Un sistema de navegación inercial ( INS ; también sistema de guía inercial , instrumento inercial ) es un dispositivo de navegación que utiliza sensores de movimiento ( acelerómetros ), sensores de rotación ( giroscopios ) y una computadora para calcular continuamente a estima la posición, la orientación y la velocidad. (dirección y velocidad de movimiento) de un objeto en movimiento sin necesidad de referencias externas. [1] A menudo, los sensores inerciales se complementan con un altímetro barométrico y, a veces, con sensores magnéticos ( magnetómetros ) y/o dispositivos de medición de velocidad. Los INS se utilizan en robots móviles [2] [3] y en vehículos como barcos , aviones , submarinos , misiles guiados y naves espaciales . [4] Los sistemas INS más antiguos generalmente usaban una plataforma inercial como punto de montaje en el vehículo y los términos a veces se consideran sinónimos.
Las integrales en el dominio del tiempo exigen implícitamente un reloj estable y preciso para la cuantificación del tiempo transcurrido.
La navegación inercial es una técnica de navegación autónoma en la que las mediciones proporcionadas por acelerómetros y giroscopios se utilizan para rastrear la posición y orientación de un objeto en relación con un punto de partida, orientación y velocidad conocidos. Las unidades de medida inercial (IMU) suelen contener tres giroscopios de velocidad ortogonales y tres acelerómetros ortogonales, que miden la velocidad angular y la aceleración lineal, respectivamente. Al procesar señales de estos dispositivos, es posible rastrear la posición y orientación de un dispositivo.
Un sistema de navegación inercial incluye al menos una computadora y una plataforma o módulo que contiene acelerómetros , giroscopios u otros dispositivos sensores de movimiento. Inicialmente, el INS recibe su posición y velocidad de otra fuente (un operador humano, un receptor de satélite GPS, etc.) acompañada de la orientación inicial y luego calcula su propia posición y velocidad actualizadas integrando la información recibida de los sensores de movimiento. La ventaja de un INS es que no requiere referencias externas para determinar su posición, orientación o velocidad una vez que se ha inicializado.
Un INS puede detectar un cambio en su posición geográfica (un movimiento hacia el este o el norte, por ejemplo), un cambio en su velocidad (velocidad y dirección del movimiento) y un cambio en su orientación (rotación alrededor de un eje). Lo hace midiendo la aceleración lineal y la velocidad angular aplicadas al sistema. Dado que no requiere referencia externa (después de la inicialización), es inmune a interferencias y engaños.
Los giroscopios miden el desplazamiento angular del marco del sensor con respecto al marco de referencia inercial . Al utilizar la orientación original del sistema en el sistema de referencia inercial como condición inicial e integrar el desplazamiento angular, la orientación actual del sistema se conoce en todo momento. Esto puede considerarse como la capacidad de un pasajero con los ojos vendados en un automóvil de sentir que el automóvil gira hacia la izquierda y hacia la derecha o se inclina hacia arriba y hacia abajo a medida que el automóvil asciende o desciende colinas. Basándose únicamente en esta información, el pasajero sabe en qué dirección está mirando el coche, pero no a qué velocidad se mueve, ni si se desliza hacia un lado.
Los acelerómetros miden la aceleración lineal del vehículo en movimiento en el sensor o estructura de la carrocería, pero en direcciones que solo se pueden medir en relación con el sistema en movimiento (ya que los acelerómetros están fijados al sistema y giran con el sistema, pero no son conscientes de su propia orientación). Esto puede considerarse como la capacidad de un pasajero con los ojos vendados en un automóvil de sentirse presionado contra su asiento cuando el vehículo acelera o empujado hacia adelante cuando desacelera; y sentirse presionado contra su asiento cuando el vehículo acelera cuesta arriba o levantarse de su asiento cuando el automóvil pasa sobre la cima de una colina y comienza a descender. Basándose únicamente en esta información, saben cómo acelera el vehículo en relación con sí mismo; es decir, si está acelerando hacia adelante, hacia atrás, hacia la izquierda, hacia la derecha, hacia arriba (hacia el techo del automóvil) o hacia abajo (hacia el piso del automóvil), medido en relación con el automóvil, pero no en la dirección relativa a la Tierra, ya que lo hicieron. No sabían en qué dirección estaba mirando el coche con respecto a la Tierra cuando sintieron las aceleraciones.
Sin embargo, al rastrear tanto la velocidad angular actual del sistema como la aceleración lineal actual del sistema medida en relación con el sistema en movimiento, es posible determinar la aceleración lineal del sistema en el sistema de referencia inercial. Realizar la integración de las aceleraciones inerciales (usando la velocidad original como condición inicial) usando las ecuaciones cinemáticas correctas produce las velocidades inerciales del sistema y la integración nuevamente (usando la posición original como condición inicial) produce la posición inercial. En nuestro ejemplo, si el pasajero con los ojos vendados sabía hacia dónde apuntaba el automóvil y cuál era su velocidad antes de que le vendaran los ojos, y si es capaz de realizar un seguimiento de cómo ha girado el automóvil y cómo ha acelerado y desacelerado desde entonces, entonces Puede conocer con precisión la orientación, posición y velocidad actuales del automóvil en cualquier momento.
La navegación inercial se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, incluida la navegación de aviones, misiles tácticos y estratégicos, naves espaciales, submarinos y barcos. También está integrado en algunos teléfonos móviles con fines de localización y seguimiento de teléfonos móviles. [5] [6] Los recientes avances en la construcción de sistemas microelectromecánicos (MEMS) han permitido fabricar sistemas de navegación inercial pequeños y ligeros. Estos avances han ampliado la gama de posibles aplicaciones para incluir áreas como la captura de movimiento humano y animal .
Los sistemas de navegación inercial se utilizan en muchos objetos en movimiento diferentes. Sin embargo, su costo y complejidad imponen limitaciones en los entornos en los que son prácticos para su uso.
Todos los sistemas de navegación inercial sufren de deriva de integración: pequeños errores en la medición de la aceleración y la velocidad angular se integran en errores de velocidad progresivamente mayores, que se combinan en errores de posición aún mayores. [7] [8] Dado que la nueva posición se calcula a partir de la posición calculada anteriormente y la aceleración y velocidad angular medidas, estos errores se acumulan aproximadamente proporcionalmente al tiempo transcurrido desde que se ingresó la posición inicial. Incluso los mejores acelerómetros, con un error estándar de 10 microg, acumularían un error de 50 metros (164 pies) en 17 minutos. [9] Por lo tanto, la posición debe corregirse periódicamente mediante la entrada de algún otro tipo de sistema de navegación.
En consecuencia, la navegación inercial se utiliza normalmente para complementar otros sistemas de navegación, proporcionando un mayor grado de precisión que el que es posible con el uso de un solo sistema. Por ejemplo, si, en uso terrestre, la velocidad rastreada inercialmente se actualiza intermitentemente a cero al detenerse, la posición permanecerá precisa durante un tiempo mucho más largo, lo que se denomina actualización de velocidad cero . Particularmente en el sector aeroespacial, se utilizan otros sistemas de medición para determinar las imprecisiones del INS, por ejemplo, los sistemas de navegación inercial Honeywell LaseRefV utilizan GPS y salidas de computadora de datos aéreos para mantener el rendimiento de navegación requerido . El error de navegación aumenta con la menor sensibilidad de los sensores utilizados. Actualmente, se están desarrollando dispositivos que combinan diferentes sensores, por ejemplo, sistemas de referencia de actitud y rumbo . Debido a que el error de navegación está influenciado principalmente por la integración numérica de velocidades angulares y aceleraciones, el Sistema de Referencia de Presión fue desarrollado para utilizar una integración numérica de las mediciones de velocidad angular.
La teoría de la estimación en general y el filtrado de Kalman en particular [10] proporcionan un marco teórico para combinar información de varios sensores. Uno de los sensores alternativos más habituales es una radio de navegación por satélite como el GPS , que puede utilizarse para todo tipo de vehículos con visibilidad directa del cielo. Las aplicaciones en interiores pueden utilizar podómetros , equipos de medición de distancias u otros tipos de sensores de posición . Al combinar adecuadamente la información de un INS y otros sistemas ( GPS ), los errores de posición y velocidad son estables . Además, el INS se puede utilizar como respaldo a corto plazo mientras las señales de GPS no están disponibles, por ejemplo cuando un vehículo pasa por un túnel.
En 2011, la interferencia del GPS a nivel civil se convirtió en una preocupación gubernamental. [11] La relativa facilidad para bloquear estos sistemas ha motivado a los militares a reducir la dependencia de la navegación de la tecnología GPS. [12] Debido a que los sensores de navegación inercial no dependen de señales de radio a diferencia del GPS, no pueden bloquearse. [13] En 2012, el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU . informó sobre un método para fusionar mediciones de 10 pares de giroscopios y acelerómetros MEMS (más GPS ocasionales), reduciendo el error de posición en dos tercios para un proyectil. El algoritmo puede corregir sesgos sistémicos en sensores individuales, utilizando tanto GPS como una heurística basada en la fuerza de aceleración del disparo. Si un sensor sobreestima o subestima constantemente la distancia, el sistema puede ajustar las contribuciones del sensor dañado al cálculo final. [14]
Los sistemas de navegación inercial se desarrollaron originalmente para cohetes . El pionero estadounidense de los cohetes, Robert Goddard, experimentó con sistemas giroscópicos rudimentarios. Los sistemas de Goddard fueron de gran interés para los pioneros alemanes contemporáneos, incluido Wernher von Braun . Los sistemas comenzaron a utilizarse más ampliamente con la llegada de las naves espaciales , los misiles guiados y los aviones comerciales .
Los primeros sistemas de guía alemanes V2 de la Segunda Guerra Mundial combinaban dos giroscopios y un acelerómetro lateral con una simple computadora analógica para ajustar el acimut del cohete en vuelo. Se utilizaron señales de computadora analógicas para impulsar cuatro timones de grafito en el escape del cohete para el control de vuelo. El sistema GN&C (Guía, Navegación y Control) para el V2 proporcionó muchas innovaciones como plataforma integrada con guía de circuito cerrado. Al final de la guerra, von Braun diseñó la entrega de 500 de sus principales científicos de cohetes, junto con planos y vehículos de prueba, a los estadounidenses. Llegaron a Fort Bliss, Texas en 1945 bajo las disposiciones de la Operación Paperclip y posteriormente fueron trasladados a Huntsville, Alabama , en 1950 [15] donde trabajaron para programas de investigación de cohetes del ejército estadounidense.
A principios de la década de 1950, el gobierno estadounidense quería protegerse contra la excesiva dependencia del equipo alemán para aplicaciones militares, incluido el desarrollo de un programa de guía de misiles totalmente nacional. El Laboratorio de Instrumentación del MIT (que más tarde se convertiría en el Laboratorio Charles Stark Draper , Inc.) fue elegido por la División de Desarrollo Occidental de la Fuerza Aérea para proporcionar un sistema de guía autónomo de respaldo a Convair en San Diego para el nuevo misil balístico intercontinental Atlas [16]. [17] [18] [19] (La construcción y las pruebas fueron completadas por la División Arma de AmBosch Arma). El supervisor técnico de la tarea del MIT fue el ingeniero Jim Fletcher, quien más tarde se desempeñó como administrador de la NASA. El sistema de guía Atlas iba a ser una combinación de un sistema autónomo a bordo y un sistema de comando y seguimiento en tierra. El sistema autónomo finalmente prevaleció en las aplicaciones de misiles balísticos por razones obvias. En la exploración espacial queda una mezcla de ambos.
En el verano de 1952, el Dr. Richard Battin y el Dr. J. Halcombe "Hal" Laning, Jr. , investigaron soluciones computacionales para la guía y emprendieron el trabajo analítico inicial sobre la guía inercial Atlas en 1954. Otras figuras clave en Convair fueron Charlie Bossart, ingeniero jefe, y Walter Schweidetzky, jefe del grupo de orientación. Schweidetzky había trabajado con von Braun en Peenemünde durante la Segunda Guerra Mundial.
El sistema de guía Delta inicial evaluó la diferencia de posición con respecto a una trayectoria de referencia. Se realiza un cálculo de velocidad a ganar (VGO) para corregir la trayectoria actual con el objetivo de llevar la VGO a cero. Las matemáticas de este enfoque eran fundamentalmente válidas, pero abandonaron debido a los desafíos que planteaba la guía inercial precisa y la potencia de computación analógica. Los desafíos que enfrentaron los esfuerzos de Delta fueron superados por el sistema Q (ver Q-guidance ) de guía. La revolución del sistema Q fue unir los desafíos de la guía de misiles (y las ecuaciones de movimiento asociadas) en la matriz Q. La matriz Q representa las derivadas parciales de la velocidad con respecto al vector de posición. Una característica clave de este enfoque permitió que los componentes del producto cruzado vectorial (v, xdv, /dt) se utilizaran como señales de velocidad básicas del piloto automático, una técnica que se conoció como dirección de productos cruzados . El sistema Q se presentó en el primer Simposio Técnico sobre Misiles Balísticos celebrado en la Corporación Ramo-Wooldridge en Los Ángeles los días 21 y 22 de junio de 1956. El sistema Q fue información clasificada durante la década de 1960. Para los misiles actuales se utilizan derivaciones de esta guía.
En febrero de 1961, la NASA adjudicó al MIT un contrato para el estudio de diseño preliminar de un sistema de guía y navegación para el programa Apolo . MIT y la División de Electrónica Delco. de General Motors Corp. se adjudicaron el contrato conjunto para el diseño y producción de los sistemas de guía y navegación Apollo para el módulo de mando y el módulo lunar. Delco produjo las IMU ( Unidades de medición inercial ) para estos sistemas, Kollsman Instrument Corp. produjo los sistemas ópticos y Raytheon construyó la computadora de guía Apollo bajo subcontrato. [20] [21]
Para el Transbordador Espacial, se utilizó guía de circuito abierto (sin retroalimentación) para guiar el Transbordador desde el despegue hasta la separación del Solid Rocket Booster (SRB). Después de la separación del SRB, la guía principal del transbordador espacial se denomina PEG (Powered Explicit Guidance). PEG tiene en cuenta tanto el sistema Q como los atributos predictor-corrector del sistema "Delta" original (orientación PEG). Aunque se habían realizado muchas actualizaciones del sistema de navegación del Shuttle durante los últimos 30 años (por ejemplo, GPS en la versión OI-22), el núcleo de guía del sistema Shuttle GN&C había evolucionado poco. Dentro de un sistema tripulado, se necesita una interfaz humana para el sistema de guía. Como los astronautas son los clientes del sistema, se formaron muchos equipos nuevos que tocan GN&C ya que es una interfaz principal para "volar" el vehículo.
Un ejemplo de INS popular para aviones comerciales fue el Delco Carousel , que proporcionaba automatización parcial de la navegación en los días previos a que los sistemas completos de gestión de vuelos se convirtieran en algo común. El carrusel permitió a los pilotos ingresar 9 puntos de ruta a la vez y luego guió la aeronave de un punto de ruta al siguiente utilizando un INS para determinar la posición y velocidad de la aeronave. Boeing Corporation subcontrató a Delco Electronics Div. de General Motors para diseñar y construir los primeros sistemas Carrusel de producción para los primeros modelos (-100, -200 y -300) del avión 747. El 747 utilizó tres sistemas Carrusel funcionando en conjunto por motivos de confiabilidad. El sistema Carrusel y sus derivados fueron adoptados posteriormente para su uso en muchos otros aviones comerciales y militares. El C-141 de la USAF fue el primer avión militar en utilizar el Carrusel en una configuración de sistema dual, seguido por el C-5A que utilizó la configuración INS triple, similar al 747. La flota KC-135A estaba equipada con un solo Carrusel IV. -E sistema que podría funcionar como INS autónomo o puede ser asistido por el radar Doppler AN/APN-81 o AN/APN-218 . Algunas variantes de misión especial del C-135 estaban equipadas con INS dobles Carousel IV-E. La característica ARINC 704 define el INS utilizado en el transporte aéreo comercial.
Los INS contienen unidades de medida inercial (IMU) que tienen acelerómetros angulares y lineales (para cambios de posición); Algunas IMU incluyen un elemento giroscópico (para mantener una referencia angular absoluta).
Los acelerómetros angulares miden cómo gira el vehículo en el espacio. Generalmente, hay al menos un sensor para cada uno de los tres ejes: cabeceo (nariz arriba y abajo), guiñada (nariz izquierda y derecha) y balanceo (en sentido horario o antihorario desde la cabina).
Los acelerómetros lineales miden aceleraciones no gravitacionales [22] del vehículo. Como puede moverse en tres ejes (arriba y abajo, izquierda y derecha, adelante y atrás), hay un acelerómetro lineal para cada eje.
Una computadora calcula continuamente la posición actual del vehículo. Primero, para cada uno de los seis grados de libertad (x,y,z y θ x , θ y y θ z ), integra en el tiempo la aceleración detectada, junto con una estimación de la gravedad, para calcular la velocidad actual. Luego integra la velocidad para calcular la posición actual.
La guía inercial es difícil sin computadoras. El deseo de utilizar guía inercial en el misil Minuteman y el Proyecto Apolo impulsó los primeros intentos de miniaturizar las computadoras.
Los sistemas de guiado inercial actualmente se suelen combinar con sistemas de navegación por satélite mediante un sistema de filtrado digital. El sistema inercial proporciona datos a corto plazo, mientras que el sistema satelital corrige los errores acumulados del sistema inercial.
Un sistema de guía inercial que funcionará cerca de la superficie de la Tierra debe incorporar la sintonización Schuler para que su plataforma continúe apuntando hacia el centro de la Tierra mientras un vehículo se mueve de un lugar a otro.
Algunos sistemas colocan los acelerómetros lineales en una plataforma giroestabilizada con cardán. Los cardanes son un conjunto de tres anillos, cada uno con un par de cojinetes inicialmente en ángulo recto. Dejan que la plataforma gire alrededor de cualquier eje de rotación (o, más bien, dejan que la plataforma mantenga la misma orientación mientras el vehículo gira alrededor de ella). Hay dos giroscopios (normalmente) en la plataforma.
Se utilizan dos giroscopios para cancelar la precesión giroscópica , la tendencia de un giroscopio a girar en ángulo recto con respecto a un par de entrada. Al montar un par de giroscopios (de la misma inercia rotacional y que giran a la misma velocidad en direcciones opuestas) en ángulos rectos, las precesiones se cancelan y la plataforma resistirá la torsión. [ cita necesaria ]
Este sistema permite medir los ángulos de balanceo, cabeceo y guiñada de un vehículo directamente en los cojinetes de los cardanes. Se pueden utilizar circuitos electrónicos relativamente simples para sumar las aceleraciones lineales, porque las direcciones de los acelerómetros lineales no cambian.
La gran desventaja de este esquema es que utiliza muchas piezas mecánicas de precisión costosas. También tiene piezas móviles que pueden desgastarse o atascarse y es vulnerable al bloqueo del cardán . El sistema de guía principal de la nave espacial Apollo utilizaba una plataforma giroestabilizada de tres ejes, que alimentaba datos a la computadora de guía Apollo . Las maniobras debían planificarse cuidadosamente para evitar el bloqueo del cardán.
El bloqueo del cardán limita las maniobras y sería beneficioso eliminar los anillos colectores y los cojinetes de los cardanes. Por lo tanto, algunos sistemas utilizan cojinetes fluidos o una cámara de flotación para montar una plataforma giroestabilizada. Estos sistemas pueden tener precisiones muy altas (por ejemplo, esfera de referencia inercial avanzada ). Como todas las plataformas giroestabilizadas, este sistema funciona bien con computadoras relativamente lentas y de bajo consumo.
Los cojinetes de fluido son almohadillas con orificios a través de los cuales un gas inerte presurizado (como el helio) o aceite presiona contra la carcasa esférica de la plataforma. Los cojinetes fluidos son muy resbaladizos y la plataforma esférica puede girar libremente. Generalmente hay cuatro soportes de apoyo, montados en una disposición tetraédrica para soportar la plataforma.
En los sistemas premium, los sensores angulares suelen ser bobinas de transformadores especializados fabricados en una tira sobre una placa de circuito impreso flexible . Varias tiras de bobinas están montadas en grandes círculos alrededor de la carcasa esférica de la plataforma giroestabilizada. La electrónica fuera de la plataforma utiliza transformadores similares en forma de tira para leer los campos magnéticos variables producidos por los transformadores enrollados alrededor de la plataforma esférica. Cada vez que un campo magnético cambia de forma o se mueve, cortará los cables de las bobinas en las tiras externas del transformador. El corte genera una corriente eléctrica en las bobinas externas en forma de tira y la electrónica puede medir esa corriente para derivar ángulos.
Los sistemas baratos a veces utilizan códigos de barras para detectar orientaciones y utilizan células solares o un solo transformador para alimentar la plataforma. Unos pequeños misiles han impulsado la plataforma con luz procedente de una ventana o fibras ópticas hasta el motor. Un tema de investigación es suspender la plataforma bajo la presión de los gases de escape. Los datos se devuelven al mundo exterior a través de transformadores o, a veces, de LED que se comunican con fotodiodos externos .
Las computadoras digitales livianas permiten que el sistema elimine los cardanes, creando sistemas de sujeción , llamados así porque sus sensores simplemente están sujetos al vehículo. Esto reduce el costo, elimina el bloqueo del cardán , elimina la necesidad de algunas calibraciones y aumenta la confiabilidad al eliminar algunas de las piezas móviles. Los sensores de velocidad angular llamados giroscopios miden la velocidad angular del vehículo.
Un sistema de correas necesita un rango de medición dinámico varios cientos de veces mayor que el requerido por un sistema con cardán. Es decir, debe integrar los cambios de actitud del vehículo en cabeceo, balanceo y guiñada, así como los movimientos bruscos. Los sistemas con cardán normalmente funcionan bien con velocidades de actualización de 50 a 60 Hz. Sin embargo, los sistemas de correa normalmente se actualizan alrededor de 2000 Hz. Se necesita una velocidad más alta para permitir que el sistema de navegación integre la velocidad angular en una actitud con precisión.
Los algoritmos de actualización de datos ( cosenos de dirección o cuaterniones ) involucrados son demasiado complejos para ser realizados con precisión, excepto mediante electrónica digital. Sin embargo, las computadoras digitales son ahora tan económicas y rápidas que los sistemas giroscópicos pueden utilizarse en la práctica y producirse en masa. El módulo lunar Apollo utilizó un sistema de correas en su sistema de guía de aborto (AGS) de respaldo.
Los sistemas Strapdown se utilizan hoy en día habitualmente en aplicaciones comerciales y militares (aviones, barcos, ROV , misiles , etc.). Los sistemas de correas de última generación se basan en giroscopios con láser de anillo , giroscopios de fibra óptica o giroscopios con resonador hemisférico . Están utilizando electrónica digital y técnicas avanzadas de filtrado digital, como el filtro Kalman .
A veces, la orientación de un sistema de giroscopio también se puede inferir simplemente a partir de su historial de posiciones (p. ej., GPS). Este es, en particular, el caso de aviones y automóviles, donde el vector velocidad normalmente implica la orientación de la carrocería del vehículo.
Por ejemplo, Align in Motion [23] de Honeywell es un proceso de inicialización en el que la inicialización se produce mientras la aeronave está en movimiento, en el aire o en tierra. Esto se logra utilizando GPS y una prueba de razonabilidad inercial, lo que permite cumplir con los requisitos de integridad de los datos comerciales. Este proceso ha sido certificado por la FAA para recuperar un rendimiento INS puro equivalente a los procedimientos de alineación estacionaria para tiempos de vuelo civiles de hasta 18 horas. Evita la necesidad de baterías de giroscopio en los aviones.
Los sistemas de navegación menos costosos, destinados a su uso en automóviles, pueden utilizar un giroscopio de estructura vibratoria para detectar cambios en el rumbo y el odómetro para medir la distancia recorrida a lo largo de la trayectoria del vehículo. Este tipo de sistema es mucho menos preciso que un INS de gama alta, pero es adecuado para la aplicación típica de automóvil donde el GPS es el sistema de navegación principal y la navegación a estima solo es necesaria para llenar los vacíos en la cobertura del GPS cuando los edificios o el terreno bloquean el satélite. señales.
Si se induce una onda estacionaria en una estructura resonante hemisférica y luego se gira la estructura resonante, la onda estacionaria armónica esférica gira en un ángulo diferente al de la estructura del resonador de cuarzo debido a la fuerza de Coriolis. El movimiento de la carcasa exterior con respecto al patrón de onda estacionaria es proporcional al ángulo de rotación total y puede detectarse mediante la electrónica adecuada. Los resonadores del sistema están fabricados a partir de cuarzo fundido debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Los electrodos que impulsan y detectan las ondas estacionarias se depositan directamente sobre estructuras de cuarzo separadas que rodean el resonador. Estos giroscopios pueden operar en modo de ángulo completo (lo que les brinda una capacidad de velocidad casi ilimitada) o en modo de reequilibrio de fuerza que mantiene la onda estacionaria en una orientación fija con respecto a la carcasa del giroscopio (lo que les brinda una precisión mucho mayor).
Este sistema casi no tiene partes móviles y es muy preciso. Sin embargo, sigue siendo relativamente caro debido al coste de los hemisferios de cuarzo huecos pulidos y rectificados con precisión. Northrop Grumman fabrica actualmente IMU ( unidades de medida inercial ) para naves espaciales que utilizan HRG. Estas IMU han demostrado una confiabilidad extremadamente alta desde su uso inicial en 1996. [24] Safran fabrica una gran cantidad de sistemas inerciales basados en HRG dedicados a una amplia gama de aplicaciones. [25]
Estos productos incluyen "giroscopios de diapasón". Aquí, el giroscopio está diseñado como un diapasón accionado electrónicamente, a menudo fabricado a partir de una sola pieza de cuarzo o silicio. Estos giroscopios funcionan de acuerdo con la teoría dinámica de que cuando se aplica un ángulo a un cuerpo en traslación, se genera una fuerza de Coriolis .
Este sistema suele estar integrado en un chip de silicio. Tiene dos diapasones de cuarzo con masa equilibrada, dispuestos "mango a mango" para que las fuerzas se cancelen. Los electrodos de aluminio se evaporaron sobre las horquillas y el chip subyacente impulsa y detecta el movimiento. El sistema es a la vez fabricable y económico. Dado que el cuarzo es dimensionalmente estable, el sistema puede ser preciso.
A medida que las horquillas se tuercen alrededor del eje del mango, la vibración de las púas tiende a continuar en el mismo plano de movimiento. Este movimiento debe ser resistido por fuerzas electrostáticas de los electrodos debajo de las púas. Al medir la diferencia de capacitancia entre las dos púas de una horquilla, el sistema puede determinar la velocidad del movimiento angular.
La tecnología no militar de última generación (a partir de 2005 [actualizar]) puede construir pequeños sensores de estado sólido que pueden medir los movimientos del cuerpo humano. Estos dispositivos no tienen partes móviles y pesan alrededor de 50 gramos (2 onzas).
Los dispositivos de estado sólido que utilizan los mismos principios físicos se utilizan para la estabilización de imagen en cámaras o videocámaras pequeñas. Estos pueden ser extremadamente pequeños, alrededor de 5 milímetros (0,20 pulgadas) y están construidos con tecnologías de sistemas microelectromecánicos (MEMS). [26]
Para medir velocidades angulares se pueden utilizar sensores basados en principios magnetohidrodinámicos .
Los giroscopios MEMS normalmente se basan en el efecto Coriolis para medir la velocidad angular. Consiste en una masa a prueba de resonancia montada en silicio. El giroscopio es, a diferencia del acelerómetro, un sensor activo. La masa de fermentación se empuja hacia adelante y hacia atrás mediante peines impulsores. Una rotación del giroscopio genera una fuerza de Coriolis que actúa sobre la masa y da como resultado un movimiento en una dirección diferente. El movimiento en esta dirección se mide mediante electrodos y representa la velocidad de giro. [27]
Un giroscopio láser de anillo (RLG) divide un haz de luz láser en dos haces en direcciones opuestas a través de túneles estrechos en una trayectoria óptica circular cerrada alrededor del perímetro de un bloque triangular de vidrio Cervit de temperatura estable con espejos reflectantes colocados en cada esquina. Cuando el giroscopio gira a cierta velocidad angular, la distancia recorrida por cada haz será diferente: la trayectoria más corta será opuesta a la rotación. El cambio de fase entre los dos haces puede medirse mediante un interferómetro y es proporcional a la velocidad de rotación ( efecto Sagnac ).
En la práctica, a velocidades de rotación bajas, la frecuencia de salida puede caer a cero como resultado de la retrodispersión que hace que los haces se sincronicen y se bloqueen entre sí. Esto se conoce como bloqueo o bloqueo láser . El resultado es que no hay cambios en el patrón de interferencia y, por tanto, no hay cambios en las mediciones.
Para desbloquear los rayos de luz contrarrotativos, los giroscopios láser tienen trayectorias de luz independientes para las dos direcciones (generalmente en giroscopios de fibra óptica), o el giroscopio láser está montado en un motor de oscilación piezoeléctrico que hace vibrar rápidamente el anillo láser hacia adelante y hacia atrás. alrededor de su eje de entrada a través de la región de bloqueo para desacoplar las ondas de luz.
El agitador es el más preciso, porque ambos haces de luz siguen exactamente el mismo camino. Así, los giroscopios láser retienen partes móviles, pero no se mueven tan lejos.
Una variación más reciente del giroscopio óptico, el giroscopio de fibra óptica (FOG), utiliza un láser externo y dos rayos que van en direcciones opuestas (contrapropagación) en carretes largos (varios kilómetros) de filamento de fibra óptica, con una diferencia de fase del dos haces comparados después de su recorrido a través de los carretes de fibra.
El mecanismo básico, la luz láser monocromática que viaja en trayectorias opuestas y el efecto Sagnac , es el mismo en un FOG y un RLG, pero los detalles de ingeniería son sustancialmente diferentes en el FOG en comparación con los giroscopios láser anteriores.
Es necesario enrollar con precisión la bobina de fibra óptica para garantizar que los caminos seguidos por la luz en direcciones opuestas sean lo más similares posible. El FOG requiere calibraciones más complejas que un giroscopio de anillo láser, lo que hace que el desarrollo y la fabricación de FOG sean más desafiantes desde el punto de vista técnico que para un RLG. Sin embargo, los FOG no sufren bloqueo láser a bajas velocidades y no necesitan contener piezas móviles, lo que aumenta la precisión potencial máxima y la vida útil de un FOG sobre un RLG equivalente.
El acelerómetro básico de circuito abierto consta de una masa unida a un resorte. La masa está obligada a moverse sólo en línea con el resorte. La aceleración provoca la desviación de la masa y se mide la distancia de desplazamiento. La aceleración se deriva de los valores de la distancia de deflexión, la masa y la constante del resorte. El sistema también debe estar amortiguado para evitar oscilaciones. Un acelerómetro de circuito cerrado logra un mayor rendimiento al utilizar un circuito de retroalimentación para cancelar la desviación, manteniendo así la masa casi estacionaria. Siempre que la masa se desvía, el circuito de retroalimentación hace que una bobina eléctrica aplique una fuerza igualmente negativa sobre la masa, cancelando el movimiento. La aceleración se deriva de la cantidad de fuerza negativa aplicada. Debido a que la masa apenas se mueve, los efectos de las no linealidades del resorte y del sistema de amortiguación se reducen considerablemente. Además, este acelerómetro proporciona un mayor ancho de banda más allá de la frecuencia natural del elemento sensor.
Ambos tipos de acelerómetros se han fabricado como micromaquinaria integrada en chips de silicio.
El departamento de la Oficina de Tecnología de Microsistemas (MTO) de DARPA está trabajando en un programa Micro-PNT (Microtecnología para posicionamiento, navegación y sincronización) para diseñar chips de Unidad de medición inercial y de sincronización (TIMU) que realicen un seguimiento de la posición absoluta en un solo chip sin Navegación asistida por GPS. [28] [29] [30]
Micro-PNT agrega un reloj maestro de sincronización [31] de alta precisión integrado en un chip IMU (Unidad de medición inercial), lo que lo convierte en un chip de Unidad de medición inercial y de sincronización. Un chip TIMU integra un giroscopio de 3 ejes, un acelerómetro de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes junto con un reloj maestro de cronometraje de alta precisión, de modo que puede medir simultáneamente el movimiento seguido y combinarlo con el cronometraje del reloj sincronizado. [28] [29]
De una forma, el sistema de ecuaciones de navegación adquiere medidas lineales y angulares del marco inercial y del cuerpo, respectivamente, y calcula la actitud y posición final en el marco de referencia NED .
Donde f es la fuerza específica, es la velocidad angular, a es la aceleración, R es la posición y V es la velocidad, es la velocidad angular de la Tierra, g es la aceleración debida a la gravedad y h son los parámetros de ubicación NED. Además, los superíndices/subíndices de E, I y B representan variables en el marco de referencia centrado en la Tierra, inercial o del cuerpo, respectivamente, y C es una transformación de los marcos de referencia. [ cita necesaria ]
