Plataformas giroestabilizadas con cardanesEditar
Algunos sistemas colocan los acelerómetros lineales en una plataforma giroestabilizada con cardanes. Los cardanes son un conjunto de tres anillos, cada uno con un par de rodamientos inicialmente en ángulo recto. Permiten que la plataforma gire en torno a cualquier eje de rotación (o, mejor dicho, permiten que la plataforma mantenga la misma orientación mientras el vehículo gira a su alrededor). Hay dos giroscopios (normalmente) en la plataforma.
Dos giroscopios se utilizan para cancelar la precesión giroscópica, la tendencia de un giroscopio a girar en ángulo recto con respecto a un par de entrada. Al montar un par de giroscopios (de la misma inercia rotacional y que giran a la misma velocidad en direcciones opuestas) en ángulos rectos, las precesiones se cancelan y la plataforma resistirá la torsión.
Este sistema permite medir los ángulos de balanceo, cabeceo y guiñada de un vehículo directamente en los cojinetes de los cardanes. Se pueden utilizar circuitos electrónicos relativamente sencillos para sumar las aceleraciones lineales, ya que las direcciones de los acelerómetros lineales no cambian.
La gran desventaja de este esquema es que utiliza muchas piezas mecánicas de precisión caras. También tiene piezas móviles que pueden desgastarse o atascarse y es vulnerable al bloqueo del cardán. El sistema de guiado primario de la nave Apolo utilizaba una plataforma giroestabilizada de tres ejes, que alimentaba los datos del ordenador de guiado Apolo. Las maniobras debían planificarse cuidadosamente para evitar el bloqueo del cardán.
Plataformas giroestabilizadas con suspensión de fluidosEditar
El bloqueo del cardán limita las maniobras y sería beneficioso eliminar los anillos deslizantes y los cojinetes de los cardanes. Por ello, algunos sistemas utilizan cojinetes de fluido o una cámara de flotación para montar una plataforma giroestabilizada. Estos sistemas pueden tener precisiones muy elevadas (por ejemplo, la esfera de referencia inercial avanzada). Como todas las plataformas giroestabilizadas, este sistema funciona bien con ordenadores relativamente lentos y de baja potencia.
Los cojinetes de fluido son almohadillas con agujeros a través de los cuales el gas inerte presurizado (como el helio) o el aceite presionan contra la carcasa esférica de la plataforma. Los cojinetes de fluido son muy resbaladizos y la plataforma esférica puede girar libremente. Suele haber cuatro almohadillas de rodamiento, montadas en una disposición tetraédrica para sostener la plataforma.
En los sistemas de primera calidad, los sensores angulares suelen ser bobinas de transformador especializadas realizadas en una tira sobre una placa de circuito impreso flexible. Varias tiras de bobinas se montan en grandes círculos alrededor de la carcasa esférica de la plataforma giroestabilizada. La electrónica del exterior de la plataforma utiliza transformadores similares en forma de tira para leer los campos magnéticos variables producidos por los transformadores que envuelven la plataforma esférica. Cada vez que un campo magnético cambie de forma, o se mueva, cortará los cables de las bobinas de las tiras del transformador externo. El corte genera una corriente eléctrica en las bobinas de las tiras externas y la electrónica puede medir esa corriente para derivar los ángulos.
Los sistemas más baratos a veces utilizan códigos de barras para detectar las orientaciones y utilizan células solares o un único transformador para alimentar la plataforma. Algunos pequeños misiles han alimentado la plataforma con la luz de una ventana o con fibras ópticas hasta el motor. Un tema de investigación es suspender la plataforma con la presión de los gases de escape. Los datos se devuelven al exterior a través de los transformadores o, a veces, de LEDs que se comunican con fotodiodos externos.
Sistemas strapdownEditar
Los ordenadores digitales ligeros permiten eliminar los cardanes, creando sistemas strapdown, llamados así porque sus sensores están simplemente atados al vehículo. Esto reduce el coste, elimina el bloqueo del cardán, elimina la necesidad de algunas calibraciones y aumenta la fiabilidad al eliminar algunas de las piezas móviles. Los sensores de velocidad angular, denominados giroscopios de velocidad, miden la velocidad angular del vehículo.
Un sistema con correa necesita un rango de medición dinámico varios cientos de veces mayor que el requerido por un sistema con cardán. Es decir, debe integrar los cambios de actitud del vehículo en cabeceo, balanceo y guiñada, así como los movimientos brutos. Los sistemas de bola giratoria suelen funcionar bien con frecuencias de actualización de 50-60 Hz. Sin embargo, los sistemas con correas se actualizan normalmente a unos 2.000 Hz. La tasa más alta es necesaria para permitir que el sistema de navegación integre la tasa angular en una actitud con precisión.
Los algoritmos de actualización de datos (cosenos de dirección o cuaterniones) involucrados son demasiado complejos para ser realizados con precisión, excepto por la electrónica digital. Sin embargo, los ordenadores digitales son ahora tan baratos y rápidos que los sistemas de giroscopios de velocidad pueden utilizarse prácticamente y producirse en masa. El módulo lunar Apolo utilizó un sistema de descenso por correa en su Sistema de Guiado de Aborto (AGS) de reserva.
Los sistemas de descenso por correa se utilizan hoy en día comúnmente en aplicaciones comerciales y militares (aviones, barcos, ROVs, misiles, etc.). Los sistemas de amarre más modernos se basan en giroscopios láser de anillo, giroscopios de fibra óptica o giroscopios de resonancia hemisférica. Utilizan electrónica digital y técnicas avanzadas de filtrado digital, como el filtro de Kalman.
Alineación basada en el movimientoEditar
La orientación de un sistema giroscópico también puede inferirse a veces simplemente a partir de su historial de posición (por ejemplo, GPS). Este es, en particular, el caso de los aviones y los coches, donde el vector de velocidad suele implicar la orientación del cuerpo del vehículo.
Por ejemplo, Align in Motion de Honeywell es un proceso de inicialización en el que la inicialización se produce mientras el avión está en movimiento, en el aire o en tierra. Esto se logra utilizando el GPS y una prueba de razonabilidad inercial, lo que permite cumplir con los requisitos de integridad de los datos comerciales. Este proceso ha sido certificado por la FAA para recuperar el rendimiento puro del INS equivalente a los procedimientos de alineación estacionaria para tiempos de vuelo civiles de hasta 18 horas.Evita la necesidad de baterías de giroscopio en las aeronaves.
Giroscopios vibratoriosEditar
Los sistemas de navegación menos costosos, destinados al uso en automóviles, pueden utilizar un giroscopio de estructura vibratoria para detectar los cambios de rumbo y la captación del cuentakilómetros para medir la distancia recorrida a lo largo de la pista del vehículo. Este tipo de sistema es mucho menos preciso que un INS de gama alta, pero es adecuado para la aplicación típica de automóviles en la que el GPS es el sistema de navegación principal y la navegación a estima sólo es necesaria para llenar los vacíos en la cobertura del GPS cuando los edificios o el terreno bloquean las señales de los satélites.
Giroscopios de resonador hemisférico (giroscopios de copa de vino o de seta)Editar
Si se induce una onda estacionaria en una estructura resonante hemisférica y luego se hace girar la estructura resonante, la onda estacionaria armónica esférica gira a través de un ángulo diferente de la estructura resonante de cuarzo debido a la fuerza de Coriolis. El movimiento de la carcasa exterior con respecto al patrón de la onda estacionaria es proporcional al ángulo total de rotación y puede ser detectado por la electrónica apropiada. Los resonadores del sistema están mecanizados en cuarzo fundido debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Los electrodos que conducen y detectan las ondas estacionarias se depositan directamente en estructuras de cuarzo separadas que rodean el resonador. Estos giroscopios pueden funcionar en un modo de ángulo completo (que les da una capacidad de velocidad casi ilimitada) o en un modo de reequilibrio de fuerzas que mantiene la onda estacionaria en una orientación fija con respecto a la carcasa del giroscopio (que les da una precisión mucho mayor).
Este sistema casi no tiene piezas móviles y es muy preciso. Sin embargo, sigue siendo relativamente caro debido al coste de las semiesferas de cuarzo huecas rectificadas y pulidas con precisión. Northrop Grumman fabrica actualmente IMUs (unidades de medición inercial) para naves espaciales que utilizan HRGs. Estas IMU han demostrado una fiabilidad extremadamente alta desde su uso inicial en 1996. Safran fabrica un gran número de sistemas inerciales basados en HRG dedicados a una amplia gama de aplicaciones.
Sensores de velocidad de cuarzoEditar
Estos productos incluyen ‘giroscopios de horquilla’. En este caso, el giroscopio está diseñado como un diapasón accionado electrónicamente, a menudo fabricado a partir de una sola pieza de cuarzo o silicio. Estos giroscopios funcionan de acuerdo con la teoría dinámica de que cuando se aplica una tasa de ángulo a un cuerpo en traslación, se genera una fuerza de Coriolis.
Este sistema suele estar integrado en un chip de silicio. Tiene dos diapasones de cuarzo de masa equilibrada, dispuestos «asa a asa» para que las fuerzas se cancelen. Los electrodos de aluminio evaporados en las horquillas y el chip subyacente impulsan y detectan el movimiento. El sistema es fabricable y barato. Como el cuarzo es dimensionalmente estable, el sistema puede ser preciso.
Cuando las horquillas se giran alrededor del eje del mango, la vibración de las púas tiende a continuar en el mismo plano de movimiento. Este movimiento tiene que ser resistido por las fuerzas electrostáticas de los electrodos bajo las púas. Midiendo la diferencia de capacitancia entre las dos púas de un tenedor, el sistema puede determinar la tasa de movimiento angular.
La tecnología actual no militar (a partir de 2005) puede construir pequeños sensores de estado sólido que pueden medir los movimientos del cuerpo humano. Estos dispositivos no tienen piezas móviles y pesan unos 50 gramos.
Los dispositivos de estado sólido que utilizan los mismos principios físicos se emplean para la estabilización de la imagen en pequeñas cámaras o videocámaras. Pueden ser extremadamente pequeños, de unos 5 milímetros (0,20 pulgadas) y se construyen con tecnologías de sistemas microelectromecánicos (MEMS).
Sensor MHDEditar
Los sensores basados en principios magnetohidrodinámicos pueden utilizarse para medir velocidades angulares.
Giroscopio MEMSEditar
Los giroscopios MEMS suelen basarse en el efecto Coriolis para medir la velocidad angular. Consiste en una masa de prueba resonante montada en silicio. A diferencia del acelerómetro, el giroscopio es un sensor activo. La masa de prueba es empujada hacia adelante y hacia atrás por peines impulsores. Una rotación del giroscopio genera una fuerza de Coriolis que actúa sobre la masa, lo que provoca un movimiento en una dirección diferente. El movimiento en esta dirección se mide mediante electrodos y representa la velocidad de giro.
Giroscopios láser de anillo (RLG)Edit
Un giroscopio láser de anillo divide un haz de luz láser en dos haces en direcciones opuestas a través de túneles estrechos en una trayectoria óptica circular cerrada alrededor del perímetro de un bloque triangular de vidrio Cervit de temperatura estable con espejos reflectantes colocados en cada esquina. Cuando el giroscopio gira a cierta velocidad angular, la distancia recorrida por cada haz es diferente: el camino más corto es el opuesto a la rotación. El desplazamiento de fase entre los dos haces puede medirse con un interferómetro y es proporcional a la velocidad de rotación (efecto Sagnac).
En la práctica, a bajas velocidades de rotación, la frecuencia de salida puede descender a cero como resultado de la retrodispersión que hace que los haces se sincronicen y se bloqueen. Esto se conoce como «lock-in» o «laser-lock». El resultado es que no hay ningún cambio en el patrón de interferencia y, por lo tanto, ningún cambio en la medición.
Para desbloquear los haces de luz que giran en sentido contrario, los giroscopios láser tienen trayectorias de luz independientes para las dos direcciones (normalmente en los giroscopios de fibra óptica), o bien el giroscopio láser está montado en un motor piezoeléctrico de vacilación que hace vibrar rápidamente el anillo láser hacia adelante y hacia atrás en torno a su eje de entrada a través de la región de bloqueo.
El agitador es el más preciso, porque ambos haces de luz utilizan exactamente la misma trayectoria. Así, los giroscopios láser conservan partes móviles, pero no se mueven tanto.
Giroscopios de fibra óptica (FOG)
Una variación más reciente del giroscopio óptico, el giroscopio de fibra óptica, utiliza un láser externo y dos haces que van en direcciones opuestas (contrapropagando) en largas bobinas (varios kilómetros) de filamento de fibra óptica, con la diferencia de fase de los dos haces comparada después de su viaje a través de las bobinas de fibra.
El mecanismo básico, la luz láser monocromática que viaja en trayectorias opuestas y el efecto Sagnac, es el mismo en un FOG y en un RLG, pero los detalles de ingeniería son sustancialmente diferentes en el FOG en comparación con los giroscopios láser anteriores.
Se requiere un bobinado preciso de la bobina de fibra óptica para asegurar que las trayectorias tomadas por la luz en direcciones opuestas sean lo más similares posible. El FOG requiere calibraciones más complejas que un giroscopio de anillo láser, lo que hace que el desarrollo y la fabricación de los FOG sean más difíciles desde el punto de vista técnico que los RLG. Sin embargo, los FOG no sufren de bloqueo láser a bajas velocidades y no necesitan contener ninguna pieza móvil, aumentando la máxima precisión potencial y la vida útil de un FOG sobre un RLG equivalente.
Acelerómetros pendularesEditar
El acelerómetro básico de bucle abierto consiste en una masa unida a un muelle. La masa está obligada a moverse sólo en línea con el resorte. La aceleración provoca la deflexión de la masa y se mide la distancia de desplazamiento. La aceleración se obtiene a partir de los valores de la distancia de desviación, la masa y la constante del muelle. Un acelerómetro de bucle cerrado logra un mayor rendimiento utilizando un bucle de retroalimentación para cancelar la deflexión, manteniendo así la masa casi estacionaria. Cada vez que la masa se desvía, el bucle de retroalimentación hace que una bobina eléctrica aplique una fuerza igualmente negativa sobre la masa, cancelando el movimiento. La aceleración se deriva de la cantidad de fuerza negativa aplicada. Como la masa apenas se mueve, los efectos de las no linealidades del sistema de muelles y amortiguación se reducen considerablemente. Además, este acelerómetro proporciona un mayor ancho de banda más allá de la frecuencia natural del elemento sensor.
Ambos tipos de acelerómetros se han fabricado como micromáquinas integradas en chips de silicio.
Sensores TIMU (Timing & Unidad de Medición Inercial)Editar
El departamento de la Oficina de Tecnología de Microsistemas (MTO) de DARPA está trabajando en un programa Micro-PNT (Micro-Tecnología de Posicionamiento, Navegación y Cronometraje) para diseñar chips Timing & Unidad de Medición Inercial (TIMU) que realicen el seguimiento de la posición absoluta en un solo chip sin necesidad de navegación asistida por GPS.
Micro-PNT añade un reloj maestro de alta precisión integrado en un chip IMU (Unidad de Medición Inercial), convirtiéndolo en un chip de Unidad de Medición Inercial de Cronometraje &. Un chip TIMU integra un giroscopio de 3 ejes, un acelerómetro de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes junto con un reloj maestro de temporización de alta precisión, de modo que puede medir simultáneamente el movimiento rastreado y combinarlo con la temporización del reloj sincronizado.