Plataformas giroestabilizadas por cardanEditar
Alguns sistemas colocam os acelerómetros lineares numa plataforma giroestabilizada por cardan. As gimbals são um conjunto de três anéis, cada um com um par de rolamentos inicialmente em ângulo recto. Elas deixam a plataforma girar sobre qualquer eixo rotacional (ou melhor, elas deixam a plataforma manter a mesma orientação enquanto o veículo gira em torno dela). Existem dois giroscópios (geralmente) na plataforma.
Dois giroscópios são usados para cancelar a pré-cessão giroscópica, a tendência de um giroscópio para torcer em ângulo reto a um torque de entrada. Ao montar um par de giroscópios (da mesma inércia rotacional e girando à mesma velocidade em direções opostas) em ângulos retos as precessões são canceladas e a plataforma resistirá à torção.
Este sistema permite que os ângulos de rotação, inclinação e guinada de um veículo sejam medidos diretamente nos rolamentos das cardan. Circuitos eletrônicos relativamente simples podem ser usados para somar as acelerações lineares, porque as direções dos acelerômetros lineares não mudam.
A grande desvantagem deste esquema é que ele usa muitas peças mecânicas de precisão caras. Ele também tem peças móveis que podem desgastar ou encravar e é vulnerável ao bloqueio da suspensão cardan. O sistema primário de orientação da nave espacial Apollo usava uma plataforma giro-estabilizada de três eixos, alimentando dados para o computador de orientação Apollo. As manobras tiveram que ser cuidadosamente planejadas para evitar a trava giroestábilizada.
Plataformas giroestábilizadas com suspensão de fluidoEdit
Manobra de trava giroestábil e seria benéfico eliminar os anéis deslizantes e rolamentos das giroestábilizadas. Portanto, alguns sistemas utilizam rolamentos de fluidos ou uma câmara de flutuação para montar uma plataforma giro-estabilizada. Estes sistemas podem ter precisões muito altas (por exemplo, a Esfera de Referência Inercial Avançada). Como todas as plataformas giroestabilizadas, este sistema funciona bem com computadores relativamente lentos e de baixa potência.
Os rolamentos de fluidos são almofadas com orifícios através dos quais o gás inerte pressurizado (como o hélio) ou prensas de óleo contra a concha esférica da plataforma. Os rolamentos fluidos são muito escorregadios e a plataforma esférica pode girar livremente. Normalmente, há quatro mancais, montados em um arranjo tetraédrico para suportar a plataforma.
Em sistemas premium, os sensores angulares são geralmente bobinas de transformador especializadas, feitas em uma tira sobre uma placa de circuito impresso flexível. Várias bobinas são montadas em grandes círculos ao redor da concha esférica da plataforma giro-estabilizada. A eletrônica fora da plataforma utiliza transformadores similares em forma de tira para ler os diversos campos magnéticos produzidos pelos transformadores enrolados ao redor da plataforma esférica. Sempre que um campo magnético muda de forma, ou se move, ele cortará os fios das bobinas nas tiras externas do transformador. O corte gera uma corrente elétrica nas bobinas em forma de tira externa e a eletrônica pode medir essa corrente para derivar ângulos.
Sistemas de chapa às vezes usam códigos de barras para sentir orientações e usam células solares ou um único transformador para alimentar a plataforma. Alguns pequenos mísseis alimentaram a plataforma com luz de uma janela ou fibras ópticas para o motor. Um tópico de pesquisa é suspender a plataforma com a pressão dos gases de escape. Os dados são devolvidos ao mundo exterior através dos transformadores, ou às vezes LEDs comunicando-se com fotodiodos externos.
Sistemas StrapdownEdit
Computadores digitais leves permitem que o sistema elimine as cardan, criando sistemas strapdown, assim chamados porque seus sensores são simplesmente amarrados ao veículo. Isto reduz o custo, elimina o bloqueio da suspensão cardan, elimina a necessidade de algumas calibrações e aumenta a confiabilidade, eliminando algumas das partes móveis. Os sensores de velocidade angular chamados de giroscópios de velocidade medem a velocidade angular do veículo.
Um sistema de strapdown precisa de uma faixa de medição dinâmica várias centenas de vezes maior do que a requerida por um sistema cardan. Ou seja, ele deve integrar as mudanças de atitude do veículo no passo, rotação e guinada, assim como os movimentos brutos. Os sistemas com suspensão cardan podem normalmente funcionar bem com taxas de atualização de 50-60 Hz. No entanto, os sistemas strapdown normalmente actualizam cerca de 2000 Hz. A maior taxa é necessária para que o sistema de navegação integre a taxa angular em uma atitude com precisão.
Os algoritmos de atualização de dados (cossines de direção ou quaternions) envolvidos são muito complexos para serem executados com precisão, exceto pela eletrônica digital. Entretanto, os computadores digitais são agora tão baratos e rápidos que os sistemas giroscópio de taxa podem agora ser praticamente utilizados e produzidos em massa. O módulo lunar Apollo usava um sistema strapdown em seu Sistema de Orientação de Abortamento (AGS).
Sistemas strapdown são atualmente comumente usados em aplicações comerciais e militares (aeronaves, navios, ROVs, mísseis, etc.). Sistemas de strapdown de última geração são baseados em Giroscópios Laser de Anel, Girocópios de Fibra Óptica ou Giroscópios de Ressonância Hemisférica. Eles estão usando eletrônica digital e técnicas avançadas de filtragem digital como o filtro Kalman.
Alinhamento baseado em movimentoEditar
A orientação de um sistema de giroscópio também pode, às vezes, ser inferida simplesmente a partir de seu histórico de posição (por exemplo, GPS). Este é, em particular, o caso de aviões e carros, onde o vector de velocidade normalmente implica a orientação da carroçaria do veículo.
Por exemplo, o Alinhamento em Movimento da Honeywell é um processo de inicialização onde a inicialização ocorre enquanto a aeronave está em movimento, no ar ou no solo. Isto é realizado usando GPS e um teste de razoabilidade inercial, permitindo assim que os requisitos de integridade de dados comerciais sejam cumpridos. Este processo foi certificado pela FAA para recuperar o desempenho INS puro equivalente aos procedimentos de alinhamento estacionário para tempos de voo civis até 18 horas, evitando a necessidade de baterias de giroscópio nas aeronaves.
Giroscópio vibratórioEditar
Sistemas de navegação pouco dispendiosos, destinados ao uso em automóveis, podem utilizar um giroscópio de estrutura vibratória para detectar alterações no rumo e na captação do odómetro para medir a distância percorrida ao longo da pista do veículo. Este tipo de sistema é muito menos preciso do que um INS superior, mas é adequado para a aplicação típica em automóveis onde o GPS é o sistema de navegação principal e o cálculo morto só é necessário para preencher lacunas na cobertura do GPS quando edifícios ou terrenos bloqueiam os sinais de satélite.
Giroscópios ressonantes hemisféricos (giroscópios de vidro ou cogumelos)Editar
Se uma onda de pé é induzida numa estrutura ressonante hemisférica e depois a estrutura ressonante é rodada, a onda harmônica esférica de pé gira através de um ângulo diferente da estrutura ressonante de quartzo, devido à força de Coriolis. O movimento da caixa externa em relação ao padrão de onda em pé é proporcional ao ângulo de rotação total e pode ser detectado pela eletrônica apropriada. Os ressonadores do sistema são usinados a partir do quartzo fundido devido às suas excelentes propriedades mecânicas. Os eletrodos que acionam e sentem as ondas em pé são depositados diretamente em estruturas de quartzo separadas que circundam o ressonador. Estes giroscópios podem operar em um modo de ângulo inteiro (o que lhes dá uma capacidade de taxa quase ilimitada) ou um modo de reequilíbrio de força que mantém a onda em pé em uma orientação fixa em relação à caixa do giroscópio (o que lhes dá muito melhor precisão).
Este sistema não tem quase nenhuma parte móvel e é muito preciso. No entanto, ainda é relativamente caro devido ao custo da terra de precisão e hemisférios ocos de quartzo polidos. Northrop Grumman fabrica atualmente IMUs (unidades de medida inercial) para naves espaciais que utilizam HRGs. Estas IMUs têm demonstrado uma fiabilidade extremamente elevada desde a sua utilização inicial em 1996. A Safran fabrica um grande número de sistemas de inércia baseados em HRG dedicados a uma ampla gama de aplicações.
Sensores de taxa de quartzoEditar
>Estes produtos incluem ‘giroscópios de afinação do garfo’. Aqui, o giroscópio é projetado como um garfo de afinação acionado eletronicamente, frequentemente fabricado a partir de uma única peça de quartzo ou silicone. Tais giroscópios operam de acordo com a teoria dinâmica de que quando uma taxa angular é aplicada a um corpo translúcido, é gerada uma força Coriolis.
Este sistema é normalmente integrado num chip de silício. Possui dois garfos de afinação de quartzo balanceados em massa, dispostos “cabo a cabo” para que as forças sejam canceladas. Eléctrodos de alumínio evaporaram nos garfos e no chip subjacente, tanto acionam como sentem o movimento. O sistema é ao mesmo tempo de fabricação e barato. Como o quartzo é dimensionalmente estável, o sistema pode ser preciso.
Como os garfos são torcidos em torno do eixo do punho, a vibração dos dentes tende a continuar no mesmo plano de movimento. Este movimento tem de ser resistido por forças electrostáticas dos eléctrodos debaixo das puas. Ao medir a diferença de capacitância entre os dois dentes de um garfo, o sistema pode determinar a taxa de movimento angular.
Corrente de tecnologia não militar de última geração (a partir de 2005) pode construir pequenos sensores de estado sólido que podem medir os movimentos do corpo humano. Estes dispositivos não possuem partes móveis e pesam cerca de 50 gramas (2 onças).
Os dispositivos de estado sólido que utilizam os mesmos princípios físicos são utilizados para a estabilização da imagem em câmaras pequenas ou câmaras de vídeo. Estes podem ser extremamente pequenos, cerca de 5 milímetros (0,20 polegadas) e são construídos com tecnologias de sistemas microelectromecânicos (MEMS).
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MHD sensorEdit
Sensores baseados em princípios magnetohidrodinâmicos podem ser usados para medir velocidades angulares.
MEMS giroscópioEdit
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Giroscópios MEMS tipicamente dependem do efeito Coriolis para medir a velocidade angular. Ele consiste em uma massa à prova de ressonância montada em silício. O giroscópio é, ao contrário de um acelerômetro, um sensor ativo. A massa a prova é empurrada para frente e para trás ao dirigir pentes. Uma rotação do giroscópio gera uma força Coriolis que age sobre a massa, o que resulta em um movimento em uma direção diferente. O movimento nessa direção é medido por eletrodos e representa a taxa de rotação.
Giroscópio laser anelar (RLG)Editar
Um giroscópio laser anelar divide um feixe de luz laser em dois feixes em direcções opostas através de túneis estreitos num percurso óptico circular fechado em torno do perímetro de um bloco triangular de vidro Cervit estável em termos de temperatura com espelhos reflectores colocados em cada canto. Quando o giro gira a alguma velocidade angular, a distância percorrida por cada feixe torna-se diferente – sendo o caminho mais curto oposto à rotação. A mudança de fase entre os dois feixes pode ser medida por um interferômetro e é proporcional à taxa de rotação (efeito Sagnac).
Na prática, em baixas taxas de rotação a freqüência de saída pode cair a zero como resultado de backscattering fazendo com que os feixes se sincronizem e travem juntos. Isto é conhecido como um “lock-in”, ou bloqueio a laser. O resultado é que não há alteração no padrão de interferência e, portanto, nenhuma mudança na medição.
Para desbloquear os feixes de luz que giram em sentido contrário, os giroscópios laser ou têm caminhos de luz independentes para as duas direcções (normalmente em giroscópios de fibra óptica), ou o giroscópio laser é montado num motor piezo-eléctrico de dither que vibra rapidamente o anel laser para trás e para a frente em torno do seu eixo de entrada através da região de bloqueio para desacoplar as ondas de luz.
O agitador é o mais preciso, porque ambos os feixes de luz utilizam exactamente o mesmo caminho. Assim os giroscópios laser retêm peças móveis, mas não se movem tanto.
Giroscópios de fibra óptica (FOG)Editar
Uma variação mais recente no giroscópio óptico, o giroscópio de fibra óptica, utiliza um laser externo e dois feixes indo em sentidos opostos (contra-propagação) em bobinas longas (vários quilômetros) de filamento de fibra óptica, com a diferença de fase dos dois feixes comparados após seu deslocamento através dos bobinas de fibra.
O mecanismo básico, luz laser monocromática viajando em caminhos opostos e o efeito Sagnac, é o mesmo num FOG e num RLG, mas os detalhes de engenharia são substancialmente diferentes no FOG em relação aos giroscópios laser anteriores.
O enrolamento preciso da bobina de fibra óptica é necessário para garantir que os caminhos tomados pela luz em direções opostas sejam o mais similares possível. O FOG requer calibrações mais complexas do que um giroscópio de anel laser, tornando o desenvolvimento e fabricação do FOG mais desafiador tecnicamente do que para um RLG. No entanto os FOG’s não sofrem de bloqueio do laser a baixas velocidades e não precisam conter partes móveis, aumentando a máxima precisão potencial e vida útil de um FOG sobre um RLG equivalente.
Acelerômetros PendularesEditar
O acelerômetro básico de ciclo aberto consiste de uma massa acoplada a uma mola. A massa é condicionada a mover-se apenas em linha com a mola. A aceleração causa a deflexão da massa e a distância de deslocamento é medida. A aceleração é derivada dos valores da distância de deflexão, massa e da constante da mola. O sistema também deve ser amortecido para evitar oscilação. Um acelerômetro de ciclo fechado atinge maior desempenho utilizando um loop de realimentação para cancelar a deflexão, mantendo assim a massa quase estacionária. Sempre que a massa se deflete, o loop de realimentação faz com que uma bobina elétrica aplique uma força igualmente negativa sobre a massa, cancelando o movimento. A aceleração é derivada da quantidade de força negativa aplicada. Como a massa mal se move, os efeitos das não linearidades da mola e do sistema de amortecimento são grandemente reduzidos. Além disso, este acelerômetro proporciona maior largura de banda além da freqüência natural do elemento sensor.
Alguns tipos de acelerômetros foram fabricados como micromaquinaria integrada em chips de silício.
TIMU (Temporização & Unidade de Medição Inercial) sensoresEditar
O departamento de Tecnologia de Microssistemas (MTO) da DARPA está a trabalhar num programa de Micro-PNT (Micro-Tecnologia para Posicionamento, Navegação e Temporização) para desenhar Temporização & Chips de Unidade de Medição Inercial (TIMU) que fazem o seguimento absoluto da posição num único chip sem navegação assistida por GPS.
Micro-PNT adiciona um relógio mestre de cronometragem altamente preciso integrado num chip IMU (Unidade de Medida Inercial), tornando-o num chip de Cronometragem & Chip de Unidade de Medida Inercial. Um chip TIMU integra giroscópio de 3 eixos, acelerômetro de 3 eixos e magnetômetro de 3 eixos juntamente com um relógio temporizador mestre de alta precisão, para que ele possa medir simultaneamente o movimento rastreado e combiná-lo com o tempo do relógio sincronizado.