx (Ec.9)
donde:
ac : Aceleración de Coriolis
ω: Velocidad angular.
Vx: Componente axial de la velocidad del fluido
La aceleración de Coriolis perturba el perfil de la velocidad
parabólica del flujo. Y asumiendo que el gradiente de presión, δP/δx,
es invariante a lo largo del canal, a partir de las ecuaciones de Navier
Stokes, se puede llegar a:
ρ * Vy * δVx/δy = µ * δ2Vx/δy2 - δP/δx
ρ * Vy * δVx/δy = µ * δ2Vx/δy2 – 2* ρ * ω * Vx (Ec.10)
Donde ρ, µ y Vx son la densidad del fluido, la viscosidad
dinámica y la velocidad trasversal del fluido respectivamente.
El fluido utilizado entra con mayor temperatura que el silicio de
alrededor al canal, por lo tanto el fluido pierde calor por convección a
través de las paredes de canal por donde pasa el fluido. El resultante
perfil de temperaturas vendrá dado, en términos de velocidad axial y
trasversal, por:
Vx * δT/δx + Vy * δT/δy + α * δ2T/δy2 = 0(Ec.11)
donde δT/δx se considera constante asumiendo una velocidad
uniforme de flujo de calor a lo largo de la longitud del canal.
El efecto de la aceleración de Coriolis en la velocidad y el perfil
de temperaturas se muestra en la Figura 33:
37
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 33. Perfiles de velocidad y temperatura perturbados y sin perturbar.
Resolviendo las ecuaciones anteriores (Ec.10 y Ec.11) se puede
obtener la velocidad angular, ω, como función de la diferencia de
temperaturas medida por los correspondientes sensores situados en
paredes opuestas del canal.
Se supone que el gradiente de temperatura trasversal de la
ecuación 11 no afecta al cálculo del perfil de velocidad de 10.
Giróscopos iros copo piezoeléctrico PK3 S320195
Giróscopo piezoeléctrico de un canal utilizado habitualmente en
aviones y helicópteros de radiocontrol para compensar de forma
automática
los
giros
bruscos.
El
giróscopo
es
completamente
electrónico, sin partes móviles, lo que hace que sea muy pequeño,
tenga un bajo consumo y una respuesta muy rápida. La entrada del
giróscopo se conecta en lugar del servo que se quiere compensar y el
servo se conecta a su vez al giróscopo. Todas las órdenes de control
pasan directamente al servo de forma transparente. Tan pronto como
se produce un movimiento angular (por ejemplo inclinación) el
38
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
giróscopo manda al servo una señal proporcional para compensar el
movimiento. Por ejemplo, aplicado al rotor de cola de un helicóptero,
cuando el helicóptero acelera, la cola tiende a girar lateralmente
como consecuencia del par rotor. Si se utiliza el giróscopo en este
caso, lo que hace es mandar una señal de control al servo que
controla la cola, para aumentar el paso y compensar la desviación. En
el caso de los robots, la salida en lugar de conectarse a un servo, se
conecta a un microcontrolador que puede leer la anchura del pulso
del giróscopo y así saber cuando se produce un giro. Los giróscopos
son esenciales en los robots de tipo balancín y el los sistemas de
guiado de precisión en el que hay que medir y compensar el
momento de giro. Características técnicas: Dimensiones 26 x 27.5 x
11.3 mm. Peso: 7 g. Tensión de funcionamiento: 4.8 - 6V. Consumo
de corriente: 10 mA. Ajuste de sensibilidad y de valor neutro
mediante dos potenciómetros.
39
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
APLICACIONES REALES
Wii
Introducción
Al hablar del mando de la nueva videoconsola de Nintendo es
hablar del futuro. La verdadera cara la esconde detrás de su forma
estrecha y alargada, simulando la forma de un teléfono móvil o al
mando de la televisión, mini cadena de música o Dvd, ayuda a
asimilarlo de forma natural y sencilla.
Figura 34. Detalle del mando control de la Wii .
Pero lo realmente fascinante se encuentra en su interior;
capaz
de
detectar
su
posición
y
velocidad
en
el
es
espacio
tridimensional, y transmitir dichas coordenadas por control remoto a
la consola.
40
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 35. Esquema ejes de movimiento en mando control de la Wii.
Para una de sus funciones principales, el nuevo controlador de
Nintendo lleva incorporado un sensor de movimiento.
Estos
“sensores
de
movimiento”
proporcionan
los
datos
de
movimiento y giro/inclinación. Este tipo de dispositivos se conocen
como MEMS (sistema micro electro-mecánico).
Acelerómetro
Para ello posee un acelerómetro, es decir, un instrumento para
medir aceleración, detectar y medir vibraciones, o medir aceleración
debida a la gravedad (inclinación). Su elección recae sobre las
características buscadas dentro de la compañía. Este componente
posee numerosas características:
Figura 36: Acelerómetro en sistema Wii
41
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
- Capturar movimientos en 3 dimensiones, arriba-abajo, izquierdaderecha y delante-detrás, se buscaba un acelerómetro triaxial.
- El
tamaño y el peso se antojan reducidos, el acelerómetro debe
caber en un mando que quepa fácilmente en una mano y no canse
moverlo ya que se usara
en un periodos de tiempo largo. Las
dimensiones son adecuadas (4mm x 4mm x 1’45mm).
Figura 37. Detalle interno mando Wii.
-La alimentación se lleva a cabo mediante 2 pilas convencionales tipo
AA por lo que el consumo del acelerómetro debe ser muy bajo por
ello es un apartado fundamental
donde el ADXL330 provee unos
registros de consumo medio de 320µA.
-El poder medir aceleraciones de +/- 3G, suficientes para cubrir los
movimiento del brazo humanos.
-La sensibilidad respecto al voltaje varia en un 10% (300mV/g) y en
relación a la temperatura es a razón del 0’015% por grado centígrado
en condiciones ideales (25ºC).
42
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
-La temperatura posee un rango entre -25º hasta 70º; un importante
detalle es el de las caídas, donde consigue soportar hasta 10000G.
Giróscopos
El otro componente importante es el giróscopo.
Figura 38. Detalle giróscopo en la Wii.
Está formado por dos partes: un elemento que vibra de fueradentro respecto al eje de rotación; y la otra que se encuentra fija y
perpendicular al movimiento vibratorio, formando ambas una
estructura capaz de contener una carga eléctrica.
Crash test dummies
Introducción
Los dummies son aquellos maniquíes que rodeados de cables y
de numerosos dispositivos, usados para captar información, son
continuamente estrellados, dentro de un coche, para poder medir los
daños y de tal manera observar si una persona seria capaz de
soportarlo. De esta forma se cuantifica el grado de seguridad que
posee el habitáculo en cuestión.
43
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 39. Detalle de un muñeco dummie.
Los dummies están hechos de materiales imitando a la fisiología
del ser humano, como puede verse reflejados los detalles de la espina
dorsal, donde se usan discos metálicos y almohadillas, o en el tamaño
del cuerpo como en el peso.
Además lleva distintos tipos de instrumentación:
-Acelerometros
-Sensores de carga
-Sensores de movimiento
Acelerómetros
Aquí es donde encontramos la necesidad de medir aceleraciones
/ des- aceleraciones seria en este momento. Por ello nos hacemos
valer de los acelerómetros que se reflejan en este diagrama del
modelo THOR donde apreciamos la cantidad ingente de dichos
44
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
dispositivos requerida para simular el efecto de un accidente en una
persona.
Figura 40. Partes de un dummie
Los datos de la aceleración son medidos en todas las partes del
cuerpo. Donde los gráficos muestran la aceleración antes y después
de forma precisa.
Figura 41. Posiciones de un dummie.
45
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Deberán ser capaces de:
-Medir desaceleraciones de hasta 2000G.
-Conectarse a diferentes tipos de fuentes de alimentación
-El tamaño es muy importante para insertarlos en
cualquier parte del maniquí.
Sensores de carga
Los sensores de carga miden la cantidad de fuerza que se
produce en las diferentes partes del cuerpo analizándolos mediante
gráficos.
Sensores de movimiento
Los sensores de movimiento indican la resistencia del pecho en
caso de accidente.
Seguridad automotriz
Una de las muchas aplicaciones realmente útiles es el uso de
los sensores inerciales en el mundo de la automoción. La seguridad
activa es uno de los campos en los que más eficaces resultan estos
dispositivos.
La conocida empresa “Bosch” es pionera en la investigación e
integración de estos sensores en sus sistemas de seguridad. Los
conocidos sistemas como el ABS, ESP ó el TCS hacen uso de ellos.
(Dr. Roland Müller-Fiedler). Los sensores en los automóviles miden
aceleraciones y vibraciones.
Según la tecnología y el fenómeno físico, podemos dividirlos en
tres grandes grupos.
- Sensores de efecto Hall.
- Sensores micromecánicos (MEMS)
- Sensores de picado piezoeléctricos
46
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Sensores de efecto Hall
Se utilizan para la medición de las aceleraciones longitudinales
y transversales del vehículo.
Para su correcto funcionamiento, es conveniente que este
sensor esté instalado lo más cerca posible al centro de gravedad del
vehículo.Su misión es la de detectar si existen fuerzas laterales que
traten de sacar el vehículo de la trayectoria deseada, así como
detectar su intensidad. Es muy sensible y puede sufrir daños si es
sometido a múltiples vibraciones.
La estructura de este sensor consta de un sistema masaresorte, formado por un resorte en forma de cinta (3), En el extremo
libre opuesto está colocado un imán permanente (2). Sobre el imán
permanente se encuentra el verdadero sensor de efecto Hall (1).
Debajo del imán hay una placa de amortiguación (4) de cobre.
Figura 42: Funcionamiento sensor Hall para coches
47
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Su funcionamiento, al estar sujeto
el
sensor
a
una
aceleración
transversal al resorte, la posición de
reposo del sistema masa-resorte
cambia.
El
flujo
magnético
ocasionado por el movimiento del
imán genera una tensión Hall en el
sensor de efecto Hall. La tensión de
salida
resultante
aumenta
linealmente con la aceleración.
Figura 43: curva sensor Hall
En la imagen superior se puede ver la gráfica característica de
este tipo de sensores.
Sensores micromecánicos (MEMS)
Los sensores de aceleración, tanto lineales como angulares,
realizados por electrónica micromecánica (MEMS) están sobre todo
destinados a los sistemas de retención de pasajeros dentro del
habitáculo, y detectan los valores de aceleración de un choque frontal
o lateral, provocando por ejemplo la activación de los tensores de
cinturón, el disparo de los airbag y la actuación del arco antivuelco
según el caso y la intensidad de las medidas.
Estos
sensores
suelen
ser
utilizados para medir altas.
Están encerrados junto con una
electrónica de evaluación (ASIC)
en una caja estanca al agua. Su
sistema de masa-resorte está
montado sobre la superficie de
una placa de silicio por un
procedimiento
aditivo.
Figura 44: Situación sensor en automóvil
48
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
La masa sísmica está suspendida elásticamente dentro de la
célula de medición. A ambos lados de esos electrodos móviles hay
colocados sobre el chip electrodos fijos. Esta disposición de electrodos
fijos y móviles corresponde a una conexión en serie de dos
condensadores diferenciales C1 y C2. A los bornes de estos
condensadores se aplican tensiones alternas y opuestas, cuya
superposición es detectada en el punto CM (capacidad de medición)
entre los condensadores, en la masa sísmica.
Como la masa sísmica está suspendida de resortes (2), una
aceleración lineal, y por ello, una variación de capacidad en los
condensadores C1 y C2. De ello resulta una variación de la señal
eléctrica que en la electrónica de evaluación (ASIC) es amplificada,
filtrada y digitalizada para su transmisión a la unidad de control de
los airbag.
Figura 45: Esquema funcionamiento sensor MEMS
49
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
El circuito de evaluación dispone además de un sistema simple
de compensación de desviaciones del sensor y de una autodiagnosis
durante la fase de puesta en funcionamiento. En la imagen inferior se
puede apreciar su estructura.
Figura 46: electrónica ASIC de sensor MEMS
Sensores de picado piezoeléctricos
Los sensores de picado son sensores de vibraciones, ruidos o
impacto, también llamados en ocasiones de choque o de “picado” por
el picado que se produce en los cilindros. Una localización suele ser el
propio motor de un vehículo en caso de combustión incontrolada. El
sensor convierte las vibraciones en señales eléctricas y las transmite
a la unidad de control.
Figura 47: sensores de picado piezoeléctrico
Una masa ejerce fuerzas de presión sobre un elemento
cerámico de forma anular, que producen una transferencia de carga
50
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
dentro del elemento de cerámica. Entre el lado superior e inferior de
este elemento se origina una tensión eléctrica, recogida por unos
discos de contacto y procesada después en la unidad de control. La
sensibilidad es la tensión de salida por unidad de aceleración [mV/g].
Modelos reales
Uno de los acelerómetros típicos empleados en el sistema ESP
se basa en un elemento que permite medir en dos ejes de manera
simultánea.
Por supuesto, estos sensores, como el de la imagen, son
altamente precisos, sometidos a pruebas de fallos rigurosas, pues
forman parte de sistemas críticos (aquellos en los que vidas
humanas están en juego).
Por tanto, su coste es elevado y su fabricación muy específica.
Figura 48: acelerómetro con eje doble SMB225 para sistemas ESP
También son muy utilizados los giróscopos para medir el
movimiento rotativo del vehículo con respecto al eje transversal.
El sensor MM1, utilizado para los ESP, es una combinación, un
módulo híbrido que contiene dos chips de MEMS (Sistemas
microelectromecánicos), uno de ellos un acelerómetro y el otro un
giroscopio, y un ASIC para procesamiento de la señal. El oscilador se
51
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
activa electromagnéticamente y es estimulado por la fuerza de
Lorenz.
Además del control de estabilidad, los sistemas de airbag son
una segunda área de aplicación muy importante para los giroscopios
en MEMS de sistemas de seguridad pasiva.
La carga de información necesaria para el sensor en estos
sistemas son suministradas por un giroscopio denominado MM2,
distinto de los sistemas ESP, ya que el eje de sensibilidad aquí es el
eje longitudinal del vehículo. Esto además permite montarlo
directamente en la placa de circuito impreso de la ECU (Electronic
Control Unit - Unidad de Control Electrónico) del propio airbag.
Se caracteriza por montar un giroscopio de tipo capacitivo
compuesto por dos estructuras de masa-resorte idénticas. Se
suceden tres fenómenos que permiten la medición: accionamiento,
Coriolis y detección.
La oscilación primaria (accionamiento) incluye movimiento de
accionamiento y Coriolis.
Figura 49 y 50: esquema de funcionamiento y sensor angular completo MM2
La detección es estimulada por fuerzas de Coriolis como
resultado de una velocidad angular alrededor del eje “z”, incluye
oscilación de Coriolis y estructura Y detección. Los señales de Coriolis
son detectados por condensadores de placas paralelas dentro de la
estructura de detección.
52
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Si los anteriores sensores (MM1 y MM2) son básicos para los
sistemas ESP y airbag, no menos importante es el hecho de integrar
cada vez más la seguridad activa y la pasiva en el mismo sistema
sensorial, inclusive en el mismo sensor, un tipo de sensor más
complejo y evolucionado. Este es el caso del SMGO74, este modelo y
otros basados en él son montados hoy en día en gran cantidad de
coches de coste medio-alto.
Dos de las combinaciones activa-pasiva (seguridad activa y pasiva
conjuntas) en la que más se utiliza este sensor es en el sistema ESP y
el sistema Roll Over Sensing (RoSe o protección de vuelco del
vehículo) de manera simultanea.
Permite controlar el intervalo más grande de medición (244°/s)
exigido por los sistemas de contención de pasajeros, lo cual actúa a
favor del antivuelco, y otorga más precisión a por los sistemas de
seguridad activa, como el ESP.
El nivel más elevado de integración de sensores inerciales
puede ser obtenido por un concepto que envuelve la integración de
todos los sensores inerciales del vehículo en una ECU de dominio
centralizada, lo que significa que las señales de una variedad de ECUs
del sistema (ESP, Automatic Cruise Control, Roll Stability Control,
Airbag etc.) pueden ser alojados juntos y el comportamiento de la
dinámica del vehículo puede ser medida de forma completa. Las
señales necesarias pueden así ser suministradas simultáneamente a
todos los sistemas de seguridad activa y pasiva del chasis y de
contención, y actuar conjuntamente según las circunstancias del
vehículo en cada momento.
53
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
CONCLUSIONES
Los sensores inerciales son una parte vital del sistema de
percepción de un robot, ya sea aplicado a la robótica móvil como a
otros campos de ingeniería más avanzados.
Uno de los usos más importantes de los robots es el poder
medir inclinaciones, velocidades y también permiten orientarse. Estos
pequeños cálculos facilitan la posición a partir de velocidades.
Para todo ello necesitamos unos componentes que realicen estas
funciones. Los cuales se basan en principios físicos que dan lugar a
dos grandes tipos dentro de estos sensores: acelerómetros y
giróscopos.
•
En relación a los acelerómetros, siendo un instrumento de
medida de aceleración, llegan a ser muy útiles para determinar
impactos, variaciones de velocidad, mantener el equilibrio o
incluso distancias con la ventaja de calcular pequeñas
ecuaciones.
•
Con respecto a los giróscopos, son muy útiles en robots
móviles por su precisión. Las tecnologías con mayor fiabilidad
son los eléctricos y ópticos, que unidos a la odometría permiten
mejorar el sistema sensorial.
Ya por ultimo, de las tres aplicaciones reales tratadas en este
trabajo, lo destacable seria como los sensores inerciales han
revolucionado las tecnologías en general.
•
Gracias a estos dispositivos se ha visto mejorada la
interactividad entre maquina y usuario. En el caso de la
Wii, aquí mostrado, se aprecia el éxito comercial que ha llegado
a tener este tipo de tecnología, llegando a ser fenómeno social.
54
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
•
En el otro extremo se sitúa aplicaciones de seguridad, en los
llamados sistemas críticos. Los ejemplos expuestos nos habla
de las pruebas con “dummies” y en la seguridad automotriz.
Los que cabe destacar es la importancia, una vez mas, de los
sensores para detectar daños en humanos y su utilización en
sistemas de seguridad, ampliamente conocidos por todos, como
el E.S.P., AIRBAG o el sistema anti-vuelco en vehículos.
Después de realizar este documento, es importante darse
cuenta de que la combinación de acelerómetros y giróscopos
permiten obtener sistemas híbridos y más complejos que
mejoran la precisión en nuestros cálculos.
55
SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Robot perdido………………………………………………………………………….pág.5
Figura 2: Sensor inercial de choque ………………………………………………………pág.6
Figura 3: Esquema acelerómetro……………………………………………………….….pág.7
Figura 4 y 5: Sensor en robonova 2………………………………………………………pág.7
Figura 6: Esquema básico giróscopo ……………………………………………………pág.9
Figura 7: Giróscopo futaba…………………………………………………………………….pág.10
Figura 8: Acelerómetro robonova………………………………………………………….pág.10
Figura 9: Giróscopo PK3 ………………………………………………………………….……pág.11
Figura 10: Sismte masa-resorte…………………………………………………………….pág.12
Figura 11: Gráfica inclinación acelerómetro…………………………………….……pág.13
Figura 12: Gráficas aceleración, velocidad y distancia …………………………pág.14
Figura 13: Diagrama de un acelerómetro piezo-eléctrico……………….……pág.15
Figura 14:Diagrama de un acelerómetro piezo-resistivo………………………pág.16
Figura 15: Acelerómetro galgas estensiométricas………………………………..pág.17
Figura 16: Acelerómetro láser……………………………………………………………….pág.17
Figura 17: Acelerómetro térmico ………………………………………………………….pág.18
Figura 18: Funcionamiento de un acelerómetro de condensador…………pág.19
Figura 19: Esquema MXD7202GL …………………………………………………………pág.20
Figura 20: movimientos del giroscopio …………………………………………………pág.23
Figura 21: Componentes del giróscopo mecánico…………………………………pág.24
Figura 22:Aplicación de una fuerza vertical en el extremo del rotor…..pág.25
Figura 23: Estructura y componentes de un RLG…………………………………pág.26
Figura 24: Recorrido de los dos rayos lumínicos………………………………….pág.27
Figura 25: Tipos de interferencia al recombinar rayos de luz.…..……….pág.28
Figura 26: Estructura y componentes de un FOG…………………………………pág.29
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
Figura 27: Velocidades angulares que mide un giróscopo electrónico…pág.30
Figura 28: Plataforma giratoria con persona en ella…………………………….pág.32
Figura 29: Fuerzas producidas por el desplazamiento vertical de una masa ….pág.34
Figura 30: Direcciones de desplazamiento de masa y estructura que la contiene.pág.34
Figura 31: Desplazamiento de la masa y la estructura que contiene…..pág.35
Figura 32: Estructura de un giróscopo que funciona con agua.………………………pág.36
Figura 33: Perfiles de velocidad y temperatura perturbados/sin ……………………pág.38
Figura 34: Detalle del mando control de la Wii …………………………………………….pág.40
Figura 35: Esquema ejes de movimiento en mando control de la Wii…..pág.41
Figura 36: Acelerómetro en sistema Wii ……………………………………………….pág.41
Figura 37: Detalle interno mando Wii.……………………………..………………………….pág.42
Figura 38: Detalle interno mando Wii.……………………………..…………………………pág.43
Figura 39: Detalle de un muñeco dummie.………………………………………………….pág.43
Figura 40: Partes de un dummie……………………………………………………………pág.45
Figura 41: Posiciones de un dummie ……………………………………………………….pág.45
Figura 42: Funcionamiento sensor Hall para coches…………………………….pág.47
Figura 43: curva sensor Hall………………………………………………………………….pág.48
Figura 44: Situación sensor en automóvil…………………………………………….pág.48
Figura 45: Esquema funcionamiento sensor MEMS………………………………pág.49
Figura 46: Electrónica ASIC para sensores MEMS………………….…………….pág.50
Figura 47: sensores de picado piezoeléctrico ……………….………………………pág.50
Figura 48: Acelerómetro con eje doble SMB255 para sistemas ESP……pág.51
Figura 49 y 50: Esquema de funcionamiento y sensor angular completo
MM2………………………………………………………………………………………………………….pág.52
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SENSORES INERCIALES EN
ROBÓTICA MÓVIL
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