Giroscopio de estructura vibratoria

Un giroscopio de estructura vibratoria (VSG), 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 vibratoria funciona de manera muy similar a los halterios de las moscas ( insectos del orden Diptera ).

El principio físico subyacente es que un objeto vibrante 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 rotatorios convencionales de precisión similar. Los giroscopios de estructura vibratoria económicos fabricados con tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS) se utilizan ampliamente en teléfonos inteligentes, dispositivos de juegos, cámaras y muchas otras aplicaciones.

Consideremos 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 , donde es una velocidad y es una tasa angular de rotación. La velocidad en el plano de las masas de prueba está dada por , si la posición en el plano está dada por . El movimiento fuera del plano , inducido por la rotación, está dado por:${\displaystyle \omega _{r}}$${\displaystyle a_{\mathrm {c} }=2(\Omega \times v)}$${\estilo de visualización v}$${\estilo de visualización\Omega}$${\displaystyle X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)}$${\displaystyle X_{\text{ip}}\sin(\omega _{r}t)}$${\displaystyle y_{\text{op}}}$

${\displaystyle y_{\text{op}}={\frac {F_{c}}{k_{\text{op}}}}={\frac {1}{k_{\text{op}}}}2m\Omega X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)}$

dónde

${\estilo de visualización m}$es una masa de la masa de prueba,

${\displaystyle k_{\text{op}}}$es una constante de resorte en la dirección fuera del plano,

${\estilo de visualización\Omega}$es una magnitud de un vector de rotación en el plano y perpendicular al movimiento de masa de prueba impulsado.

Midiendo , podemos determinar la velocidad de rotación .${\displaystyle y_{\text{op}}}$${\estilo de visualización\Omega}$

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Este tipo de giroscopio fue desarrollado por GEC Marconi y Ferranti en la década de 1980 utilizando aleaciones de metal con elementos piezoeléctricos adheridos y un diseño piezocerámico de una sola pieza. Posteriormente, en la década de 1990, los CRG con excitación magnetoeléctrica y lectura fueron producidos por la empresa estadounidense Inertial Engineering, Inc. en California, y variantes piezocerámicas por Watson Industries. Una variante recientemente patentada por Innalabs utiliza un resonador de diseño cilíndrico hecho de aleación de tipo Elinvar con elementos piezocerámicos para la excitación y el pickoff en su parte inferior.

Esta tecnología innovadora proporcionó una vida útil del producto sustancialmente mayor (MTBF > 500.000 horas); con su resistencia a los golpes (>300 G), debería calificar para aplicaciones "tácticas" (de precisión media).

El resonador funciona en su modo resonante de segundo orden. El factor Q suele ser de alrededor de 20.000, lo que predetermina su ruido y sus recorridos aleatorios angulares. 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-antinodos adyacentes es de 45 grados. Uno de los modos resonantes elípticos se excita a una amplitud prescrita. Cuando el dispositivo gira sobre su eje sensible (a lo largo de su vástago interno), las fuerzas de Coriolis resultantes que actúan sobre los elementos de masa vibrantes del resonador excitan el segundo modo resonante. El ángulo entre los ejes principales de los dos modos también es de 45 grados.

Un bucle cerrado lleva el segundo modo resonante a cero y la fuerza necesaria para anular este modo es proporcional a la velocidad de rotación de entrada. Este bucle de control se denomina modo de reequilibrio de fuerza.

Los elementos piezoeléctricos del resonador generan fuerzas y detectan movimientos inducidos. Este sistema electromecánico proporciona el bajo nivel de ruido de salida y el amplio rango dinámico que requieren las aplicaciones más exigentes, pero sufre de ruidos acústicos intensos y sobrecargas elevadas.

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]

Este tipo de giroscopio utiliza un par de masas de prueba que se ponen en resonancia. Su desplazamiento respecto del plano de oscilación se mide para producir una señal relacionada con la velocidad de rotación del sistema.

Frederick William Meredith registró una patente para un dispositivo de este tipo en 1942 mientras trabajaba en el Royal Aircraft Establishment . En 1958, GH Hunt y AEW Hobbs llevaron a cabo un desarrollo posterior en el RAE, y demostraron una deriva de menos de 1°/h o (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]

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 impulsa a resonancia de flexión y los puntos nodales se miden para detectar la rotación. Hay dos variantes básicas de un sistema de este tipo: una basada en un régimen de funcionamiento de velocidad ("modo de reequilibrio de fuerza") y otra variante basada en un régimen de funcionamiento integrado ("modo de ángulo completo"). Por lo general, este último se utiliza en combinación con una excitación paramétrica controlada. Es posible utilizar ambos regímenes con el mismo hardware, lo que es una característica exclusiva de estos giroscopios.

En el caso de un diseño de una sola pieza (es decir, la copa hemisférica y el vástago forman una parte monolítica) fabricado con vidrio de cuarzo de alta pureza , es posible alcanzar un factor Q mayor que 30-50 millones en vacío, por lo que los correspondientes recorridos aleatorios son extremadamente bajos. El factor Q está limitado por el recubrimiento, una película extremadamente delgada de oro o platino, y por las pérdidas de fijación. ^[5] Dichos resonadores deben ajustarse mediante microerosión del vidrio con haz de iones o mediante ablación láser. Ingenieros e investigadores de varios países han estado trabajando en mejoras adicionales de estas sofisticadas tecnologías de vanguardia. ^[6]

Safran y Northrop Grumman son los principales fabricantes de HRG . ^{[7] [8]}

Se hace girar una rueda una fracción de vuelta completa sobre su eje. Se mide la inclinación de la rueda para producir una señal relacionada con la velocidad de rotación. ^[9]

Los giroscopios de sistemas microelectromecánicos de estructura vibratoria (MEMS) económicos se han vuelto ampliamente disponibles. Estos se empaquetan 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 piezas 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 medición 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 microlitográficamente de uno o más de los mecanismos descritos anteriormente (diapasones, ruedas vibratorias o sólidos resonantes de diversos diseños, es decir, similares a TFG, CRG o HRG mencionados anteriormente). ^[10]

Los giroscopios MEMS se utilizan en sistemas de prevención de vuelcos y de airbag para automóviles, estabilización de imagen y tienen muchas otras aplicaciones potenciales. ^[11]

Los sensores de guiñada para automóviles se pueden construir alrededor de giroscopios de estructura vibratoria. Estos se utilizan para detectar estados de error en la guiñada en comparación con una respuesta prevista cuando se conectan como entrada a sistemas de control electrónico de estabilidad junto con un sensor de volante. ^[12] Los sistemas avanzados podrían ofrecer detección de vuelcos basados ​​en un segundo VSG, pero es más barato agregar acelerómetros longitudinales y verticales al lateral existente para este fin.

El juego WarioWare: Twisted! de Nintendo Game Boy Advance utiliza un giroscopio piezoeléctrico para detectar el movimiento rotacional. El controlador Sony SIXAXIS de 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.

Los giroscopios de estructura vibratoria se utilizan habitualmente en helicópteros radiocontrolados para ayudar a controlar el rotor de cola del helicóptero y en aviones radiocontrolados para ayudar a mantener la actitud estable durante el vuelo. También se utilizan en controladores de vuelo multirrotor , ya que estos últimos son inherentemente inestables desde el punto de vista aerodinámico y no pueden permanecer en el aire sin estabilización electrónica.

Epson Robots utiliza un giroscopio MEMS de cuarzo, llamado QMEMS, para detectar y controlar las vibraciones de sus robots. Esto ayuda a los robots a posicionar el efector final del robot con alta precisión en movimientos de alta velocidad y desaceleración rápida. ^[14]

Muchos sistemas de estabilización de imagen en cámaras de vídeo y de fotografía emplean giroscopios de estructura vibratoria.

La oscilación también puede ser inducida y controlada en el giroscopio de estructura vibratoria para el posicionamiento de naves espaciales como Cassini-Huygens . ^[15] Estos pequeños giroscopios resonadores hemisféricos hechos de vidrio de cuarzo funcionan en vacío. También hay prototipos de giroscopios resonadores cilíndricos desacoplados elásticamente (CRG) ^{[16] [17] hechos de} zafiro monocristalino de alta pureza . El leucozafiro de alta pureza tiene un factor Q un orden de valor más alto que el vidrio de cuarzo utilizado para HRG, pero este material es duro y tiene anisotropía . Proporcionan un posicionamiento preciso de 3 ejes de la nave espacial y son muy confiables a lo largo de los años, ya que no tienen partes móviles.

El Segway Human Transporter utiliza un giroscopio de estructura vibratoria fabricado por Silicon Sensing Systems para estabilizar la plataforma del operador. ^[18]

• Actas del taller de aniversario sobre giroscopia de estado sólido (19-21 de mayo de 2008. Yalta, Ucrania). - Kyiv-Kharkiv. ATS de Ucrania. 2009. - ISBN 978-976-0-25248-5 . Véase también las próximas reuniones en : Talleres internacionales sobre giroscopia de estado sólido [2]. 
• 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. Coincidencia automática de modos en giroscopios vibratorios MEMS mediante control de búsqueda de extremos //IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol. 56. - P. 3880-3891. . [3]
• 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 35.ª Conferencia anual de la IEEE Industrial Electronics Society – IECON-2009. 2009. [4]