Un giroscopio de estructura vibratoria , definido por el IEEE como un giroscopio vibratorio de Coriolis ( CVG ), [1] es un giroscopio que utiliza una estructura vibratoria para determinar la velocidad de rotación. Un giroscopio de estructura vibrante funciona de manera muy similar a los halterios de las moscas ( insectos del orden Diptera ).
El principio físico subyacente es que un objeto que vibra tiende a seguir vibrando en el mismo plano incluso si su soporte gira. El efecto Coriolis hace que el objeto ejerza una fuerza sobre su soporte, y midiendo esta fuerza se puede determinar la velocidad de rotación.
Los giroscopios de estructura vibratoria son más simples y económicos que los giroscopios giratorios convencionales de precisión similar. Los giroscopios económicos de estructura vibratoria fabricados con tecnología MEMS se utilizan ampliamente en teléfonos inteligentes, dispositivos de juego, cámaras y muchas otras aplicaciones.
Teoría de operación
Considere dos masas de prueba que vibran en el plano (como en el giroscopio MEMS ) a una frecuencia. El efecto Coriolis induce una aceleración en las masas de prueba igual a, dónde es una velocidad yes una tasa de rotación angular . La velocidad en el plano de las masas de prueba viene dada por, si la posición en el plano está dada por . El movimiento fuera del plano, inducida por rotación, viene dada por:
dónde
- es una masa de la masa de prueba,
- es una constante de resorte en la dirección fuera del plano,
- es una magnitud de un vector de rotación en el plano de y perpendicular al movimiento de masa de prueba conducido.
Midiendo , podemos así determinar la tasa de rotación .
Implementaciones
Giroscopio resonador cilíndrico (CRG)
Este tipo de giroscopio fue desarrollado por GEC Marconi y Ferranti en la década de 1980 utilizando aleaciones metálicas con elementos piezoeléctricos adjuntos y un diseño piezocerámico de una sola pieza. Posteriormente, en los años 90, los CRG con excitación y lectura magnetoeléctricas fueron producidos por Inertial Engineering, Inc. con sede en Estados Unidos en California, y variantes piezocerámicas por Watson Industries. Una variante recientemente patentada por Innalabs utiliza un resonador de diseño cilíndrico hecho de aleación tipo Elinvar con elementos piezocerámicos para excitación y pickoff en su parte inferior.
Esta tecnología revolucionaria proporcionó una vida útil del producto sustancialmente aumentada (MTBF> 500.000 horas); con su resistencia a los golpes (> 300G), debería calificar para aplicaciones "tácticas" (precisión media).
El resonador funciona en su modo resonante de segundo orden. El factor Q suele ser de unos 20.000; que predetermina su ruido y paseos angulares aleatorios. Las ondas estacionarias son oscilaciones de forma elíptica con cuatro antinodos y cuatro nodos ubicados circunferencialmente a lo largo del borde.
El ángulo entre dos nodos antinodo adyacentes es de 45 grados. Uno de los modos resonantes elípticos se excita a una amplitud prescrita. Cuando el dispositivo gira alrededor de su eje sensible (a lo largo de su vástago interno), las fuerzas de Coriolis resultantes que actúan sobre los elementos de masa vibrante del resonador excitan el segundo modo resonante. El ángulo entre los ejes principales de los dos modos también es de 45 grados.
Un circuito cerrado lleva el segundo modo resonante a cero, y la fuerza requerida para anular este modo es proporcional a la tasa de rotación de entrada. Este bucle de control se denomina modo de reequilibrio forzado.
Los elementos piezoeléctricos del resonador producen fuerzas y detectan movimientos inducidos. Este sistema electromecánico proporciona el bajo ruido de salida y el gran rango dinámico que requieren las aplicaciones exigentes, pero sufre ruidos acústicos intensos y altas sobrecargas.
Giroscopios piezoeléctricos
Se puede inducir la vibración de un material piezoeléctrico y se puede medir el movimiento lateral debido a la fuerza de Coriolis para producir una señal relacionada con la velocidad de rotación. [2]
Giroscopio de diapasón
Este tipo de giroscopio utiliza un par de masas de prueba impulsadas a resonancia. Su desplazamiento desde el plano de oscilación se mide para producir una señal relacionada con la velocidad de rotación del sistema.
F. W. Meredith registró una patente para dicho dispositivo en 1942 mientras trabajaba en el Royal Aircraft Establishment . GH Hunt y AEW Hobbs llevaron a cabo un mayor desarrollo en la RAE en 1958, y demostraron una deriva de menos de 1 ° / ho (2,78 × 10 - 4 ) ° / s. [3]
Las variantes modernas de giroscopios tácticos utilizan diapasones dobles , como los producidos por el fabricante estadounidense Systron Donner en California y el fabricante francés Safran Electronics & Defense / Safran Group. [4]
Resonador de copa de vino
También llamado giroscopio resonador hemisférico o HRG, un resonador de copa de vino utiliza un hemisferio delgado de estado sólido anclado por un vástago grueso. El hemisferio con su vástago se conduce a resonancia de flexión y los puntos nodales se miden para detectar la rotación. Hay dos variantes básicas de tal sistema: una basada en un régimen de velocidad de operación ("modo de fuerza para reequilibrar") y otra variante basada en un régimen de operación integrador ("modo de ángulo completo"). Por lo general, este último se usa en combinación con una excitación paramétrica controlada. Es posible utilizar ambos regímenes con el mismo hardware, que es una característica exclusiva de estos giroscopios.
Para un diseño de una sola pieza (es decir, la copa hemisférica y el vástago (s) forman una parte monolítica) hecho de vidrio de cuarzo de alta pureza , es posible alcanzar un factor Q superior a 30-50 millones en vacío, por lo que el las caminatas aleatorias correspondientes son extremadamente bajas. La Q está limitada por el recubrimiento, una película extremadamente delgada de oro o platino, y por las pérdidas de los accesorios. [5] Dichos resonadores deben ajustarse mediante micro erosión del vidrio con haz de iones o mediante ablación con láser. Ingenieros e investigadores de varios países han estado trabajando para mejorar aún más estas sofisticadas tecnologías de vanguardia. [6]
Safran y Northrop Grumman son los principales fabricantes de HRG . [7] [8]
Giroscopio de rueda vibrante
Una rueda se impulsa para girar una fracción de vuelta completa alrededor de su eje. La inclinación de la rueda se mide para producir una señal relacionada con la velocidad de rotación. [9]
Giroscopios MEMS
Los giroscopios de sistemas microelectromecánicos de estructura vibrante (MEMS) de bajo costo se han vuelto ampliamente disponibles. Estos están empaquetados de manera similar a otros circuitos integrados y pueden proporcionar salidas analógicas o digitales. En muchos casos, una sola pieza incluye sensores giroscópicos para múltiples ejes. Algunas partes incorporan múltiples giroscopios y acelerómetros (o giroscopios y acelerómetros de múltiples ejes ), para lograr una salida que tiene seis grados completos de libertad . Estas unidades se denominan unidades de medida inercial o IMU. Panasonic , Robert Bosch GmbH , InvenSense , Seiko Epson , Sensonor , Hanking Electronics , STMicroelectronics , Freescale Semiconductor y Analog Devices son los principales fabricantes.
Internamente, los giroscopios MEMS utilizan versiones construidas litográficamente de uno o más de los mecanismos descritos anteriormente (diapasones, ruedas vibratorias o sólidos resonantes de varios diseños, es decir, similares a TFG, CRG o HRG mencionados anteriormente). [10]
Los giroscopios MEMS se utilizan en sistemas de bolsas de aire y prevención de vuelcos de automóviles, estabilización de imagen y tienen muchas otras aplicaciones potenciales. [11]
Aplicaciones de los giroscopios CVG
Automotor
Los sensores de guiñada para automóviles se pueden construir alrededor de giroscopios de estructura vibrante. Estos se utilizan para detectar estados de error en guiñada en comparación con una respuesta prevista cuando se conectan como entrada a sistemas de control de estabilidad electrónicos junto con un sensor de volante. [12] Los sistemas avanzados podrían ofrecer una detección de vuelcos basada en un segundo VSG, pero es más barato agregar acelerómetros longitudinales y verticales al lateral existente para este fin.
Entretenimiento
El juego de Nintendo Game Boy Advance WarioWare: Twisted! utiliza un giroscopio piezoeléctrico para detectar el movimiento de rotación. El controlador Sony SIXAXIS PS3 utiliza un solo giroscopio MEMS para medir el sexto eje (guiñada). El accesorio Nintendo Wii MotionPlus utiliza giroscopios MEMS multieje proporcionados por InvenSense para aumentar las capacidades de detección de movimiento del Wii Remote . [13] La mayoría de los teléfonos inteligentes y dispositivos de juego modernos también cuentan con giroscopios MEMS.
Aficiones
Los giroscopios de estructura vibrante se utilizan comúnmente en helicópteros controlados por radio para ayudar a controlar el rotor de cola del helicóptero y en aviones controlados por radio para ayudar a mantener la actitud estable durante el vuelo. También se utilizan en controladores de vuelo multirotor , ya que los multirrotores son inherentemente aerodinámicamente inestables y no pueden permanecer en el aire sin estabilización electrónica.
Robótica industrial
Epson Robots utiliza un giroscopio MEMS de cuarzo, llamado QMEMS, para detectar y controlar las vibraciones en sus robots. Esto ayuda a los robots a posicionar el efector final del robot con alta precisión en movimientos de alta velocidad y rápida desaceleración. [14]
Fotografía
Muchos sistemas de estabilización de imagen en cámaras de video y fotografías emplean giroscopios de estructura vibratoria.
Orientación de la nave espacial
La oscilación también se puede inducir y controlar en el giroscopio de estructura vibrante para el posicionamiento de naves espaciales como Cassini-Huygens . [15] Estos pequeños giroscopios resonadores hemisféricos hechos de vidrio de cuarzo operan al vacío. También hay prototipos de giroscopios de resonador cilíndrico (CRG) [16] [17] desacoplados elásticamente hechos de zafiro monocristalino de alta pureza . El leuco-zafiro de alta pureza tiene un factor Q de un orden de valor superior al del vidrio de cuarzo utilizado para HRG, pero este material es duro y tiene anisotropía . Proporcionan un posicionamiento preciso de la nave espacial en 3 ejes y son altamente confiables a lo largo de los años, ya que no tienen partes móviles.
Otro
El Segway Human Transporter utiliza un giroscopio de estructura vibrante fabricado por Silicon Sensing Systems para estabilizar la plataforma del operador. [18]
Referencias
- ^ IEEE Std 1431-2004 Giroscopios vibratorios Coriolis.
- ^ "Giroscopios piezoeléctricos cerámicos de NEC TOKIN" . Consultado el 28 de mayo de 2009 .
- ^ Collinson, RPG Introducción a la aviónica, segunda edición, Kluwer Academic Publishers: Países Bajos, 2003, p.235
- ^ "Sagem Défense Sécurité: MARCHÉS / PRODUITS - Systèmes Avioniques & Navigation - Navigation" . archive.org . 16 de octubre de 2007. Archivado desde el original el 16 de octubre de 2007 . Consultado el 27 de septiembre de 2016 .
- ^ Sarapuloff SA, Rhee H.-N. y Park S.-J. Evitación de resonancias internas en el ensamblaje del resonador hemisférico de cuarzo fundido conectado por soldadura de indio // Actas de la 23ª Conferencia anual de primavera de la KSNVE (Sociedad Coreana de Ingeniería de Ruido y Vibraciones). Ciudad de Yeosu, 24 a 26 de abril de 2013. - P.835-841.
- ^ Sarapuloff SA 15 años de desarrollo de la girodinámica de estado sólido en la URSS y Ucrania: resultados y perspectivas de la teoría aplicada // Proc. de la Reunión Técnica Nacional del Instituto de Navegación (Santa Mónica, California, EE. UU. 14 al 16 de enero de 1997). - P.151-164.
- ^ "Revisión marítima y de defensa aeroespacial de Chanakya" . www.chanakyaaerospacedefence.com .
- ^ http://www.northropgrumman.com/Capabilities/HRG/Documents/hrg.pdf
- ^ "Sensores de inercia - Sensores de velocidad angular" . Consultado el 28 de mayo de 2009 .
- ^ Bernstein, Jonathan. "Una descripción general de la tecnología de detección inercial MEMS" , Sensors Weekly , 1 de febrero de 2003.
- ^ Cenk Acar, Andrei Shkel. "Giroscopios vibratorios MEMS: enfoques estructurales para mejorar la robustez" . 2008. p. 8 sección "1.5 Aplicaciones de los giroscopios MEMS".
- ^ "La caja que cae (video)" . Archivado desde el original el 23 de julio de 2011 . Consultado el 1 de julio de 2010 .
- ^ "Solución de detección de movimiento InvenSense IDG-600 presentada en el nuevo accesorio Wii MotionPlus de Nintendo" (Comunicado de prensa). InvenSense. 15 de julio de 2008. Archivado desde el original el 17 de abril de 2009 . Consultado el 28 de mayo de 2009 .
- ^ "Dispositivo de cristal de cuarzo Epson - Acerca de QMEMS" . Consultado el 12 de marzo de 2013 .
- ^ Laboratorio de propulsión a chorro, "Nave espacial Cassini y sonda Huygens", pág. 2, https://saturn.jpl.nasa.gov/legacy/files/space_probe_fact.pdf
- ^ Sarapuloff SA Resonador de zafiro de alta calidad del giroscopio de estado sólido CRG-1 - En el libro: 100 tecnologías seleccionadas de la Academia de Ciencias Tecnológicas de Ucrania (ATS de Ucrania). Catálogo. - Publicado por STCU (Consejo de Ciencia y Tecnología de Ucrania). Kiev. http://www.stcu.int/documents/reports/distribution/tpf/MATERIALS/Sapphire_Gyro_Sarapuloff_ATSU.pdf
- ^ Sarapuloff SA, Lytvynov LA, et al . Particularidades de los diseños y la tecnología de fabricación de resonadores de zafiro de alta calidad de giroscopios de estado sólido tipo CRG-1 // XIV Conferencia internacional sobre sistemas de navegación integrados (28 al 30 de mayo de 2007. San Petersburgo, RF). - San Petersburgo. El Centro Estatal de Investigaciones de Rusia - Instituto Central de Investigaciones y Científicas "ElektroPribor". RF. 2007. - P.47-48.
- ^ Steven Nasiri. "Una revisión crítica de la tecnología de giroscopios MEMS y el estado de comercialización" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 6 de diciembre de 2010 . Consultado el 1 de julio de 2010 .
enlaces externos
- Actas del taller de aniversario sobre giroscopía de estado sólido (19 al 21 de mayo de 2008. Yalta, Ucrania). - Kiev-Kharkiv. ATS de Ucrania. 2009. - ISBN 978-976-0-25248-5 . Consulte también las próximas reuniones en : Talleres internacionales sobre giroscopía de estado sólido [1] .
- Detección de silicio - Estudio de caso: Segway HT
- Apostolyuk V.Teoría y diseño de giroscopios vibratorios micromecánicos
- Prandi L., Antonello R., Oboe R. y Biganzoli F. Emparejamiento automático de modo en giroscopios vibratorios MEMS con control de búsqueda de extremos // Transacciones IEEE en electrónica industrial. 2009. Vol.56. - P.3880-3891. . [2]
- Prandi L., Antonello R., Oboe R., Caminada C. y Biganzoli F. Compensación de bucle abierto del error de cuadratura en giroscopios vibratorios MEMS // Actas de la 35a Conferencia Anual de la Sociedad de Electrónica Industrial IEEE - IECON-2009. 2009. [3]