Unidad de medida inercial

Una unidad de medición inercial ( IMU ) es un dispositivo electrónico que mide e informa la fuerza específica de un cuerpo , la velocidad angular y, a veces, la orientación del cuerpo, utilizando una combinación de acelerómetros , giroscopios y, a veces, magnetómetros . Cuando se incluye el magnetómetro, las IMU se denominan IMMU. ^[1]

Las IMU se utilizan normalmente para maniobrar vehículos modernos, incluidas motocicletas, misiles, aeronaves (un sistema de referencia de actitud y rumbo ), incluidos vehículos aéreos no tripulados (UAV), entre muchos otros, y naves espaciales , incluidos satélites y módulos de aterrizaje . Los desarrollos recientes permiten la producción de dispositivos GPS habilitados con IMU . Una IMU permite que un receptor GPS funcione cuando las señales GPS no están disponibles, como en túneles, dentro de edificios o cuando hay interferencia electrónica. ^[2]

Las IMU se utilizan en cascos de realidad virtual y teléfonos inteligentes , y también en controladores de juegos con seguimiento de movimiento, como el Wii Remote .

Una unidad de medición inercial funciona detectando la aceleración lineal utilizando uno o más acelerómetros y la velocidad de rotación utilizando uno o más giroscopios . ^[3] Algunos también incluyen un magnetómetro que se utiliza comúnmente como referencia de rumbo. Algunas IMU, como la IMU de 9 grados de libertad de Adafruit, incluyen sensores adicionales como la temperatura. ^[4] Las configuraciones típicas contienen un acelerómetro, un giroscopio y un magnetómetro por eje para cada uno de los tres ejes principales: cabeceo, balanceo y guiñada .

Las IMU se incorporan a menudo en los sistemas de navegación inercial , que utilizan las mediciones IMU brutas para calcular la actitud, las velocidades angulares, la velocidad lineal y la posición relativa a un marco de referencia global. El INS equipado con IMU forma la columna vertebral de la navegación y el control de muchos vehículos comerciales y militares, como aeronaves tripuladas, misiles, barcos, submarinos y satélites. Las IMU también son componentes esenciales en la guía y el control de sistemas no tripulados como UAV , UGV y UUV . Las versiones más simples de INS denominadas sistemas de referencia de actitud y rumbo utilizan IMU para calcular la actitud del vehículo con rumbo relativo al norte magnético. Los datos recopilados de los sensores de la IMU permiten que una computadora rastree la posición de la nave, utilizando un método conocido como estimación . Estos datos generalmente se presentan en vectores de Euler que representan los ángulos de rotación en los tres ejes primarios o un cuaternión .

En los vehículos terrestres, una IMU se puede integrar en sistemas de navegación automotriz basados ​​en GPS o sistemas de rastreo de vehículos , lo que le otorga al sistema una capacidad de estimación de rumbo y la capacidad de recopilar la mayor cantidad posible de datos precisos sobre la velocidad actual del vehículo, la velocidad de giro, el rumbo, la inclinación y la aceleración, en combinación con la salida del sensor de velocidad de la rueda del vehículo y, si está disponible, la señal de marcha atrás, para fines tales como un mejor análisis de colisiones de tráfico .

Además de los propósitos de navegación, las IMU sirven como sensores de orientación en muchos productos de consumo. Casi todos los teléfonos inteligentes y tabletas contienen IMU como sensores de orientación. Los rastreadores de actividad física y otros dispositivos portátiles también pueden incluir IMU para medir el movimiento, como correr. Las IMU también tienen la capacidad de determinar los niveles de desarrollo de los individuos cuando están en movimiento al identificar la especificidad y la sensibilidad de parámetros específicos asociados con la carrera. Algunos sistemas de juego, como los controles remotos para Nintendo Wii, utilizan IMU para medir el movimiento. Las IMU de bajo costo han permitido la proliferación de la industria de drones de consumo. También se utilizan con frecuencia para tecnología deportiva (entrenamiento técnico), ^[5] y aplicaciones de animación. Son una tecnología competitiva para su uso en tecnología de captura de movimiento . ^[6] Una IMU es el corazón de la tecnología de equilibrio utilizada en el Segway Personal Transporter .

En un sistema de navegación, los datos informados por la IMU se introducen en un procesador que calcula la altitud, la velocidad y la posición. ^[7] Una implementación típica denominada Strap Down Inertial System integra la velocidad angular del giroscopio para calcular la posición angular. Esta se fusiona con el vector de gravedad medido por los acelerómetros en un filtro Kalman para estimar la actitud. La estimación de la actitud se utiliza para transformar las mediciones de aceleración en un marco de referencia inercial (de ahí el término navegación inercial) donde se integran una vez para obtener la velocidad lineal y dos veces para obtener la posición lineal. ^{[8] [9] [10]}

Por ejemplo, si una IMU instalada en un avión que se mueve a lo largo de un cierto vector de dirección midiera la aceleración de un avión como 5 m/s2 ^durante 1 segundo, luego de ese segundo la computadora de guía deduciría que el avión debe estar viajando a 5 m/s y debe estar a 2,5 m de su posición inicial (asumiendo v ₀ = 0 y coordenadas de posición inicial conocidas x ₀ , y ₀ , z ₀ ). Si se combina con un mapa mecánico de papel o un archivo de mapas digitales (sistemas cuyo resultado se conoce generalmente como una pantalla de mapa móvil, ya que la salida de posición del sistema de guía a menudo se toma como punto de referencia, lo que da como resultado un mapa en movimiento), el sistema de guía podría usar este método para mostrarle a un piloto dónde se encuentra geográficamente el avión en un momento determinado, como con un sistema de navegación GPS , pero sin la necesidad de comunicarse con o recibir comunicación de ningún componente externo, como satélites o transpondedores de radio terrestres, aunque todavía se utilizan fuentes externas para corregir errores de deriva, y dado que la frecuencia de actualización de posición permitida por los sistemas de navegación inercial puede ser mayor que la que puede percibirse como suave el movimiento del vehículo en la pantalla del mapa. Este método de navegación se llama navegación a estima .

Una de las primeras unidades fue diseñada y construida por Ford Instrument Company para la USAF con el fin de ayudar a las aeronaves a navegar en vuelo sin ninguna intervención desde el exterior. La unidad, denominada Ground-Position Indicator (indicador de posición en tierra), mostraba al piloto, una vez que introducía la longitud y la latitud de la aeronave en el despegue, la longitud y la latitud de la aeronave en relación con el suelo. ^[11]

Los sistemas de seguimiento posicional como el GPS ^[12] se pueden utilizar para corregir continuamente errores de deriva (una aplicación del filtro de Kalman ).

Una desventaja importante de usar IMU para la navegación es que suelen sufrir errores acumulados. Debido a que el sistema de guía está continuamente integrando la aceleración con respecto al tiempo para calcular la velocidad y la posición (ver estimación ) , cualquier error de medición, por pequeño que sea, se acumula con el tiempo. Esto conduce a una "deriva": una diferencia cada vez mayor entre dónde el sistema cree que se encuentra y la ubicación real. Debido a la integración, un error constante en la aceleración da como resultado un crecimiento lineal del error en la velocidad y un crecimiento cuadrático del error en la posición. Un error constante en la velocidad de actitud (giroscopio) da como resultado un crecimiento cuadrático del error en la velocidad y un crecimiento cúbico del error en la posición. ^[13]

Existe una amplia variedad de IMU, ^[14] dependiendo del tipo de aplicación, con un rendimiento que varía:

• De 0,1°/s a 0,001°/h para giroscopio
• De 100 mg a 10 μg para acelerómetros.

Para tener una idea aproximada, esto significa que, para un solo acelerómetro sin corregir, el más barato (de 100 mg) pierde su capacidad de dar una precisión de 50 metros después de unos 10 segundos, mientras que el mejor acelerómetro (de 10 μg) pierde su precisión de 50 metros después de unos 17 minutos. ^[15]

La precisión de los sensores inerciales dentro de una unidad de medición inercial (IMU) moderna tiene un impacto más complejo en el rendimiento de un sistema de navegación inercial (INS). ^[16]

El comportamiento del sensor de giroscopio y acelerómetro a menudo se representa mediante un modelo basado en los siguientes errores, asumiendo que tienen el rango de medición y el ancho de banda adecuados: ^[17]

• Error de compensación: este error se puede dividir entre el rendimiento de estabilidad (deriva mientras el sensor permanece en condiciones invariables) y la repetibilidad (error entre dos mediciones en condiciones similares separadas por condiciones variadas entre ellas)
• Error de factor de escala: errores en la sensibilidad de primer orden debido a no repetibilidades y no linealidades
• Error de desalineación: debido a un montaje mecánico imperfecto
• Sensibilidad del eje transversal: medición parásita inducida por la solicitación a lo largo de un eje ortogonal al eje del sensor
• Ruido: depende del rendimiento dinámico deseado
• Sensibilidad ambiental: principalmente sensibilidad a gradientes térmicos y aceleraciones.

Todos estos errores dependen de diversos fenómenos físicos específicos de cada tecnología de sensor. Dependiendo de las aplicaciones a las que se destine y para poder elegir el sensor adecuado, es muy importante tener en cuenta las necesidades en cuanto a estabilidad, repetibilidad y sensibilidad ambiental (principalmente entornos térmicos y mecánicos), tanto a corto como a largo plazo. El rendimiento previsto para las aplicaciones es, la mayoría de las veces, mejor que el rendimiento absoluto de un sensor. Sin embargo, el rendimiento del sensor es repetible a lo largo del tiempo, con mayor o menor precisión, y por lo tanto se puede evaluar y compensar para mejorar su rendimiento. Esta mejora del rendimiento en tiempo real se basa tanto en los sensores como en los modelos de IMU. La complejidad de estos modelos se elegirá en función del rendimiento necesario y del tipo de aplicación considerada. La capacidad de definir este modelo forma parte del conocimiento de los fabricantes de sensores e IMU. Los sensores y los modelos de IMU se calculan en las fábricas mediante una secuencia de calibración dedicada que utiliza plataformas giratorias multieje y cámaras climáticas. Pueden calcularse para cada producto individual o ser genéricos para toda la producción. La calibración normalmente mejorará el rendimiento bruto de un sensor al menos dos décadas.

Las IMU de alto rendimiento, o IMU diseñadas para funcionar en condiciones difíciles, suelen estar suspendidas por amortiguadores. Estos amortiguadores deben dominar tres efectos:

• Reducir los errores del sensor debido a solicitaciones del entorno mecánico
• Proteja los sensores ya que pueden dañarse por golpes o vibraciones.
• contener el movimiento parásito de la IMU dentro de un ancho de banda limitado, donde el procesamiento podrá compensarlos.

Las IMU suspendidas pueden ofrecer un rendimiento muy alto, incluso cuando se las somete a entornos hostiles. Sin embargo, para alcanzar dicho rendimiento, es necesario compensar tres comportamientos principales resultantes:

• Coning: un efecto parásito inducido por dos rotaciones ortogonales
• Remo: efecto parásito inducido por una aceleración ortogonal a una rotación.
• efectos de aceleraciones centrífugas.

La reducción de estos errores tiende a impulsar a los diseñadores de IMU a aumentar las frecuencias de procesamiento, lo que resulta más fácil utilizando tecnologías digitales recientes. Sin embargo, el desarrollo de algoritmos capaces de cancelar estos errores requiere un profundo conocimiento de la inercia y una gran familiaridad con el diseño de sensores/IMU. Por otro lado, si bien es probable que la suspensión permita un aumento del rendimiento de la IMU, tiene un efecto secundario en el tamaño y la masa.

Una IMU inalámbrica se conoce como WIMU. ^{[18] [19] [20] [21]}

• Giroscopio resonador hemisférico  – Tipo de giroscopio
• Acelerómetro PIGA  – Acelerómetro giroscópico integrador pendular, un instrumento de guía inercial
• Sintonización de Schuler  : principio de diseño de navegación inercial
• Giroscopio de estructura vibratoria  : giroscopio económico basado en vibración