Un giroscopio de estructura vibratoria (VSG), definido por el IEEE como giroscopio vibratorio 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 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 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.
Considere dos masas de prueba que vibran en un 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, viene dado por:
dónde
Por lo tanto, midiendo podemos determinar la velocidad de rotación .
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 magnetoeléctrica 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 una aleación tipo Elinvar con elementos piezocerámicos para excitación y captación en su parte inferior.
Esta innovadora tecnología proporcionó una vida útil sustancialmente mayor (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 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 antinodos adyacentes es de 45 grados. Uno de los modos resonantes elípticos se excita hasta una amplitud prescrita. Cuando el dispositivo gira alrededor de su eje sensible (a lo largo de su vástago interior), 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 circuito cerrado lleva el segundo modo resonante a cero, y la fuerza requerida 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 producen fuerzas y detectan movimientos inducidos. Este sistema electromecánico proporciona el bajo ruido de salida y el amplio rango dinámico que requieren las aplicaciones exigentes, pero sufre ruidos acústicos intensos y altas sobrecargas.
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 conducidas 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, quienes 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 conduce a resonancia de flexión y se miden los puntos nodales para detectar la rotación. Hay dos variantes básicas de dicho sistema: una basada en un régimen de operación de velocidad ("modo de fuerza para reequilibrar") y otra variante basada en un régimen de operación integrador ("modo de ángulo completo"). Normalmente, este último se utiliza en combinación con una excitación paramétrica controlada. Es posible utilizar ambos regímenes con el mismo hardware, lo cual es una característica exclusiva de estos giroscopios.
Para un diseño de una sola pieza (es decir, la copa semiesférica y el vástago forman una parte monolítica) hecho de vidrio de cuarzo de alta pureza , es posible alcanzar un factor Q superior a 30-50 millones en el vacío, por lo que el los paseos aleatorios correspondientes son extremadamente bajos. La Q está limitada por el recubrimiento, una película extremadamente delgada de oro o platino, y por las pérdidas de fijación. [5] Estos resonadores deben ajustarse mediante microerosión del vidrio con haces de iones o mediante ablación con láser. Ingenieros e investigadores de varios países han estado trabajando en nuevas mejoras de estas sofisticadas tecnologías de última generación. [6]
Safran y Northrop Grumman son los principales fabricantes de HRG . [7] [8]
Se impulsa una rueda para que gire 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]
Los giroscopios económicos con sistemas microelectromecánicos de estructura vibratoria (MEMS) están ampliamente disponibles. 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 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 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 microlitográficamente 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 airbag y prevención de vuelcos de automóviles, estabilización de imagen y tienen muchas otras aplicaciones potenciales. [11]
Los sensores de guiñada de 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 los sistemas electrónicos de control de estabilidad junto con un sensor del volante. [12] Es posible que los sistemas avanzados ofrezcan detección de vuelcos basándose en un segundo VSG, pero es más barato añadir acelerómetros longitudinales y verticales al lateral existente para este fin.
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 único 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 juegos modernos también cuentan con giroscopios MEMS.
Los giroscopios de estructura vibratoria se utilizan comúnmente 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 multirotor , ya que los multirotor son inherentemente aerodinámicamente inestables y no pueden mantenerse 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 rápida desaceleración. [14]
Muchos sistemas de estabilización de imagen en cámaras de vídeo y fotografías emplean giroscopios de estructura vibratoria.
La oscilación también se puede inducir y controlar 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 existen prototipos de giroscopios resonadores cilíndricos desacoplados elásticamente (CRG) [16] [17] fabricados a partir de zafiro monocristalino de alta pureza . El leucozafiro de alta pureza tiene un factor Q de un orden de valor superior al 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 muy fiables a lo largo de los años ya que no tienen piezas móviles.
El Segway Human Transporter utiliza un giroscopio de estructura vibratoria fabricado por Silicon Sensing Systems para estabilizar la plataforma del operador. [18]
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