Sensores inerciales: El mundo en movimiento

por Mario 20 febrero, 2011, 6:12 am 24 Comments

A pesar de que la tecnología MEMS (micro-electro-mechanical systems) se utiliza desde hace más de dos décadas para manejar el despliegue de los airbags de un automóvil y para sensores de presión de todo tipo, la verdadera fama y la aceptación generalizada llegaron de la mano de las consolas de videojuegos Nintendo Wii y de los teléfonos inteligentes iPhone. A partir de ciertas características particulares, estos equipos llamaron la atención de mucha gente que se preguntó: ¿como se puede realizar esta clase de transformación desde una acción mecánica hacia un resultado electrónico? Fue entonces cuando comenzaron a conocerse mejor y a cobrar notoriedad los términos acelerómetros o sensores inerciales. Hablemos de ellos.

Existen cinco movimientos físicos que puede adoptar un objeto y que pueden relacionarse con la aceleración los cuales, sumados a ésta son: vibración, golpe, inclinación y rotación. Estas opciones de aplicación, para un sencillo medidor de aceleración, expanden de manera enorme sus posibilidades de inclusión dentro de desarrollos inteligentes y novedosos. Por supuesto que no podemos dejar de mencionar los sensores de posición, traslación y orientación de un cuerpo, pero ellos serán objeto de otro artículo. Por otro lado, cabe destacar que una detección de movimiento en un mecanismo puede ser, por ejemplo, uno de los mejores elementos para desarrollar un sistema de gestión de ahorro energético. En palabras sencillas: sería informarle a nuestro (hipotético) robot alimentado a baterías, que debe entrar en un modo de consumo mínimo (sleep) ya que al interrumpirse el desplazamiento, muchos sub-sistemas no necesitan estar en funcionamiento (detección de obstáculos, drivers para motores de locomoción y muchos más). De este modo, estamos desarrollando un sistema inteligente que puede entender su situación de acción y actuar en consecuencia.

Introducción a la detección de movimientos

Aceleración, vibración, golpe (choque, shock), inclinación (tilt) y rotación (pan) son los cinco movimientos fundamentales que un sistema inteligente debe detectar a todo momento para tener un control pleno sobre el objeto que desea gobernar o interpretar. Todas son, en realidad, manifestaciones diferentes de una aceleración durante períodos de tiempo distintos. Sin embargo, los seres humanos no relacionamos de manera intuitiva estos movimientos como variaciones en la aceleración/deceleración de un cuerpo. En cambio, si tenemos en cuenta y analizamos cada modalidad por separado podremos comprender de manera más sencilla muchas posibilidades que un acelerómetro puede ofrecernos. La aceleración (incluyendo el movimiento de traslación) mide la variación de velocidad en una unidad de tiempo. La velocidad se expresa en metros por segundo (m/s) e incluye tanto la tasa de desplazamiento como la dirección del movimiento (vector). Del análisis planteado se deduce que la aceleración se mide en metros por segundo al cuadrado (m/s2). Cuando la aceleración adopta un valor negativo (imagínate un coche reduciendo su velocidad cuando el conductor aplica los frenos) se la conoce como la des-aceleración (desaceleración).

Consideremos ahora la aceleración en varios períodos separados de tiempo. La vibración puede considerarse como una aceleración seguida de una desaceleración y una nueva aceleración en el sentido inverso de traslación que ocurre rápidamente y de manera periódica. Del mismo modo, el choque es una des-aceleración que se produce de forma instantánea. Ahora volvamos a estirar los tiempos en que suceden los acontecimientos. Cuando un objeto se mueve y modifica su inclinación existen cambios donde la acción gravitatoria está involucrada. Ese movimiento tiende a ocurrir de forma lenta en comparación con un evento de vibración o de choque. Debido a que estos primeros cuatro modos de detección de movimiento (aceleración, vibración, choque e inclinación) se producen con la participación de determinados aspectos de la aceleración, se los mide con la unidad de la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto en la Tierra, es decir, por la fuerza “g”. (Recordemos que una unidad g es igual a 9,8 m/s2.) Un acelerómetro detecta la inclinación al medir el efecto que la fuerza de la gravedad ejerce sobre los ejes del acelerómetro que estén expuestos a esta acción en función de su posición en el espacio. Es decir, si consideramos un acelerómetro de tres ejes inerciales (X, Y, y Z) debemos considerar las tres acciones de aceleración por separado para obtener los productos (resultados) de los ejes de movimiento.

La mayoría de los acelerómetros que existen en la actualidad en el mercado contrastan sus mediciones con la fuerza de gravedad y luego convierten sus resultados en Voltios o en Bits (para el caso de los dispositivos con salida digital). Esta información se pasa a un microprocesador/microcontrolador y allí se realiza el proceso de interpretación de los datos adquiridos y se presentan de modo audiovisual o se los utiliza para ejecutar otras instrucciones de programa. Los recientes avances de la tecnología han hecho posible la fabricación de pequeños acelerómetros de tecnología MEMS (micro-electro-mechanical systems) en los rangos de detección de bajas y altas unidades de gravedad con anchos de banda mucho más amplios que antes, aumentando de este modo el campo de las aplicaciones potenciales. Se considera un rango de “bajo-g” de detección a valores inferiores a 20 g y dentro de este grupo se encuentran las acciones de movimiento que un ser humano puede generar. En consecuencia, las unidades de “alto-g” se utilizan en los movimientos de máquinas o vehículos, es decir, en los sistemas que el ser humano no puede recrear.

Hasta aquí sólo hemos hablado de movimientos lineales, específicamente del tipo de movimiento que incluye aceleración, vibración, choque e inclinación. La rotación en cambio requiere la comprensión de un movimiento angular. Este modo difiere de los anteriores porque la rotación puede tener lugar sin observarse cambios en la aceleración. Para entender cómo funciona debemos observar la imagen de un sensor inercial de 3 ejes, es decir, debemos imaginar a los ejes del sensor X e Y en posición paralela a la superficie de la Tierra y el eje Z apuntando hacia el centro de la Tierra. En esta posición, el eje Z entrega una medición de 1 g, mientras que los ejes X e Y obtienen una medición 0 g. Girando el sensor de movimiento sólo sobre el eje Z, los ejes X e Y nunca abandonan la medida de 0 g ya que no sufren desplazamientos lineales en ninguna dirección, en tanto que el eje Z siempre continúa entregando la medida de 1 g ya que está siempre en el mismo lugar sin avanzar, ni retroceder. Por lo tanto, entendemos de este modo que para detectar los movimientos de rotación de un cuerpo se utilizan los giróscopos. En el mercado actual es común encontrar en una única unidad de medición inercial (IMU) un giróscopo y un acelerómetro multi-ejes destinados a medir los cinco movimientos fundamentales enunciados al comienzo del artículo.

De este modo llegamos a los sistemas actuales de medición en 6 ejes que día a día se vuelven más populares en aplicaciones de todo tipo, donde sea necesaria y útil la información de posición y movimiento de un sistema. Ahora comparte un poco de tu información con nosotros y cuéntanos: ¿Qué dispositivos utilizas a diario que incorporan acelerómetros? ¿Has desarrollado algún equipo utilizándolos? ¿Qué aplicaciones novedosas encontrarías para estos dispositivos? ¿Crees que su potencial termina en un mando a distancia o en un volante de videojuegos? Cuéntanos, tu opinión nos interesa.

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