Un viejo proverbio dice: "si no sabes a dónde vas, cualquier camino te llevará allí". Tan cierto como esto podría ser, no es aceptable o necesario "perderse" (usted o su producto), para encontrarse.
Los sensores de movimiento basados en MEMS de hoy, con frecuencia combinados con módulos GPS, pueden entregar respuestas increíblemente buenas a estas antiguas preguntas a bajo costo, espacio y consumo de energía. En pocas palabras, el históricamente formidable desafío de la navegación se ha simplificado enormemente y se ha vuelto muy manejable para muchas aplicaciones antiguas, a la vez que permite otras nuevas e innovadoras.
En el pasado, era difícil lograr una detección electrónica de movimiento y sus diversos factores precisa y a un costo razonable. Giroscopios, brújulas magnéticas, planisferios celestes y acelerómetros eran los componentes y subsistemas más comunes disponibles y, a menudo, requerían gran asistencia manual para realizar su configuración y efectuar los cálculos. Como resultado, el difundido uso de la detección electrónica de movimiento se limitaba a aplicaciones avanzadas, como buques, aviones, misiles y naves espaciales La disponibilidad de detección fácil de movimiento en drones de bajo costo, vehículos autónomos o incluso la orientación de teléfonos inteligentes portátiles era impensable.
Ahora, los sensores basados en MEMS hacen que la detección de movimiento y orientación sea prácticamente rutinaria. Al hacerlo, se ha cambiado la forma en que pensamos en los beneficios de la medición de la aceleración, lo cual es un parámetro sorpresivamente revelador y generalizado.
Observe que los acelerómetros basados en MEMS son muy diferentes a las versiones simplemente de tamaño pequeño de los giroscopios de rueda vendidos como juguetes pero utilizados también en los sistemas de orientación precisa; en su lugar, las unidades de MEMS utilizan las estructuras vibratorias de diapasón y la medición de los cambios de parámetros debido al movimiento. Tenga también presente que algunas aplicaciones solo necesitan detectar un movimiento y posición relativa, ya que tienen una base de referencia fija (piense en un conjunto de brazos robóticos en una fábrica), mientras que otras aplicaciones necesitan saber la ubicación absoluta (drones y vehículos controlados remotamente, por ejemplo).
Revisión de los conceptos básicos
La frase "detección de movimiento" en realidad abarca diversos puntos específicos y objetivos. Los parámetros fundamentales son la jerarquía de tres vectores de posición, velocidad y aceleración. La física básica define velocidad como la derivada (tasa de cambio) de la posición x respecto del tiempo (v = dx/dt) y la aceleración como la derivada de la velocidad v respecto del tiempo (a = dv/dt).
Las operaciones complementarias también son verdaderas, por supuesto: la velocidad es la integral de la aceleración respecto del tiempo, mientras que la posición es la integral de la velocidad respecto del tiempo. En principio, si usted conoce una de estas tres y mide los intervalos de tiempo, puede integrar y diferenciar para conocer las demás. (Igualmente debe saber su punto de partida para la navegación verdadera, por supuesto, incluso al determinar una o más de las otras tres.)
Algunos sistemas se basan exclusivamente en acelerómetros de precisión en conjunto con integración analógica o digital para determinar la velocidad y la posición. El desafío es que incluso errores muy pequeños en la señal detectada de la aceleración, debido ruido o imperfecciones en el transductor pueden generar errores graves e inaceptables en los resultados, ya sea al integrar o al diferenciar. Como resultado, muchos sistemas optan por usar una combinación de sensores para determinar independientemente estos parámetros fundamentales.
Hay mucho más relacionado con detección de movimiento que estos tres factores. Dependiendo de la aplicación, un subsistema de detección de movimiento también podría incluir giroscopios de un eje o de varios ejes o una brújula electrónica para determinar la orientación y un GPS para determinar la ubicación (pero tenga presente que las señales del GPS no siempre se encuentran disponibles). Un sistema de movimiento basado en giroscopio, el cual incluye un trío de giroscopios y acelerómetros ortogonales (para los ejes x, y, z), a menudo denominado unidad de medición inercial (IMU) porque determina la orientación y la aceleración sin ninguna referencia externa o señal recibida (Figura 1).
Figura 1: la arquitectura clásica de IMU es completamente autónoma e incluye un acelerómetro y un giroscopio para cada eje ortogonal, de modo que puede determinar completamente el movimiento y la orientación sin necesidad de ninguna referencia externa como GPS, observaciones (estrellas o hitos), o faros de geolocalización (señal de radio).
Esto la hace la solución adecuada para aplicaciones como vehículos submarinos, vehículos en túneles o naves espaciales, cuando el GPS o el campo magnético de la Tierra pudiera no encontrarse disponible o ser demasiado impreciso. Incluso si estuviesen disponibles, una IMU podría utilizarse en conjunto con otro subsistema de detección de movimiento para obtener resultados de comprobación.
Existen muchas aplicaciones de detección de movimiento que no necesitan todas las capacidades de una IMU o la medición de distancia, velocidad y aceleración. Por ejemplo, un sensor de bolsa de aire solo necesita medir la aceleración para determinar si un cambio repentino en la velocidad del vehículo indica un choque. Dónde se encuentra el automóvil ahora o cómo llegó ahí es irrelevante; de igual forma, la detección de la vibración en la maquinaria giratoria solo necesita un acelerómetro para detectar vibración excesiva y una posible falla de los cojinetes; y un bloqueo de velocidad excesiva en un vehículo solo debe medir ese parámetro, y no necesita conocer la posición o la aceleración.
Parámetros de interés del alcance de los sensores de movimiento
La brújula magnética que utiliza una aguja giratoria está entre las herramientas de navegación más antiguas. Es moderadamente precisa, no requiere energía y es bastante confiable. Sin embargo, no es compatible con sistemas electrónicos y es difícil de calibrar o compensar en caso de errores debido a objetos metálicos en las cercanías.
Existe un equivalente electrónico para la brújula magnética: el fluxgate. Utiliza un núcleo magnético envuelto con una bobina de alambre y esta bobina se estimula con una corriente alterna que induce cargas conocidas en el campo magnético del núcleo y la señal de salida. Cualquier campo magnético externo causará desviaciones de estos cambios esperados; estas desviaciones se pueden detectar y amplificar para detectar la resistencia del campo con alta precisión.
Si bien el arreglo de fluxgate es obviamente más complejo en cuanto al concepto que detectar una aguja de una brújula o su equivalente, no tiene piezas móviles, es pequeño pero sensible y se puede configurar de forma de reducir al mínimo los efectos de la desviación de campos externos debido a objetos en las cercanías. Requiere una interfaz eléctrica en cierto modo poco habitual y el DRV421 de Texas Instruments está diseñado para esta clase de aplicación (Figura 2). Combina un sensor de fluxgate, acondicionamiento de señales y un controlador de bobina de compensación en un circuito integrado único, que genera una precisión de detección de más de 0.1 por ciento. Para mantener la linealidad (otro parámetro de rendimiento fundamental), el circuito integrado simplifica la tarea de reducir al mínimo el acoplamiento cruzado entre el sensor de fluxgate mismo y la bobina de compensación externa, como también las emisiones no deseadas provenientes de la excitación propia del fluxgate.
Figura 2: el circuito integrado DRV421 de Texas Instruments ofrece una detección precisa de campo magnético sin contacto en un paquete de 4 × 4 mm, a través de su combinación de sensor de fluxgate, acondicionamiento de señal y controlador de bobina de compensación. (Fuente: Texas Instruments)
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En la actualidad los automóviles no solo utilizan los acelerómetros para desplegar las bolsas de aire; se utilizan como parte del sistema de detección/prevención de volcadura, alarmas antirrobo (cuando el vehículo se empuja o levanta); como también en la estabilización y emparejamiento al desplazarse. Las unidades de un solo eje, como el Freescale MMA2201KEG (Figura 3) forman parte de una serie de acelerómetros de MEMS que incluyen acondicionamiento de señales, un filtro de paso inferior de 4 polos y compensación de temperatura para rendimiento mejorado. Compensación cero g, alcance a escala completa y frecuencia de desconexión de filtro son factores establecidos y, por ende, no requieren dispositivos externos activos ni pasivos, aunque una capacidad de autoprueba completa verifica la funcionalidad del sistema. El circuito integrado opera desde una alimentación de 5 V y tiene un valor nominal de sensibilidad de 50 mV/g.
Figura 3: el Freescale MMA2201KEG es un acelerómetro de eje único con una salida analógica de 50 mV/g en un rango de ±40 g, y se adapta bien a muchas aplicaciones de aceleración y movimiento de no navegación. (Fuente: Semiconductor Freescale)
Las aplicaciones de acelerómetros como este dispositivo pequeño con un rango de ±40-g, alojado en un paquete SOIC de 7.5 × 10 mm de 16 cables, van más allá de las situaciones obvias como son el despliegue de las bolsas de aire o la navegación. Se puede utilizar para monitoreo y registro de vibración, control de dispositivo, protección de disco duro de la computadora (cuando la aceleración repentinamente cae a cero, el indicador cae y sus cabezas se deben retraer de inmediato), mouses y palancas de mando de computadoras, dispositivos de entrada de realidad virtual, e incluso productos de diagnóstico de deportes, para citar algunas de las formas en que la aceleración de eje único puede cuantificar lo que era obvio y difícil de medir.
Un circuito integrado de giroscopio representativo muestra cuán radicalmente la tecnología MEMS ha transformado el método de giroscopio de "rotor giratorio". El giroscopio de baja potencia ADIS16250 de Analog Devices (Figura 4) es un sistema de medición de tasa angular completa que proporciona datos digitales de 14 bits calibrados de fábrica a un procesador a través de un puerto de interfaz serial SPI simple. El rango del dispositivo se puede establecer digitalmente en tres valores diferentes: ±80°/seg, ±160°/seg y ±320°/seg. Necesita una alimentación única de 5 V, se ofrece en un paquete de LGA de 11 mm × 11 mm × 5.5 mm, y ofrece una supervivencia de choque de 2000 g, incluso cuando recibe alimentación.
Figura 4: el giroscopio de baja potencia ADIS16250 de Analog Devices es un dispositivo MEMS con un convertidor A/D interno que ofrece una resolución de 14 bits y un puerto SPI para simplificar la interfaz al procesador del sistema, junto con otras características que mejoran su funcionalidad. (Fuente: Analog Devices)
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Apunta a una amplia gama de aplicaciones relacionadas con movimiento, como el control de instrumentación, control de plataforma y estabilización, navegación y robótica. Al igual que muchos circuitos integrados de MEMS relacionados con movimiento, está disponible con rendimiento de rango de temperatura extendido y cumple con las estrictas especificaciones de automóviles en cuanto a robustez, que cubre temperatura, vibración, choque térmico y oscilaciones de tensión.
La detección de atributos relacionados con movimiento (velocidad, dirección, posición y aceleración) siempre ha representado un desafío, y requiere sensores complejos, de gran tamaño y de gran consumo de energía. Esta situación cambió radicalmente con la disponibilidad de los sensores basados en MEMS, como acelerómetros y giroscopios, como también los circuitos de interfaz de alto rendimiento, que compensan las limitaciones del sensor. Como resultado, los diseñadores de sistemas ahora pueden abordar una amplia gama de oportunidades de diseño y conocimientos de nuevas aplicaciones.