5.5: Sensores basados en inercia

Una masa en movimiento no suelta su energía cinética, sino por fricción. De igual manera, una masa en reposo resistirá la aceleración. Ambos efectos se deben a la “inercia” y pueden ser explotados para medir la aceleración y la velocidad.

5.5.1. Acelerómetro

Un acelerómetro se puede considerar como una masa en un resorte humedecido. Considerando un resorte vertical con una masa colgando de él, podemos medir la fuerza de actuación F = kx (ley de Hooke) midiendo el desplazamiento x que la masa ha estirado el resorte. Usando la relación F = am, ahora podemos calcular la aceleración a sobre la masa m. En la tierra, esta aceleración es aproximadamente 9.81 kgm/s ². En la práctica, estos sistemas de resorte/masa se realizan utilizando sistemas microelectromecánicos (MEMS), como una viga en voladizo cuyo desplazamiento se puede medir, por ejemplo, usando un sensor capacitivo. Los acelerómetros miden hasta tres ejes de aceleraciones traslacionales. Inferir una posición a partir de esto requiere integración dos veces, amplificando así cualquier ruido, haciendo que las estimaciones de posición usando acelerómetros solos sean inviables. Como la gravedad proporciona un vector de aceleración constante, los acelerómetros son muy buenos para estimar la postura de un objeto con respecto a la gravedad.

5.5.2. Giroscopios

Un giroscopio es un dispositivo electromecánico que puede medir la orientación rotacional. Es complementario al acelerómetro que mide la aceleración traslacional. Clásicamente, un giroscopio consiste en un disco giratorio que podría girar libremente en un sistema de pivotes y cardanes. Al mover el sistema, el momento inercial mantiene la orientación original del disco, lo que permite medir la orientación del sistema con respecto a donde se inició el sistema. Una variación del giroscopio es el giroscopio de velocidad, que mide la velocidad de rotación.

Lo que mide un giroscopio de velocidad se puede ilustrar de manera más intuitiva considerando la implementación de un giroscopio de velocidad óptica. En un giroscopio óptico, un rayo láser se divide en dos haces y se envía alrededor de una trayectoria circular en dos direcciones opuestas. Si esta configuración se gira contra la dirección de uno de estos rayos láser, un láser tendrá que viajar un poco más que el otro, lo que lleva a un desplazamiento de fase medible en el receptor. Este desplazamiento de fase es proporcional a la velocidad de rotación de la configuración. Como se sumará luz con la misma frecuencia y fase, y las luces con la misma frecuencia pero fases opuestas se cancelarán entre sí, la luz en el detector será más oscura para altas velocidades de rotación. Como los giroscopios de velocidad óptica a pequeña escala no son prácticos por múltiples razones, los giroscopios de velocidad MEMS dependen de una masa suspendida por resortes. La masa está vibrando activamente, haciéndola sujeta a las fuerzas de Coriolis, cuando se gira el sensor. Las fuerzas de Coriolis se pueden entender mejor moviéndose ortogonalmente a la dirección de rotación en un reproductor de discos de vinilo. Para moverte en línea recta, no solo necesitarás moverte hacia adelante, sino también de lado. La aceleración necesaria para cambiar la velocidad de este movimiento lateral está contrarrestando la fuerza de Coriolis, que es tanto proporcional a la velocidad lateral (la vibración de la masa en un sensor MEMS) como a la velocidad de rotación, que el dispositivo desea medir. Tenga en cuenta que el giroscopio MEMS solo podría medir la aceleración si no estuviera vibrando.

Los giroscopios pueden medir la velocidad de rotación alrededor de tres ejes, los cuales se pueden integrar para obtener una orientación absoluta. Como un acelerómetro mide a lo largo de tres ejes de traslación, la combinación de ambos sensores puede proporcionar información sobre el movimiento en los seis grados de libertad. Junto con un magnetómetro (brújula), que proporciona orientación absoluta, esta combinación también se conoce como Unidad de Medición Inercial (IMU).