¿Qué son los Sensores Giroscópicos?
Los sensores giroscópicos son sensores que detectan la velocidad angular.
También se denominan giroscopios. La velocidad angular se refiere a la cantidad física de rotación de un objeto por unidad de tiempo y es un sensor esencial en los productos de maquinaria industrial actuales, donde se requiere un control avanzado y preciso.
En particular, los sensores giroscópicos se utilizan siempre en campos como la robótica, la aeronáutica y el control de carrocerías de automóviles, donde el control de realimentación debe tener en cuenta rotaciones diminutas.
Usos de los Sensores Giroscópicos
Los sensores giroscópicos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en el control de smartphones, cámaras digitales, dispositivos de juego, la industria espacial, la aviación, la automoción y los robots industriales.
Algunos usos específicos de los sensores giroscópicos son
Estabilización de la imagen en teléfonos inteligentes y cámaras digitales
Control de la marcha de robots bípedos
Medición y control de la posición de aeronaves
Medición del movimiento y la posición del usuario en juegos de realidad virtual
Los sensores giroscópicos tienen características diferentes según el producto, como la resistencia al calor y las vibraciones y el tamaño. Por lo tanto, a la hora de seleccionar un sensores giroscópicos hay que tener en cuenta la precisión del control del dispositivo que utiliza el sensor giroscópico y el entorno en el que se va a utilizar.
Principio de los Sensores Giroscópicos
Los métodos de medición típicos de los sensores giroscópicos incluyen el tipo de vibración, que utiliza la fuerza de Coriolis para la medición, y el tipo óptico, que utiliza el efecto Sagnac de la luz para la medición.
1. Sensores Giroscópicos Vibratorios
La fuerza de Coriolis utilizada en los sensores giroscópicos vibratorios es la fuerza aparente que actúa sobre un objeto en rotación cuando se mueve. Los giroscopios vibratorios pueden clasificarse a su vez en tipos piezoeléctricos y capacitivos.
Tipo Piezoeléctrico
Este método mide el valor de tensión generado en un transductor giratorio como magnitud física correspondiente a la fuerza de Coriolis.
Método Capacitivo
Este método mide la fuerza de Coriolis a partir de la diferencia de capacitancia entre los electrodos de detección izquierdo y derecho del transductor debido a la fuerza de Coriolis durante la rotación, y calcula la velocidad angular.
La relación entre la fuerza de Coriolis y la velocidad angular puede expresarse mediante la siguiente ecuación
ω=F/2mv (ω: velocidad angular, F: fuerza de Coriolis, m: masa del objeto, v: velocidad de movimiento).
2. Sensores Giroscópicos Ópticos
El efecto Sagnac utilizado en los sensores giroscópicos ópticos es el principio según el cual si el camino óptico por el que pasa la luz está en movimiento, la longitud del camino óptico aumenta. Este fenómeno físico se produce porque la velocidad de la luz es siempre constante. En los sensores giroscópicos ópticos, el camino de la luz se alarga a medida que la propia luz en órbita gira, y la velocidad angular puede calcularse midiendo la diferencia de fase causada por ello.
Más Información sobre los Sensores Giroscópicos
1. Métodos de Corrección de Sensores Giroscópicos
Corrección de la Deriva
Hay varios factores que pueden causar errores en la salida de un sensores giroscópicos. Una de las características más importantes a tener en cuenta es la “deriva”. La deriva se refiere al desplazamiento del punto cero, que se da originalmente como valor inicial, lo que provoca un desplazamiento gradual del valor inicial y un mayor error de detección.
Las causas internas de la deriva incluyen las fluctuaciones en el componente de CC (fluctuaciones de baja frecuencia) y los efectos del ruido de alta frecuencia: las fluctuaciones en el componente de CC se conocen como inestabilidad de sesgo y el ruido de alta frecuencia se conoce como paseo aleatorio angular. La inestabilidad de polarización depende de la estabilidad de la tensión de alimentación y puede mejorarse revisando la fuente de alimentación.
Corrección del Paseo Aleatorio Angular
El método de corrección del paseo aleatorio angular depende de los conocimientos técnicos de cada empresa, pero un método de corrección muy utilizado es el filtro de Kalman.
El filtro de Kalman es un método para estimar el estado más adecuado del sistema a partir de la información previa y los datos adquiridos en ese momento. Puede reformularse como un problema de estimación del estado original de una variable que cambia con el tiempo, a partir de la información obtenida en el pasado y en el presente. Es importante considerar que los valores medidos y las propias variables también están sujetos a ruido.
2. Diferencias entre Sensores Giroscópicos y Acelerómetros
Un sensor con propiedades similares a los sensores giroscópicos es el acelerómetro. Aunque a veces se confunden, son completamente diferentes.
Como su nombre indica, los acelerómetros son sensores diseñados para detectar la aceleración. Utilizan las fuerzas de inercia para medir los cambios en la velocidad a la que se mueve un objeto y la emiten como una señal eléctrica. Los sensores de aceleración se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, ya que a partir de la aceleración también se puede obtener información como la forma en que vibra un objeto y la magnitud del impacto. Su estructura básica es similar a la de los Sensores Giroscópicos.
Los sensores giroscópicos, por su parte, se utilizan para detectar la velocidad angular, como se ha mencionado anteriormente. Utilizan la fuerza de Coriolis para medir el movimiento (rotación) y los cambios de orientación y orientación de un objeto, que luego pueden emitirse como señal eléctrica.
3. Sensores de 3, 6 y 9 Ejes
Los sensores con soporte de 3 y 6 ejes se utilizan comúnmente en los sensores de detección de fuerza inercial en estos días. Cada uno de ellos corresponde a la aceleración (3 ejes) y la velocidad angular (6 ejes) en las direcciones adelante/atrás, izquierda/derecha y arriba/abajo, y como sensores a bordo de vehículos son indispensables para ADAS y la tecnología de conducción automática, que son sistemas de asistencia al conductor para vehículos.
Por ejemplo, los sistemas de navegación de los automóviles están equipados con un sensor giroscópicos y un sensor de aceleración. El sensor giroscópicos detecta la dirección del automóvil y el sensor de aceleración detecta la distancia recorrida, lo que permite mostrar la ubicación actual con gran precisión incluso en lugares donde la recepción de la señal es difícil, como en los túneles.
Los tres ejes están representados por el balanceo, el cabeceo y la guiñada, y estos ejes pueden utilizarse para representar la postura. En particular, el balanceo y el cabeceo pueden corregirse por sí mismos como circuito de realimentación de la propia deriva, que es un factor de error. Además, una ref diferente para la compensación de la deriva es el uso de un sensor geomagnético como sensor compatible con 6 ejes adicional al estándar actual, en este caso denominado sensor compatible con 9 ejes.
4. Sensores Giroscópicos con Soporte MEMS
Los sensores giroscópicos se utilizan para visualizar y controlar el movimiento de maquinaria con movimiento de rotación en una pantalla, La tecnología MEMS se utiliza desplegando la tecnología de microfabricación de película fina de la industria de semiconductores.
A diferencia de los girosensores “ópticos” y “mecánicos”, los sensores MEMS son relativamente fáciles de miniaturizar e integrar, por lo que se utilizan en muchos dispositivos, incluidos los móviles, como los smartphones, gracias a su gran compatibilidad con los ASIC, que permiten un control relativamente sofisticado.
Además, el rango de detección de la velocidad angular que requieren los Sensores Giroscópicos varía en función de su aplicación. Por ejemplo, los dispositivos móviles como los smartphones requieren un rango de 300 a 2000 dps (grados por segundo, ángulo de rotación por segundo), mientras que los dispositivos de automoción como los sistemas de navegación de los coches requieren un rango de 100 a 500 dps.
Por lo tanto, a la hora de seleccionar un sensor, hay que tener en cuenta cuánto alcance de detección es suficiente, en función de cómo se vaya a utilizar el dispositivo.