2008 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Introducción al Diseño de Micro Robots Móviles El presente documento propone un primer contacto con la robótica móvil. Llevando a cabo un repaso a través de algunos componentes críticos que le dan forma como son los acelerómetros y los giróscopos. Para terminar se hace referencia a aplicaciones reales y de actualidad para asimilar por completo la potencia que pueden tener dichos componentes. Berbel Millán, Víctor Collada Nevado, José Andrés Díaz Pardo, Carlos Poudereux Clemente, Pablo Departamento de Electrónica 01/11/2008 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL INDICE INTRODUCCIÓN.......................................................................4 Estructura y propósito del trabajo................................................. 4 Introducción al mundo de los sensores inerciales ......................... 5 Funcionamiento básico.................................................................. 6 Tipos y tecnologías existentes ...................................................... 6 ¿Qué es un Acelerómetro? ......................................................6 ¿Qué es un Giróscopo? ...........................................................8 Tecnologías ...........................................................................9 Ejemplos de sensores inerciales.................................................. 10 Giróscopo Futaba GY-401 para aeromodelismo ........................ 10 Acelerómetro de 2 ejes robonova s300474.............................. 10 Giróscopo piezoelectrico PK3 ................................................. 10 ACELEROMETRO.....................................................................11 Funcionamiento........................................................................... 11 Teoría de operación para medir inclinación:................................ 12 Calculo distancias........................................................................ 13 Tipos de acelerómetros ............................................................... 15 Piezo-electronicos ................................................................ 15 Piezo-resistivo ..................................................................... 16 Acelerómetro de galgas extensométricas (Strain gage based) ... 16 Láser.................................................................................. 17 Térmico .............................................................................. 18 Condensador ....................................................................... 18 Sensores Concretos..................................................................... 19 ADXL320 ............................................................................ 19 MXD7202GL ........................................................................ 20 GIROSCOPOS .........................................................................21 Introducción ............................................................................... 21 Propiedades del giróscopo .......................................................... 22 2 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Rigidez giroscópica............................................................... 22 Precesión ............................................................................ 22 Tipos de giróscopos..................................................................... 23 Giróscopo mecánico ............................................................. 23 Giróscopo óptico .................................................................. 25 Giróscopos electrónicos ........................................................ 30 Otros giróscopos.................................................................. 36 APLICACIONES REALES .........................................................40 Wii .............................................................................................. 40 Introducción........................................................................ 40 Acelerómetro......................................................................... 41 Giróscopos ........................................................................... 43 Crash test dummies .................................................................... 43 Introducción .......................................................................... 43 Acelerómetros ....................................................................... 44 Sensores de carga .................................................................. 46 Sensores de movimiento........................................................... 46 Seguridad automotriz.................................................................. 46 Modelos reales..................................................................... 51 CONCLUSIONES .....................................................................54 ÍNDICE DE FIGURAS ..............................................................56 BIBLIOGRAFIA ......................................................................58 3 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN Estructura y propósito del trabajo El objetivo que intentamos perseguir con la realización de este trabajo no es otro que el acercar a los alumnos el interesante mundo de los sensores inerciales en el contexto de la robótica móvil. Dicho propósito no busca ofrecer una exhaustiva documentación de carácter altamente técnico, sino exponer primero los conocimientos más básicos para comprender lo que son los sensores inerciales, y sobre todo describir a nivel práctico dos modelos concretos de sus dos tipos más importantes (un acelerómetro y un giróscopo) para que también pueda servir de guía o manual para iniciarse en su utilización. También, por último, uno de los objetivos del presente documento el describir brevemente algunos de los proyectos reales que existen y se benefician de esta tecnología. Para ello, hemos dividido la estructura de este trabajo en cuatro partes bien diferenciadas: - - - En la primera parte hablaremos de las bases teóricas y lo que se debe saber sobre los sensores inerciales, que son, funcionamiento básico, tipos, y relación con la robótica móvil con algunos ejemplos que es lo que nos interesa. En la segunda y tercera parte se describe más en profundidad cada uno de los tipos más importantes que existen. Un apartado para cada uno, estos son los acelerómetros y los giróscopos, en cada uno de estos apartados se explicará concretamente su funcionamiento y tecnología además de exponer como referente un modelo particular que se puede comprar, para exponer sus características y su utilización. En el último bloque del documento hablaremos de varios proyectos reales, también fuera o más alejado del ámbito de la robótica móvil, pero que son muy interesantes por su avance y su repercusión tanto técnica como social. Estamos hablando por ejemplo del muy conocido mando de 4 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL control del sistema de entretenimiento doméstico “Wii”, o por poner otro ejemplo de los sistemas de automoción basados en sistemas inerciales para aumentar la seguridad y/o comodidad del usuario. Introducción al mundo de los sensores inerciales En robótica, como ya sabemos, los sensores los utilizamos para poder captar información del mundo exterior, y que esta permita realizar algo útil o sea parte de un objetivo más complejo para el sistema, estos forman parte del sistema de percepción del robot. Existen multitud de tipos de sensores, en este trabajo abordaremos aquellos que son llamados sensores inerciales. Pero para poder definirlo correctamente, deberíamos empezar primero por definir lo que es un sensor, y luego especificar lo particular de los sensores inerciales, es decir que los diferencian del resto. Un sensor se puede definir como un dispositivo (normalmente eléctrico y/o mecánico) que detecta una determinada acción externa, tal como temperatura, presión, etc., y la transmite adecuadamente. Componente fundamental de cualquier robot, cuyo programa computacional decide que hacer basándose en esa información y en sus propias instrucciones. (diccionario de robótica http://www.quizma.cl/robotica/diccionario.htm ) Ahora que sabemos esto, podemos definir entonces a un sensor inercial como aquel que se utiliza para medir las variaciones de velocidad en un cuerpo, que pueden ser lineales (medidas por los acelerómetros) ó angulares (medidas por los giróscopos).También es importante saber que con algunos cálculos también se pueda obtener la velocidad o la distancia recorrida puesto que realmente lo que miden es la segunda derivada de la posición. ¿Donde estoy? Figura 1: robot perdido 5 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Funcionamiento básico El principio físico de funcionamiento de estos sensores radica la existencia de una masa, llamada “masa de prueba” que se sitúa en su interior. El movimiento (ya sea lineal o angular) de dicha masa respecto al sistema de referencia del sensor es lo que se mide y esto nos indica el movimiento que ha tenido el objeto o robot en el que se halle. De ahí su nombre, sensores inerciales o de inercia debido al desplazamiento que experimenta su masa. Figura 2: Sensor inercial de choque Tipos y tecnologías existentes Prácticamente existen dos grandes tipos de sensores inerciales, ya que, aunque hay más tipos de sensores cuyo fin es la orientación (brújulas, distancia, etc…), son los acelerómetros y los giróscopos los que realmente se basan en los principios de inercia. ¿Qué es un Acelerómetro? Estos sensores, como su propio nombre indica, miden aceleraciones, variaciones de velocidad lineal, es decir, aceleraciones lineales. Esta medición no es más que la fuerza de inercia generada cuando a una masa se le aplica un cambio de velocidad, puesto que se aplican las leyes básicas de Newton, conocida la masa. Un acelerómetro por tanto también puede ser usado perfectamente para determinar la posición de un cuerpo, ya que al conocer su aceleración en todo momento, es posible calcular los desplazamientos que tuvo. Considerando que se conocen la posición y 6 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL velocidad original del robot, y sumando los desplazamientos medidos se determina la posición con pocas operaciones. Según J.M. Pastor García, son sobre todo tres las cosas que puede hacer variar esta fuerza: - La tensión de un muelle La deformación de un elemento Laa deformación de una masa El esquema básico de un acelerómetro esta compuesto por tres elementos importantes (masa, elemento o mecanismo de suspensión y sensor), aunque puede variar su complejidad según la tecnología y su grado de especificación, sería el siguiente: Masa Mecanismo de suspensión Sensor Figura 3: Esquema acelerómetro Su montaje es sencillo y permite al robot conocer las velocidades al inclinarse en varios ejes. Los costes son muy variables, aunque los más baratos son sencillos y en robótica móvil funcionan bastante bien, los más costosos incluyen realimentación para mejorar la linealidad y aportan mayor precisión. Figura 4 y 5: sensor en robonova 2 7 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL En robótica móvil se suelen usar normalmente para detectores de choque, vibraciones, inclinación del terreno, y también como posición. ¿Qué es un Giróscopo? Estos sensores miden velocidades angulares o de rotación. Por su origen y por su principio relacionado con la física, también son llamados giroscopios. La señal que devuelven sirve para medir la rotación de la masa pues es proporcional a su velocidad angular. La cantidad de tipos concretos de giróscopos que existen es inmensa, y a veces se aplican diferentes principios. Está formado por un cuerpo que gira alrededor de su eje de simetría. Cuando se somete el giroscopio a una fuerza que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación su comportamiento es aparentemente paradójico ya que el eje de rotación, en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia de orientación en una dirección perpendicular a la dirección "intuitiva". (www.wikipedia.org). El ya bautizado como “efecto giróscopo” es en el que se basan juguetes como la peonza. De acuerdo con la mecánica del sólido rígido, además de la rotación alrededor de su eje de simetría, un giróscopo presenta en general dos movimientos principales: la precesión y la nutación. Este hecho se deduce directamente de las ecuaciones de Euler. Aunque no vamos a entrar en ello en profundidad, pues en el apartado de giróscopos se explicará más claramente, es importante saber que se basa en estos dos tipos de movimientos, gracias a los cuales podemos medir finalmente las aceleraciones angulares. (www.wikipedia.org). En la siguiente imagen tenemos el esquema básico de un giróscopo. 8 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 6: Esquema básico giróscopo Uno de los usos normales de los giróscopos en robótica móvil es como sensores de cambio de dirección. Tecnologías Entre el abundante mundo de los giróscopos, se utilizan varias tecnologías. acelerómetros y los Dentro de los acelerómetros tenemos: - Capacitivos Piezoeléctricos Extensiométricos Etc… Y las tecnologías más utilizadas en los giróscopos son: - Fibra óptica Piezoelectricos Anillo laser Estructura vibrante Cuánticos Etc… En los apartados correspondientes de este documento se describirá más en profundidad estas tecnologías y tipos. 9 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Ejemplos de sensores inerciales Giróscopo Futaba GYGY-401 para aeromodelismo Utilizado en helicópteros de aeromodelismo para corregir los cambios bruscos de dirección. Figura 7: Giróscopo Futaba Acelerómetro de 2 ejes robonova s300474 Sensor acelerómetro capaz de mostrar el ángulo de inclinación de 2 planos X e Y con gran precisión, bajo consumo y alta precisión. Figura 8: Acelerómetro robonova Giróscopo piezoelectrico PK3 Giróscopo piezoeléctrico utilizado habitualmente en aviones y helicópteros de radiocontrol para compensar de forma automática los giros bruscos. 10 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 9: Giróscopo PK3 ACELEROMETRO Funcionamiento El funcionamiento básico de un acelerómetro se basa en los desplazamientos que sufre una masa conocida con los cambios de aceleración. Dicha masa esta enganchada con dos muelles a sus extremos, con lo que aplicando la ley de Newton se puede obtener la aceleración. Al mover el cuerpo con cierta aceleración a aparece sobre él una fuerza de inercia, F = m*a, que es medida con un resorte, usando la ley de Hooke, F = k*x, siendo x el alargamiento del resorte y k su constante elástica. Si determinamos la distancia recorrida por la masa con un potenciómetro o resistor variable, conoceremos la distancia y por tanto la aceleración producida en la masa. Este sistema permitiría por tanto medir la aceleración producida por la fuerza de la gravedad, lo que resulta útil en los inclinómetros. 11 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 10: sistema masa-resorte Teoría de operación para medir inclinación: Como se ha dicho, este sensor es capaz de medir la fuerza de la gravedad terrestre si se coloca uno de sus ejes perpendiculares a la superficie de la tierra. Pero la medida de aceleración no es lineal, ya que la señal es en función del seno del ángulo al que se ponga el sensor con respecto a la superficie de la tierra. En el siguiente gráfico puede verse la señal obtenida con respecto a la inclinación de 0 a 180º. 12 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 11: gráfica inclinación acelerómetro Como se observa en la grafica la salida no es lineal. Por tanto para determinar correctamente la medida del sensor se ha de procesar calculando el arccos. Aunque para cambios pequeños del ángulo se podría considerar como una recta facilitando los cálculos. Calculo distancias Aplicando la integral a la aceleración en un espacio de tiempo, se puede determinar la velocidad que adquiere el objeto. Y si aplicamos la integral de esa velocidad (aplicamos la segunda integral a la aceleración) podemos obtener la distancia recorrida por el objeto; observemos un ejemplo: Tenemos un objeto que se mueve a velocidad constante durante 8 segundos y a partir de ese momento adquiere una aceleración de 9,8 m/s², queremos obtener la velocidad adquirida con dicha aceleración en los dos siguientes segundos. Aplicando la integral obtenemos que: 13 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Ahora si solo queremos determinar la distancia recorrida por el objeto al aplicarle durante dos segundos una aceleración de 9,8 m/s² se puede calcular aplicando la segunda integral a la aceleración: Como se puede observar con un acelerómetro y determinado durante cuanto tiempo se ha producido dicha aceleración se puede obtener tanto la velocidad del objeto como la distancia recorrida, utilizada por ejemplo al producirse impactos laterales en algunos robots que los desvían de su posición predeterminada. Figura 12: gráficas aceleración, velocidad y distancia Aplicando estos cálculos, y utilizando un acelerómetro que trabajara en dos ejes(x e y) se podría determinar la posición y velocidad cada pocos periodos de tiempo de un robot, conociendo así en todo momento por donde se desplaza el robot si se parte de una posición conocida. 14 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Si este sistema se aplica con alguno que pueda determinar la posición exacta en ciertos momentos, se podría obtener un sistema muy fiable de posicionamiento en un tablero de juego por parte del robot. Tipos de acelerómetros PiezoPiezo-electronicos El funcionamiento de este tipo de acelerómetros se basa en las propiedades de los cristales piezo-eléctricos. Estos cristales cuando son sometidos a alguna fuerza (compresión, flexión, extensión) producen una corriente eléctrica. Así que poniendo un cristal de este tipo entre la carcasa (unida al objeto cuya aceleración se quiere medir) y una masa inercial se producirá una corriente cuando ocurra una aceleración (la masa ejercerá una fuerza sobre el cristal). Midiendo esta corriente podremos calcular la aceleración, bien directamente si se trata de un acelerómetro de salida de corriente (culombios/g) o bien convirtiéndola a un voltaje de baja impedancia si se trata de un acelerómetro de salida de voltaje. Figura 13: Diagrama de un acelerómetro piezo-eléctrico 15 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL PiezoPiezo-resistivo Un acelerómetro piezo-resistivo a diferencia de uno piezoeléctrico utiliza un sustrato en vez de un cristal piezo-eléctrico, en esta tecnología las fuerzas que ejerce la masa sobre el sustrato varían su resistencia, que forma parte de un circuito que mediante un puente de Whetstone mide la intensidad de la corriente. La ventaja de esta tecnología respecto a la piezo-eléctrica es que pueden medir aceleraciones hasta cero Hz de frecuencia. Figura 14: Diagrama de un acelerómetro piezo-resistivo Acelerómetro de galgas extensométricas extensométricas (Strain (Strain gage based) based) En este tipo de acelerómetro una (o más) galgas extensométricas hacen de puente entre la carcasa del instrumento y la masa inercial, la aceleración produce una deformación de la galga que se traduce en una variación en la corriente detectada por un puente de Whetstone, la deformación es directamente proporcional a la aceleración aplicada al acelerómetro. Al igual que en el piezoresistivo la respuesta de frecuencia llega hasta los cero Hz. 16 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 15: Acelerómetro galgas estensométricas Láser Este tipo de acelerómetro es más bien experimental y no tiene un uso industrial como los anteriores. He aquí un esquema de su funcionamiento. Figura 16: Acelerómetro láser Consiste en dos lásers L1 y L2, dos espejos semitransparentes M1 y M2, un divisor de rayo (beam splitter BS) y dos foto diodos PD1 y PD2 en una plataforma inmóvil. En reposo se ajusta los dos láseres a la misma frecuencia. Cuando ocurre una aceleración por ejemplo hacia la derecha (en este esquema) la frecuencia en el espejo M2 decrece mientras que la de M3 se incrementa. Con PD1 y PD2 se lee la frecuencia. El uso de 2 láseres evita el efecto ‘lock-in’ de las frecuencias permitiendo medir frecuencias de pulso muy bajo. 17 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Térmico Este tipo de acelerómetro consiste de los siguientes elementos (como se ven en la figura) un sustrato de silicio en el cual se hace un hueco para meter una pequeña resistencia que hace de calentador, con dos termopares en los extremos, se forma una cavidad de aire (burbuja) encima (la carcasa es estanca). En reposo con el calentador creando un núcleo de aire caliente en el centro, cuando ocurre una aceleración, por convección, el aire frío desplaza al caliente, el núcleo de aire caliente se desplaza en la misma dirección que la aceleración, esto crea un diferencial de temperatura entre los termopares. Midiendo este diferencial y ampliando y acondicionando la señal podemos obtener la aceleración del objeto. Al sufrir una aceleración hacia la derecha el núcleo se desplaza en el mismo sentido Figura 17: Acelerómetro térmico Condensador En este tipo de acelerómetros el elemento que conecta la masa inercial con la carcasa es un condensador. Una de las paredes está fija, pegada a la carcasa y la otra a la masa. Cuando ocurre una aceleración la masa presiona el condensador variando el grosor entre 18 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL pared y pared. Midiendo la capacitancia del condensador podemos calcular la aceleración. Este tipo de acelerómetros son extremadamente resistentes, pueden soportar aceleraciones de 30 000 G lo cual permite usarlo en mediciones de aceleración de proyectiles de cañón. Figura 18: funcionamiento de un acelerómetro de condensador. Información obtenida de la pagina Web de: Tom Connolly, Endevco Corp. Sensores Concretos En este apartado vamos a tratar de explicar el funcionamiento de algunos de los sensores de aceleración mas utilizados y comentar sus características y como proporcionan en el nivel de salida la aceleración. ADXL320 Este es un acelerómetro de 2 ejes, detecta aceleraciones de hasta ±5g. La señal de salida la envía a través de una tensión variable desde 0,3v hasta 2,5v. El sensor puede ser alimentado desde 2,5 v hasta los 5,25v, muy útil para los nuevos sistemas alimentados a 3v. El sensor es capaz de aguantar impactos de 10000g lo que le proporciona una buena resistencia.Su resolución es de 178mv/g. 19 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Por la forma de su sensor puede ser utilizado como inclinómetro y para medir la fuerza de la gravedad. MXD7202GL Es un acelerómetro de dos ejes de memsic, esta fabricado para medir aceleración lineal en sus dos ejes hasta un fondo de escala de 2g (2 veces la fuerza de la gravedad). Esta alimentado con una tensión que va desde los 2.75v hasta los 5,25v. También es capaz de medir la fuerza de la gravedad terrestre por lo que usaremos también como inclinómetro de estado sólido. Este sensor esta compensado internamente en temperatura, lo cual proporciona una señal mas fiable, y no le afectan las fluctuaciones en la alimentación. La salida del sensor es un pulso digital de ancho variable a una frecuencia fija de 100Hz, lo que facilita su utilización con cualquier microprocesador. El sensor al basarse en la convención de calor, no posee partes móviles, lo que le hace capaz de soporta hasta impactos de 50g. Figura 19: Esquema MXD7202GL 20 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL GIROSCOPOS Introducción Hoy en día existen varias tecnologías para medir la orientación de un robot móvil, en este caso hablaremos de los giróscopos. Los giróscopos miden la velocidad angular de rotación, o como de rápido gira un objeto sobre si mismo. Éstos presentan la ventaja de que poseen inmunidad con respecto a las interferencias electromagnéticas y ferros magnéticos que pueden afectan a otros dispositivos. El uso de giróscopos es muy común ya que pueden calcular la velocidad de rotación de un robot móvil en relación a los ejes x, y ó z. El conocimiento del ángulo rotado en el eje y nos permite conocer los momentos de frenadas bruscas mientras que en las curvas lo conocemos con el eje x, el eje z servirá para orientar al robot móvil en el plano xy. El giróscopo, o también llamado giroscopio, es un cuerpo en rotación que presenta dos propiedades fundamentales: la inercia giroscópica y la precesión, que es la inclinación del eje en ángulo recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación. Estas propiedades son inherentes a todos los cuerpos en rotación, incluida la Tierra. El término giróscopo se aplica generalmente a objetos esféricos o en forma de disco montados sobre un soporte cardánico, de forma que puedan girar libremente en cualquier dirección. El giróscopo fue ideado y construido por Foucault en 1852 para demostrar el movimiento de rotación de la Tierra. La rotación ya había sido demostrada con el péndulo de Foucault. Sin embargo con el péndulo de Foucault no comprendía el por qué la velocidad de rotación del péndulo era más lenta que la velocidad de rotación de la 21 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Tierra por un factor , donde representa la latitud en que se localiza el péndulo. Es por ello que se necesitaba otro aparato para demostrar la rotación de la tierra de forma más simple. Así Foucault presentó un aparato capaz de conservar una rotación suficientemente rápida durante un tiempo suficiente para que se pudiesen hacer medidas, el giróscopo. Propiedades del giróscopo Rigidez giroscópica La rigidez en el espacio de un giróscopo es consecuencia de la primera ley del movimiento de Newton, que afirma que un cuerpo tiende a continuar en su estado de reposo o movimiento uniforme si no está sometido a fuerzas externas. Prece Precesión La precesión giroscópica aparece cuando a uno de los anillos, horizontal o vertical, se le aplica un par perturbador. Si cuando la rueda se encuentra girando varía su inclinación lateral, aparecen un par de fuerzas perturbadoras que provocan un efecto denominado giroscópico que motiva que el ángulo de orientación de las ruedas varíe. Este efecto giroscópico también se puede generar cuando se modifica el ángulo de giro de las ruedas, ese es el par perturbador, lo que provoca la variación de la caída de la rueda. 22 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Movimiento del giroscopio Figura 20: movimientos del giroscopio: Precesión (azul), nutación (rojo) y rotación (verde). Tipos de giróscopos Según la información extraída del libro robótica: manipuladores y robots móviles de Anibal Ollero Baturone existen diversos tipos de giroscopios, cada uno con sus propios principios físicos. A continuación explican los diferentes modelos: mecánicos, ópticos y electrónicos. Los giroscopios mecánicos son los más antiguos mientras que los ópticos y los electrónicos son más modernos y los que más se utilizan en el mundo de la automoción. Giróscopo mecánico Los giróscopos mecánicos están constituidos por un volante que rota suficientemente rápido alrededor de un eje estando la masa distribuida en la periferia con objeto de que el momento de inercia del eje de rotación sea alto. En la figura siguiente se muestra la configuración típica de un giróscopo mecánico. 23 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 21. Componentes del giróscopo mecánico El funcionamiento de dicho giróscopo es el siguiente, el rotor es accionado mediante un motor eléctrico normalmente, el rotor se suspende mediante un par de cojinetes que deben ser de bajo rozamiento en cada extremo del eje, como se muestra en la figura anterior. Estos cojinetes están soportados por un anillo circular, llamado anillo gimbal interno, el cual, pivota en un segundo juego de cojinetes que están unidos rígidamente a un anillo gimbal externo, todo ello se puede apreciar en la figura anterior. Existen tres ejes: el eje rotor, un eje perpendicular al de rotación del volante, que define el pivote interno, es el horizontal en la figura anterior, y un tercer eje perpendicular a los dos anteriores que define el pivote externo, que es el eje vertical en la figura anterior. Una propiedad que sucede en los giróscopos es que si a la rueda que gira se le aplica un par de fuerzas perpendicular al eje, y dichas fuerzas tienden a volcarla, se aprecia el fenómeno, de que la rueda adquiere un lento movimiento de rotación, pero no alrededor del eje del par aplicado, sino alrededor del otro eje perpendicular a él 24 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL y al eje de giro de la rueda. Este movimiento, se conoce con el nombre de movimiento de precesión, anteriormente explicado en las propiedades de los giróscopos, este fenómeno se mantiene mientras existe la inercia giroscópica aplicada. Esta propiedad también se puede usar para la medida del ángulo girado. Figura 22. Aplicación de una fuerza vertical en el extremo del rotor Si se aplica una fuerza vertical hacia abajo en el extremo de eje del rotor, ver la figura anterior, se produce un par en el eje horizontal que origina un movimiento de presesión de rotación alrededor del eje vertical. Si a la vez gira la base del instrumento sobre el mismo eje vertical existirá una relación entre el movimiento de precesión y la velocidad de giro de la base. A mayor velocidad que adquiere la base, mayor fuerza es necesaria para la presesión y la velocidad de giro de la base. Esta relación proporcional se emplea para medir la velocidad de giro sobre el eje vertical. Este giroscopio proporciona la variación de ángulo de rotación de un eje perpendicular al eje del rotor. Giróscopo óptico El principio por el que se basa un giróscopo láser es el llamado efecto Sagnac. Las principales ventajas de los giróscopos ópticos sobre los mecánicos son: No posee partes móviles, no es necesario 25 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL un tiempo de calentamiento, no son sensibles a la gravedad, tienen gran rango dinámico, tienen lectura digital, un bajo costo y un tamaño reducido. Por el contrario, el inconveniente que tiene este tipo de giróscopos es que son bastante frágiles. Existen dos tipos de giróscopos ópticos: los RLG (Ring Laser Gyro) en los que el medio por el que circula el rayo de luz es un anillo de fibra, y los FOG (Fiber Optic Gyro) en los que el medio es una espiral de fibra óptica. Ambos utilizan: el efecto Sagnac. Efecto Sagnac en el vacío El principio en el que se basa este efecto es en la diferencia de camino recorrido por dos haces luminosos dentro de un recorrido de fibra óptica. Figura 23. Estructura y componentes de un RLG El principio de funcionamiento consiste en que se parte de un disco de radio R rotando a una velocidad Ω, en la figura siguiente se muestra lo comentado. 26 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 24. Recorrido de los dos rayos lumínicos La diferencia de camino que ven dos rayos lumínicos viajando en direcciones opuestas, a lo largo del perímetro es de: Ω··=∆)/4(cAL (Ec.1) donde A es el área encerrada por el camino y c es la velocidad de la luz. La derivación de esta ecuación se basa en la propagación de la luz en un campo rotativo. Consideramos el disco rotando con una velocidad angular Ω perpendicular al plano del disco. Designamos en un punto del perímetro un punto 1, entonces fotones idénticos se envían en ambos sentidos del anillo a la largo de su perímetro. Si la velocidad angular es cero, entonces ambos fotones verán que el camino es de la misma longitud, cubriendo la distancia hasta llegar nuevamente al punto 1 de R·Π·2 como se puede observar en la imagen anterior. Si el anillo se encuentra rotando, al llegar ambos fotones al punto 1 uno va a tardar un tiempo tccw y el otro un tiempo tcw. Las ecuaciones vienen dadas por: Lccw = 2 * ∏ * R – R * Ω * tccw = cccw tccw (Ec.2) Lcw = 2 * ∏ * R + R * Ω * tccw = cccw tccw (Ec.3) 27 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL ∆t = tcw – tccw = (2*∏ * R ) * (2*∏ * R )/c2 = 4 * ∏ * R2 * Ω / c2 = (4*A / c2) * Ω (Ec. 4) Cuando se divide un rayo de luz y luego se recombina, se forma una interferencia. La interferencia que se obtendrá dependerá de la velocidad de rotación. Si suponemos que no ha habido rotación, ambos rayos estarían en fase por lo que se conseguiría interferencia constructiva que se representaría con un punto blanco. Si se ha producido una rotación los rayos ya no estarían en fase por lo que se obtendría interferencia destructiva y por lo tanto un punto negro. A continuación se representa de modo esquemático lo que se acaba de decir para su mejor comprensión (ver Figura 25). Figura 25. Tipos de interferencia producidos al recombinar dos rayos de luz. Otro de los modelos de giróscopos ópticos que se pueden hacer es arrollando varias vueltas de fibra óptica, como se muestra el la Figura 26. 28 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 26. Estructura y componentes de un FOG. Dependiendo de la forma en que esté realizado el separador de rayos las señales que provienen de la fibra pueden interferir en forma constructiva o destructiva, ya comentado anteriormente. En presencia de rotación, las señales lumínicas mostrarán una diferencia de camino generada por: ∆L = Lcw – Lccw = (4*A * N / c) * Ω = (L*D / c) * Ω (Ec.5) Esto causará una variación de fase de: ∆Ф = (2 *∏ * L * D /λ0 * c) (Ec.6) Para un tamaño de sensor dado, la sensibilidad puede aumentarse incrementando la longitud de la fibra. La fibra no puede alargarse indefinidamente. Con la medida de diferencia de fase los sensores ópticos pueden transformarla en velocidad de rotación que es lo que realmente se quiere medir. 29 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Se distinguen cinco diferentes tecnologías para realizar giroscopos ópticos: resonadores ópticos activos, resonadores ópticos pasivos, interfenometros de fibra óptica en bucle abierto, interferómetro de fibra óptica en bucle cerrado y resonadores de fibra óptica. Giróscopos electrónicos Son sensores de velocidad angular que emplean el efecto de Coriolis que es que la rotación de la Tierra ejerce un efecto sobre los objetos que se mueven sobre su superficie. Para ello se realizan micromecanizados del silicio. El movimiento de rotación produce fuerzas de Coriolis que dependen de la velocidad de giro. Un sensor típico puede tener dimensiones entre 2 y 3 milímetros. Los giroscopios miden la velocidad angular de rotación, o como de rápido gira un objeto. La rotación se mide en referencia a uno de los tres ejes: x, y o z ya comentado anteriormente. La Figura 27 muestra como según el plano en el que se monte el giróscopo, calculará una determinada velocidad de rotación: Figura 27. Velocidades angulares que mide un giróscopo electrónico. Por ejemplo los modelos de giróscopos ADXRS150 y ADXRS300 miden la rotación yaw (eje z) pero si se montan en otro plano (por ejemplo en el eje x-z) pueden ser usados para calcular la velocidad angular de roll (eje x). 30 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Una característica importante en los giróscopos eléctricos es el rango completo de escala cuyo valor determina la cantidad de velocidad angular que se puede medir. Un giróscopo de yaw montado en un plato rotando a 33.3 rpm debería medir una rotación de 360º x 33.3 rpm dividido por 60 segundos o 200º/s Saldría un voltaje proporcional a la velocidad angular, o la sensibilidad, como medida en milivoltios por grado por segundo. Es por ello que con estas condiciones un giróscopo necesitaría tener un rango completo de al menos 200º/s. Existe una compensación entre el rango completo de escala y la sensibilidad. El modelo ADXRS300 tiene un rango completo de escala de 300 º/s y una sensibilidad de 5 mV/º/s, el modelo ADXRS150 tiene un rango de escala mas limitado de 150º/s pero con una gran sensibilidad de12.5 mV/º/s. Aceleración de Coriolis Todo cuerpo que se mueve sobre un sistema en rotación experimenta una aceleración, llamada aceleración de Coriolis. La aceleración de Coriolis está muy relacionada con el parámetro de Coriolis: f= 2* Ω * sen(θ) (Ec.7) Donde Ω es la velocidad angular del sistema que rota y θ es la latitud del lugar. Este parámetro es positivo en el hemisferio norte y negativo en el hemisferio sur, por lo tanto como hay un lado positivo y otro negativo se anula en el ecuador, dado que allí θ es cero. En términos del parámetro de Coriolis, la aceleración de Coriolis que siente un cuerpo que se mueve con rapidez v sobre un cuerpo que rota es simplemente: 31 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL acor = f * v(Ec.8) La aceleración de Coriolis es hacia la derecha del cuerpo en el hemisferio norte y hacia su izquierda en un hemisferio sur, en el ecuador en nula. Un cuerpo que siente una aceleración de Coriolis experimenta también una fuerza de Coriolis. Que se calcula multiplicando la aceleración de Coriolis por la masa, según la segunda ley de Newton. Es importante saber en que hemisferio nos encontramos puesto que afecta a la dirección de la acerelación de Coriolis. Para reconocer en que hemisferio nos encontramos se "sigue" con los dedos meñiques a índice (4 dedos) de la mano derecha la dirección en que el cuerpo rota. El pulgar apunta entonces hacia el hemisferio norte. La fuerza de Coriolis es normalmente muy pequeña, por lo que difícilmente experimentamos directamente sus efectos en la vida diaria. Sin embargo, frecuentemente ella determina los movimientos de fluidos que se mueven lentamente o que se mueven por largos periodos de tiempo. Supongamos que una persona esta en una plataforma giratoria como se muestra en la Figura de continuación: Figura 28: plataforma giratoria con persona en ella 32 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Si se encuentra cerca del centro y dicha persona intenta mantener la posición respecto del suelo, deberá andar contra la rotación a una velocidad dada. Si ahora la persona se quiere desplazar hacia un punto cercano al exterior de la plataforma, tendría que andar más rápido para mantener la posición relativa al suelo. Este incremento de velocidad que tiene que realizar la persona, que es perpendicular al movimiento radial, se conoce como la aceleración de Coriolis. Si la persona tiene una masa M y se sabe que la aceleración de Coriolis, vale 2 * Ω * v, la fuerza que debe aplicar la plataforma para provocar esa aceleración será 2 * M * Ω * v. La persona que está subida en la plataforma experimentaría la correspondiente fuerza de reacción. Principio de funcionamiento Este tipo de giróscopos, como por ejemplo los modelos ADXRS, aplican el efecto de la aceleración de Coriolis usando una masa que se desplaza de forma análoga a la persona que estaba pisando la plataforma rotativa en el ejemplo anterior. La masa es micromecanizada de polisilicio y atada a una estructura de polisilicio para que pueda vibrar a lo largo de una dirección. Cuando la masa que vibra se mueve hacia el exterior de la plataforma, la masa experimenta una fuerza de reacción hacia la izquierda, cuando se mueve hacia el centro de rotación la experimenta hacia la derecha. Lo explicado se representa en la figura siguiente: 33 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 29. Fuerzas producidas por el desplazamiento vertical de una masa La flecha roja mostrada en la figura anterior indica la fuerza aplicada a la estructura, basada en el estado de la masa que se desplaza. Para medir la aceleración de Coriolis, la estructura que contiene la masa es atada al sustrato a 90º relativos a la dirección de desplazamiento de la masa, como se aprecia en la Figura 30. La figura también muestra unas pequeñas barras de silicio que se usan para detectar la aceleración capacitivamente. Si el muelle tiene una rigidez K, entonces el desplazamiento resultante de la fuerza de reacción será 2* Ω * v * M / K Figura 30. Direcciones de desplazamiento de la masa y la estructura que la contiene. En la siguiente figura, se muestra la estructura completa que se ha explicado en los dos dibujos anteriores y como la superficie en la 34 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL que esta montado el giroscopio rota. Se aprecia también como la masa y la estructura experimentan la aceleración de Coriolis y se desplazan 90º una respecto de la otra. Figura 31. Desplazamiento de la masa y de la estructura que la contiene. La estructura y la masa que vibra se desplazan lateralmente en respuesta al efecto de Coriolis. Este efecto que se produce se determina del cambio diferencial en capacidad entre las barras de silicio del sustrato y aquellos atados al sustrato. Si la capacidad total es C y el espacio entre las barras es g, entonces la capacidad diferencial debida al desplazamiento de la masa debido a la aceleración de coriolis, será (2 * Ω * v * M * C) / (g * K) Si la velocidad angular de rotación se incrementa, la aceleración de Coriolis también se incrementa, esto hace que se produzca el desplazamiento de la masa. Por lo tanto el desplazamiento de la masa y el de la estructura que la contiene son medidos a través de la capacidad que se establece entre las pequeñas barras de silicio de la estructura que contiene a la masa y las barras del sustrato base. Cada velocidad angular y cada aceleración de Coriolis corresponden a una determinada capacidad. 35 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Este tipo de sensores son los que mas se están usando en la industria debido a su pequeño consumo de potencia y su pequeño tamaño. Otros giróscopos Actualmente, aunque son menos usados, también existen giróscopos que utilizan algún tipo de fluido de manera que se trabaja con la interacción de las propiedades térmicas e inerciales de este. En la figura de continuación se muestra un giróscopo diferente de los explicados anteriormente: Figura 32. Estructura de un giróscopo que funciona con agua. En el esquema de la Figura 32 se muestra como el giróscopo funciona a través de la utilización de unos sensores de temperatura gracias al recorrido del agua. El funcionamiento consiste en que en el plano de rotación o yaw (eje z), la velocidad angular del dispositivo 36 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL induce una aceleración de Coriolis normal a la dirección de flujo y cuyo valor es: ac = 2 *ω * Vx (Ec.9) donde: ac : Aceleración de Coriolis ω: Velocidad angular. Vx: Componente axial de la velocidad del fluido La aceleración de Coriolis perturba el perfil de la velocidad parabólica del flujo. Y asumiendo que el gradiente de presión, δP/δx, es invariante a lo largo del canal, a partir de las ecuaciones de Navier Stokes, se puede llegar a: ρ * Vy * δVx/δy = µ * δ2Vx/δy2 - δP/δx ρ * Vy * δVx/δy = µ * δ2Vx/δy2 – 2* ρ * ω * Vx (Ec.10) Donde ρ, µ y Vx son la densidad del fluido, la viscosidad dinámica y la velocidad trasversal del fluido respectivamente. El fluido utilizado entra con mayor temperatura que el silicio de alrededor al canal, por lo tanto el fluido pierde calor por convección a través de las paredes de canal por donde pasa el fluido. El resultante perfil de temperaturas vendrá dado, en términos de velocidad axial y trasversal, por: Vx * δT/δx + Vy * δT/δy + α * δ2T/δy2 = 0(Ec.11) donde δT/δx se considera constante asumiendo una velocidad uniforme de flujo de calor a lo largo de la longitud del canal. El efecto de la aceleración de Coriolis en la velocidad y el perfil de temperaturas se muestra en la Figura 33: 37 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 33. Perfiles de velocidad y temperatura perturbados y sin perturbar. Resolviendo las ecuaciones anteriores (Ec.10 y Ec.11) se puede obtener la velocidad angular, ω, como función de la diferencia de temperaturas medida por los correspondientes sensores situados en paredes opuestas del canal. Se supone que el gradiente de temperatura trasversal de la ecuación 11 no afecta al cálculo del perfil de velocidad de 10. Giróscopos iros copo piezoeléctrico PK3 S320195 Giróscopo piezoeléctrico de un canal utilizado habitualmente en aviones y helicópteros de radiocontrol para compensar de forma automática los giros bruscos. El giróscopo es completamente electrónico, sin partes móviles, lo que hace que sea muy pequeño, tenga un bajo consumo y una respuesta muy rápida. La entrada del giróscopo se conecta en lugar del servo que se quiere compensar y el servo se conecta a su vez al giróscopo. Todas las órdenes de control pasan directamente al servo de forma transparente. Tan pronto como se produce un movimiento angular (por ejemplo inclinación) el 38 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL giróscopo manda al servo una señal proporcional para compensar el movimiento. Por ejemplo, aplicado al rotor de cola de un helicóptero, cuando el helicóptero acelera, la cola tiende a girar lateralmente como consecuencia del par rotor. Si se utiliza el giróscopo en este caso, lo que hace es mandar una señal de control al servo que controla la cola, para aumentar el paso y compensar la desviación. En el caso de los robots, la salida en lugar de conectarse a un servo, se conecta a un microcontrolador que puede leer la anchura del pulso del giróscopo y así saber cuando se produce un giro. Los giróscopos son esenciales en los robots de tipo balancín y el los sistemas de guiado de precisión en el que hay que medir y compensar el momento de giro. Características técnicas: Dimensiones 26 x 27.5 x 11.3 mm. Peso: 7 g. Tensión de funcionamiento: 4.8 - 6V. Consumo de corriente: 10 mA. Ajuste de sensibilidad y de valor neutro mediante dos potenciómetros. 39 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL APLICACIONES REALES Wii Introducción Al hablar del mando de la nueva videoconsola de Nintendo es hablar del futuro. La verdadera cara la esconde detrás de su forma estrecha y alargada, simulando la forma de un teléfono móvil o al mando de la televisión, mini cadena de música o Dvd, ayuda a asimilarlo de forma natural y sencilla. Figura 34. Detalle del mando control de la Wii . Pero lo realmente fascinante se encuentra en su interior; capaz de detectar su posición y velocidad en el es espacio tridimensional, y transmitir dichas coordenadas por control remoto a la consola. 40 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 35. Esquema ejes de movimiento en mando control de la Wii. Para una de sus funciones principales, el nuevo controlador de Nintendo lleva incorporado un sensor de movimiento. Estos “sensores de movimiento” proporcionan los datos de movimiento y giro/inclinación. Este tipo de dispositivos se conocen como MEMS (sistema micro electro-mecánico). Acelerómetro Para ello posee un acelerómetro, es decir, un instrumento para medir aceleración, detectar y medir vibraciones, o medir aceleración debida a la gravedad (inclinación). Su elección recae sobre las características buscadas dentro de la compañía. Este componente posee numerosas características: Figura 36: Acelerómetro en sistema Wii 41 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL - Capturar movimientos en 3 dimensiones, arriba-abajo, izquierdaderecha y delante-detrás, se buscaba un acelerómetro triaxial. - El tamaño y el peso se antojan reducidos, el acelerómetro debe caber en un mando que quepa fácilmente en una mano y no canse moverlo ya que se usara en un periodos de tiempo largo. Las dimensiones son adecuadas (4mm x 4mm x 1’45mm). Figura 37. Detalle interno mando Wii. -La alimentación se lleva a cabo mediante 2 pilas convencionales tipo AA por lo que el consumo del acelerómetro debe ser muy bajo por ello es un apartado fundamental donde el ADXL330 provee unos registros de consumo medio de 320µA. -El poder medir aceleraciones de +/- 3G, suficientes para cubrir los movimiento del brazo humanos. -La sensibilidad respecto al voltaje varia en un 10% (300mV/g) y en relación a la temperatura es a razón del 0’015% por grado centígrado en condiciones ideales (25ºC). 42 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL -La temperatura posee un rango entre -25º hasta 70º; un importante detalle es el de las caídas, donde consigue soportar hasta 10000G. Giróscopos El otro componente importante es el giróscopo. Figura 38. Detalle giróscopo en la Wii. Está formado por dos partes: un elemento que vibra de fueradentro respecto al eje de rotación; y la otra que se encuentra fija y perpendicular al movimiento vibratorio, formando ambas una estructura capaz de contener una carga eléctrica. Crash test dummies Introducción Los dummies son aquellos maniquíes que rodeados de cables y de numerosos dispositivos, usados para captar información, son continuamente estrellados, dentro de un coche, para poder medir los daños y de tal manera observar si una persona seria capaz de soportarlo. De esta forma se cuantifica el grado de seguridad que posee el habitáculo en cuestión. 43 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 39. Detalle de un muñeco dummie. Los dummies están hechos de materiales imitando a la fisiología del ser humano, como puede verse reflejados los detalles de la espina dorsal, donde se usan discos metálicos y almohadillas, o en el tamaño del cuerpo como en el peso. Además lleva distintos tipos de instrumentación: -Acelerometros -Sensores de carga -Sensores de movimiento Acelerómetros Aquí es donde encontramos la necesidad de medir aceleraciones / des- aceleraciones seria en este momento. Por ello nos hacemos valer de los acelerómetros que se reflejan en este diagrama del modelo THOR donde apreciamos la cantidad ingente de dichos 44 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL dispositivos requerida para simular el efecto de un accidente en una persona. Figura 40. Partes de un dummie Los datos de la aceleración son medidos en todas las partes del cuerpo. Donde los gráficos muestran la aceleración antes y después de forma precisa. Figura 41. Posiciones de un dummie. 45 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Deberán ser capaces de: -Medir desaceleraciones de hasta 2000G. -Conectarse a diferentes tipos de fuentes de alimentación -El tamaño es muy importante para insertarlos en cualquier parte del maniquí. Sensores de carga Los sensores de carga miden la cantidad de fuerza que se produce en las diferentes partes del cuerpo analizándolos mediante gráficos. Sensores de movimiento Los sensores de movimiento indican la resistencia del pecho en caso de accidente. Seguridad automotriz Una de las muchas aplicaciones realmente útiles es el uso de los sensores inerciales en el mundo de la automoción. La seguridad activa es uno de los campos en los que más eficaces resultan estos dispositivos. La conocida empresa “Bosch” es pionera en la investigación e integración de estos sensores en sus sistemas de seguridad. Los conocidos sistemas como el ABS, ESP ó el TCS hacen uso de ellos. (Dr. Roland Müller-Fiedler). Los sensores en los automóviles miden aceleraciones y vibraciones. Según la tecnología y el fenómeno físico, podemos dividirlos en tres grandes grupos. - Sensores de efecto Hall. - Sensores micromecánicos (MEMS) - Sensores de picado piezoeléctricos 46 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Sensores de efecto Hall Se utilizan para la medición de las aceleraciones longitudinales y transversales del vehículo. Para su correcto funcionamiento, es conveniente que este sensor esté instalado lo más cerca posible al centro de gravedad del vehículo.Su misión es la de detectar si existen fuerzas laterales que traten de sacar el vehículo de la trayectoria deseada, así como detectar su intensidad. Es muy sensible y puede sufrir daños si es sometido a múltiples vibraciones. La estructura de este sensor consta de un sistema masaresorte, formado por un resorte en forma de cinta (3), En el extremo libre opuesto está colocado un imán permanente (2). Sobre el imán permanente se encuentra el verdadero sensor de efecto Hall (1). Debajo del imán hay una placa de amortiguación (4) de cobre. Figura 42: Funcionamiento sensor Hall para coches 47 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Su funcionamiento, al estar sujeto el sensor a una aceleración transversal al resorte, la posición de reposo del sistema masa-resorte cambia. El flujo magnético ocasionado por el movimiento del imán genera una tensión Hall en el sensor de efecto Hall. La tensión de salida resultante aumenta linealmente con la aceleración. Figura 43: curva sensor Hall En la imagen superior se puede ver la gráfica característica de este tipo de sensores. Sensores micromecánicos (MEMS) Los sensores de aceleración, tanto lineales como angulares, realizados por electrónica micromecánica (MEMS) están sobre todo destinados a los sistemas de retención de pasajeros dentro del habitáculo, y detectan los valores de aceleración de un choque frontal o lateral, provocando por ejemplo la activación de los tensores de cinturón, el disparo de los airbag y la actuación del arco antivuelco según el caso y la intensidad de las medidas. Estos sensores suelen ser utilizados para medir altas. Están encerrados junto con una electrónica de evaluación (ASIC) en una caja estanca al agua. Su sistema de masa-resorte está montado sobre la superficie de una placa de silicio por un procedimiento aditivo. Figura 44: Situación sensor en automóvil 48 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL La masa sísmica está suspendida elásticamente dentro de la célula de medición. A ambos lados de esos electrodos móviles hay colocados sobre el chip electrodos fijos. Esta disposición de electrodos fijos y móviles corresponde a una conexión en serie de dos condensadores diferenciales C1 y C2. A los bornes de estos condensadores se aplican tensiones alternas y opuestas, cuya superposición es detectada en el punto CM (capacidad de medición) entre los condensadores, en la masa sísmica. Como la masa sísmica está suspendida de resortes (2), una aceleración lineal, y por ello, una variación de capacidad en los condensadores C1 y C2. De ello resulta una variación de la señal eléctrica que en la electrónica de evaluación (ASIC) es amplificada, filtrada y digitalizada para su transmisión a la unidad de control de los airbag. Figura 45: Esquema funcionamiento sensor MEMS 49 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL El circuito de evaluación dispone además de un sistema simple de compensación de desviaciones del sensor y de una autodiagnosis durante la fase de puesta en funcionamiento. En la imagen inferior se puede apreciar su estructura. Figura 46: electrónica ASIC de sensor MEMS Sensores de picado piezoeléctricos Los sensores de picado son sensores de vibraciones, ruidos o impacto, también llamados en ocasiones de choque o de “picado” por el picado que se produce en los cilindros. Una localización suele ser el propio motor de un vehículo en caso de combustión incontrolada. El sensor convierte las vibraciones en señales eléctricas y las transmite a la unidad de control. Figura 47: sensores de picado piezoeléctrico Una masa ejerce fuerzas de presión sobre un elemento cerámico de forma anular, que producen una transferencia de carga 50 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL dentro del elemento de cerámica. Entre el lado superior e inferior de este elemento se origina una tensión eléctrica, recogida por unos discos de contacto y procesada después en la unidad de control. La sensibilidad es la tensión de salida por unidad de aceleración [mV/g]. Modelos reales Uno de los acelerómetros típicos empleados en el sistema ESP se basa en un elemento que permite medir en dos ejes de manera simultánea. Por supuesto, estos sensores, como el de la imagen, son altamente precisos, sometidos a pruebas de fallos rigurosas, pues forman parte de sistemas críticos (aquellos en los que vidas humanas están en juego). Por tanto, su coste es elevado y su fabricación muy específica. Figura 48: acelerómetro con eje doble SMB225 para sistemas ESP También son muy utilizados los giróscopos para medir el movimiento rotativo del vehículo con respecto al eje transversal. El sensor MM1, utilizado para los ESP, es una combinación, un módulo híbrido que contiene dos chips de MEMS (Sistemas microelectromecánicos), uno de ellos un acelerómetro y el otro un giroscopio, y un ASIC para procesamiento de la señal. El oscilador se 51 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL activa electromagnéticamente y es estimulado por la fuerza de Lorenz. Además del control de estabilidad, los sistemas de airbag son una segunda área de aplicación muy importante para los giroscopios en MEMS de sistemas de seguridad pasiva. La carga de información necesaria para el sensor en estos sistemas son suministradas por un giroscopio denominado MM2, distinto de los sistemas ESP, ya que el eje de sensibilidad aquí es el eje longitudinal del vehículo. Esto además permite montarlo directamente en la placa de circuito impreso de la ECU (Electronic Control Unit - Unidad de Control Electrónico) del propio airbag. Se caracteriza por montar un giroscopio de tipo capacitivo compuesto por dos estructuras de masa-resorte idénticas. Se suceden tres fenómenos que permiten la medición: accionamiento, Coriolis y detección. La oscilación primaria (accionamiento) incluye movimiento de accionamiento y Coriolis. Figura 49 y 50: esquema de funcionamiento y sensor angular completo MM2 La detección es estimulada por fuerzas de Coriolis como resultado de una velocidad angular alrededor del eje “z”, incluye oscilación de Coriolis y estructura Y detección. Los señales de Coriolis son detectados por condensadores de placas paralelas dentro de la estructura de detección. 52 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Si los anteriores sensores (MM1 y MM2) son básicos para los sistemas ESP y airbag, no menos importante es el hecho de integrar cada vez más la seguridad activa y la pasiva en el mismo sistema sensorial, inclusive en el mismo sensor, un tipo de sensor más complejo y evolucionado. Este es el caso del SMGO74, este modelo y otros basados en él son montados hoy en día en gran cantidad de coches de coste medio-alto. Dos de las combinaciones activa-pasiva (seguridad activa y pasiva conjuntas) en la que más se utiliza este sensor es en el sistema ESP y el sistema Roll Over Sensing (RoSe o protección de vuelco del vehículo) de manera simultanea. Permite controlar el intervalo más grande de medición (244°/s) exigido por los sistemas de contención de pasajeros, lo cual actúa a favor del antivuelco, y otorga más precisión a por los sistemas de seguridad activa, como el ESP. El nivel más elevado de integración de sensores inerciales puede ser obtenido por un concepto que envuelve la integración de todos los sensores inerciales del vehículo en una ECU de dominio centralizada, lo que significa que las señales de una variedad de ECUs del sistema (ESP, Automatic Cruise Control, Roll Stability Control, Airbag etc.) pueden ser alojados juntos y el comportamiento de la dinámica del vehículo puede ser medida de forma completa. Las señales necesarias pueden así ser suministradas simultáneamente a todos los sistemas de seguridad activa y pasiva del chasis y de contención, y actuar conjuntamente según las circunstancias del vehículo en cada momento. 53 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL CONCLUSIONES Los sensores inerciales son una parte vital del sistema de percepción de un robot, ya sea aplicado a la robótica móvil como a otros campos de ingeniería más avanzados. Uno de los usos más importantes de los robots es el poder medir inclinaciones, velocidades y también permiten orientarse. Estos pequeños cálculos facilitan la posición a partir de velocidades. Para todo ello necesitamos unos componentes que realicen estas funciones. Los cuales se basan en principios físicos que dan lugar a dos grandes tipos dentro de estos sensores: acelerómetros y giróscopos. • En relación a los acelerómetros, siendo un instrumento de medida de aceleración, llegan a ser muy útiles para determinar impactos, variaciones de velocidad, mantener el equilibrio o incluso distancias con la ventaja de calcular pequeñas ecuaciones. • Con respecto a los giróscopos, son muy útiles en robots móviles por su precisión. Las tecnologías con mayor fiabilidad son los eléctricos y ópticos, que unidos a la odometría permiten mejorar el sistema sensorial. Ya por ultimo, de las tres aplicaciones reales tratadas en este trabajo, lo destacable seria como los sensores inerciales han revolucionado las tecnologías en general. • Gracias a estos dispositivos se ha visto mejorada la interactividad entre maquina y usuario. En el caso de la Wii, aquí mostrado, se aprecia el éxito comercial que ha llegado a tener este tipo de tecnología, llegando a ser fenómeno social. 54 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL • En el otro extremo se sitúa aplicaciones de seguridad, en los llamados sistemas críticos. Los ejemplos expuestos nos habla de las pruebas con “dummies” y en la seguridad automotriz. Los que cabe destacar es la importancia, una vez mas, de los sensores para detectar daños en humanos y su utilización en sistemas de seguridad, ampliamente conocidos por todos, como el E.S.P., AIRBAG o el sistema anti-vuelco en vehículos. Después de realizar este documento, es importante darse cuenta de que la combinación de acelerómetros y giróscopos permiten obtener sistemas híbridos y más complejos que mejoran la precisión en nuestros cálculos. 55 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Robot perdido………………………………………………………………………….pág.5 Figura 2: Sensor inercial de choque ………………………………………………………pág.6 Figura 3: Esquema acelerómetro……………………………………………………….….pág.7 Figura 4 y 5: Sensor en robonova 2………………………………………………………pág.7 Figura 6: Esquema básico giróscopo ……………………………………………………pág.9 Figura 7: Giróscopo futaba…………………………………………………………………….pág.10 Figura 8: Acelerómetro robonova………………………………………………………….pág.10 Figura 9: Giróscopo PK3 ………………………………………………………………….……pág.11 Figura 10: Sismte masa-resorte…………………………………………………………….pág.12 Figura 11: Gráfica inclinación acelerómetro…………………………………….……pág.13 Figura 12: Gráficas aceleración, velocidad y distancia …………………………pág.14 Figura 13: Diagrama de un acelerómetro piezo-eléctrico……………….……pág.15 Figura 14:Diagrama de un acelerómetro piezo-resistivo………………………pág.16 Figura 15: Acelerómetro galgas estensiométricas………………………………..pág.17 Figura 16: Acelerómetro láser……………………………………………………………….pág.17 Figura 17: Acelerómetro térmico ………………………………………………………….pág.18 Figura 18: Funcionamiento de un acelerómetro de condensador…………pág.19 Figura 19: Esquema MXD7202GL …………………………………………………………pág.20 Figura 20: movimientos del giroscopio …………………………………………………pág.23 Figura 21: Componentes del giróscopo mecánico…………………………………pág.24 Figura 22:Aplicación de una fuerza vertical en el extremo del rotor…..pág.25 Figura 23: Estructura y componentes de un RLG…………………………………pág.26 Figura 24: Recorrido de los dos rayos lumínicos………………………………….pág.27 Figura 25: Tipos de interferencia al recombinar rayos de luz.…..……….pág.28 Figura 26: Estructura y componentes de un FOG…………………………………pág.29 56 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL Figura 27: Velocidades angulares que mide un giróscopo electrónico…pág.30 Figura 28: Plataforma giratoria con persona en ella…………………………….pág.32 Figura 29: Fuerzas producidas por el desplazamiento vertical de una masa ….pág.34 Figura 30: Direcciones de desplazamiento de masa y estructura que la contiene.pág.34 Figura 31: Desplazamiento de la masa y la estructura que contiene…..pág.35 Figura 32: Estructura de un giróscopo que funciona con agua.………………………pág.36 Figura 33: Perfiles de velocidad y temperatura perturbados/sin ……………………pág.38 Figura 34: Detalle del mando control de la Wii …………………………………………….pág.40 Figura 35: Esquema ejes de movimiento en mando control de la Wii…..pág.41 Figura 36: Acelerómetro en sistema Wii ……………………………………………….pág.41 Figura 37: Detalle interno mando Wii.……………………………..………………………….pág.42 Figura 38: Detalle interno mando Wii.……………………………..…………………………pág.43 Figura 39: Detalle de un muñeco dummie.………………………………………………….pág.43 Figura 40: Partes de un dummie……………………………………………………………pág.45 Figura 41: Posiciones de un dummie ……………………………………………………….pág.45 Figura 42: Funcionamiento sensor Hall para coches…………………………….pág.47 Figura 43: curva sensor Hall………………………………………………………………….pág.48 Figura 44: Situación sensor en automóvil…………………………………………….pág.48 Figura 45: Esquema funcionamiento sensor MEMS………………………………pág.49 Figura 46: Electrónica ASIC para sensores MEMS………………….…………….pág.50 Figura 47: sensores de picado piezoeléctrico ……………….………………………pág.50 Figura 48: Acelerómetro con eje doble SMB255 para sistemas ESP……pág.51 Figura 49 y 50: Esquema de funcionamiento y sensor angular completo MM2………………………………………………………………………………………………………….pág.52 57 SENSORES INERCIALES EN ROBÓTICA MÓVIL BIBLIOGRAFIA Borenstein, J., Everett H.R. and Feng, L. 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