Sensores Inerciales: Acelerómetros, giroscopios e IMUs

En esta ocasión hablaremos acerca de los dispositivos usados para medir velocidades angulares y aceleraciones lineales, esto es, acerca de los giroscopios y los acelerómetros. Sin ellos no existirían los dispositivos de ocio con los que contamos, particularmente con las nuevas consolas de videojuegos con las que pueden bailar, practicar deportes y reproducir fielmente en una pantalla todos los movimientos que se realicen con el cuerpo, con los nuevos celulares y tabletas, así como los dispositivos de seguridad que ofrecen los automóviles y que ayudan a mantener estable a un dron mientras vuela.

Los giroscopios

Son sensores que cuantifican la variación angular de un objeto en un lapso, en otras palabras, ayudan a cuantificar la velocidad angular al ser sensibles al movimiento rotacional y cambios de orientación que sufra un objeto, por lo que los giroscopios sólo se usan para detectar cambios suaves. Además, con ellos se puede determinar la posición angular empleando la operación matemática de integración.

Ahora, ¿cómo funciona un giroscopio? Los giroscopios funcionan por medio del efecto Coriolis. Dado un sistema de referencia inercial que rota y un objeto que se mueve con respecto a ese sistema, el objeto sufrirá de una fuerza inercial que es ortogonal al eje de rotación del sistema y a la velocidad del objeto, provocando que el objeto tenga una desviación en su trayectoria; ese es el efecto Coriolis.

Existen varios tipos de giroscopios, comenzando primeramente con los de mayor tamaño y finalizando con los más pequeños. Estos son:

  • Giroscopios láser de anillo.
  • Giroscopios de fibra óptica.
  • Giroscopios de fluido.
  • Giroscopios vibratorios.

Cabe mencionar que en esta entrega sólo se hablará de los giroscopios vibratorios debido a que son el tipo de giroscopio que se emplean en equipos electrónicos por ser miniaturas y de masas muy ligeras. Sólo para dar una idea general de los otros tipos de giroscopios mencionaremos que los giroscopios láser de anillo se emplean en aviones y cohetes lanzadores para llevar carga al espacio, entre otros mientras que los giroscopios de fibra óptica son usados en misiles, en botes, barcos y vehículos de carreras. Por otra parte, los giroscopios vibratorios son con los que más estamos familiarizados ya que son usados en cámaras celulares y fotográficas para la detección de movimiento, calibración y autoenfoque, los sistemas de sensado en videojuegos, sistemas de control de estabilidad en vehículos, entre otros.

Por las aplicaciones en los aparatos mencionados, el tipo de tecnología que se usa para la fabricación de estos sensores es el tipo MEMS (micro-electro-mechanical system) y existen diferentes tipos de giroscopios vibratorios MEMS los cuales son:

Giroscopios tuning fork. Consiste en un par de masas sujetas a una estructura que funciona como un ancla. Para que el giroscopio funcione con el efecto Coriolis, el dispositivo debe encontrarse en movimiento ya que este efecto aparece sólo en cuerpo en movimiento, por lo que para lograr esto se hace vibrar la estructura a su frecuencia natural para lograr que las masas tengan movimiento. En la siguiente ilustración se muestra que ese movimiento logrado se efectúa en el eje X.

Cuando la estructura comienza a rotar en sobre el eje Z, la fuerza inercial comienza a actuar sobre las masas cambiando el sentido de oscilación de las mismas pero en sentido opuesto pasando de horizontal –en el eje X- al vertical –en el eje Y- y es en este momento cuando el dispositivo comienza a sensar. Lo explicado anteriormente se muestra en la siguiente ilustración.

Por si acaso, enseguida se tiene otra ilustración que ejemplifica la explicación anterior.

Cerca de las masas hay placas las cuales, junto con las masas, forman un capacitor. Cuando no existe un giro, los espacios entre las placas y las masas permanecen constantes por lo que se tiene una capacitancia constante. Por otro lado, cuando comienza a haber una rotación, las masas comienzan a moverse verticalmente provocando que las distancias entre las placas y las masas cambien, por lo que se tiene una capacitancia variable. Esta capacitancia variable es la señal eléctrica que se posteriormente se amplifica y se usa. En la siguiente figura se muestran las placas junto a la masa, así como un video que muestra el funcionamiento de un giroscopio de este tipo.

Cabe mencionar que este tipo de giroscopios microscópicos son los más usados pues es más barato de fabricar, aunque también hay otros que se describirán un poco a continuación.

Giroscopios de disco vibratorio. Este giroscopio funciona a partir de un disco que vibra en su eje de simetría y que, dependiendo de la rotación en cualquiera de los ejes, provoca que el disco se incline. Esa inclinación es detectada por medio de placas que se encuentran debajo del disco ya que, al inclinarse el disco, la capacitancia cambia. A continuación se muestra el esquema de este giroscopio.

Otros tipos de giroscopios vibratorios son los giroscopios wine-glass, también conocidos como mushroom gyros o hemispherical resonator gyroscope (HRG) y los giroscopios con péndulo de Foucault. Estos dos son ampliamente usados en aplicaciones aeroespaciales y aeronáuticas.

Los acelerómetros

Por otro lado, los acelerómetros son sensores que sirven para medir el cambio de velocidad que sufren los cuerpos en determinado lapso, así como para determinar las fuerzas que se aplican a un objeto con determinada masa para moverlo. A diferencia de los giroscopios, estos sensores son usados y funcionan perfectamente en cambios bruscos de velocidad. Por ello estos sensores son usados para el inflado de las bolsas de aire en los automóviles, para la inhabilitación de tu teléfono celular cuando se tira por accidente, para la detección de movimientos sísmicos, por mencionar algunas aplicaciones.

Pero, ¿cómo funcionan? Hablado estrictamente de los acelerómetros electrónicos, especialmente de aquellos en forma de microchip –sensores tipo MEMS-, en el siguiente video puedes ver el funcionamiento de un acelerómetro.

En el video anterior se muestra el funcionamiento del acelerómetro de capacitancia variable. Hay otro acelerómetro piezoeléctrico, el cual funciona con piezas piezoeléctricas, esto es, que al deformarse mecánicamente se genera una señal eléctrica que luego es amplificada como se muestra en la ilustración inferior.

Así como hay varios tipos de giroscopios, también hay otros tipos de acelerómetros, tales como los acelerómetros de fibra óptica, de efecto Hall, de transferencia de calor, magnetorresistivos y de tensión.

Dispositivos IMU

Finalmente nos falta mencionar a los IMUs. IMU es el acrónimo en inglés de inertial measurement unit y se trata de dispositivos que en una sola pieza contienen acelerómetros y giroscopios –en algunos modelos incluyen magnetómetros y los más sofisticados poseen barómetros y sensores de temperatura- Por consiguiente, estos dispositivos sensoriales inerciales son los más completos y mientras más grados de libertad tengan, más parámetros pueden ser cuantificados. Los grados de libertad se refieren al número de ejes que pueden ser sensados por el IMU. Por ejemplo, si un IMU contiene un acelerómetro que puede detectar aceleraciones en los ejes X, Y, y Z,  y un giroscopio capaz de detectar velocidades angulares en los tres ejes mencionados, entonces el IMU es de 6 grados –en la nomenclatura de la hoja de datos se muestra como 6 dof-

Ya sea que se use un giroscopio, un acelerómetro o un IMU, un aspecto muy importante en la toma de decisión para adquirir alguno de estos sensores  es tomar en cuenta las resoluciones, temperaturas de operación, tipo de salidas, entre otras características y no está demás conocer que las unidades empleadas en los acelerómetros son en g g se denomina a la aceleración gravitacional que ejerce la Tierra, la cual es de 9.81 m/s2, por lo que 1 g = 9.81 m/s2. Es importante señalar que esta aceleración se aplica en forma general pero la aceleración varía dependiendo del lugar- mientras que las unidades de medición empleadas en los giroscopios son en grados sobre segundo (°/s).

Si se quiere saber más acerca de estos componentes, se recomienda consultar los siguientes enlaces:

http://www5.epsondevice.com/en/information/technical_info/gyro/

https://www.quora.com/How-does-a-MEMS-gyroscope-work

http://dasp.mem.odu.edu:8080/~tfork_sp11/theory.html

http://sweetrandomscience.blogspot.mx/2013/07/comment-les-telephones-portables-et.html

http://www.explainthatstuff.com/accelerometers.html

http://insights.globalspec.com/article/1263/specifying-an-accelerometer-function-and-applications