Una unidad de medida 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, incluidos motocicletas, misiles, aviones (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 para 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 interferencias electrónicas. [2]
Una unidad de medición inercial funciona detectando la aceleración lineal usando uno o más acelerómetros y la velocidad de rotación usando uno o más giroscopios . [3] Algunos también incluyen un magnetómetro que se utiliza comúnmente como referencia de rumbo. Las configuraciones típicas contienen un acelerómetro, giroscopio y magnetómetro por eje para cada uno de los tres ejes principales: cabeceo, balanceo y guiñada .
Las IMU a menudo se incorporan a los sistemas de navegación inercial que utilizan las mediciones de IMU sin procesar para calcular la actitud , las tasas angulares, la velocidad lineal y la posición relativa a un marco de referencia global. El INS equipado con IMU forma la columna vertebral para la navegación y el control de muchos vehículos comerciales y militares, como aviones tripulados, misiles, barcos, submarinos y satélites. Las IMU también son componentes esenciales en la guía y control de sistemas no tripulados como UAV , UGV y UUV . Las versiones más simples de los 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 por los sensores de la IMU permiten que una computadora rastree la posición de la nave, utilizando un método conocido como navegación a estima .
En vehículos terrestres, una IMU se puede integrar en sistemas de navegación automotriz basados en GPS o sistemas de seguimiento de vehículos , lo que le da al sistema una capacidad de navegación a estima y la capacidad de recopilar la mayor cantidad de datos precisos posible sobre la velocidad actual, la velocidad de giro, el rumbo y la inclinación del vehículo. y aceleración, en combinación con la salida del sensor de velocidad de las ruedas del vehículo y, si está disponible, la señal de marcha atrás, para fines tales como un mejor análisis de colisiones de tráfico .
Además de para fines 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 mediante la identificación de la especificidad y sensibilidad de parámetros específicos asociados con la carrera. Algunos sistemas de juego, como los controles remotos de Nintendo Wii, utilizan IMU para medir el movimiento. Las IMU de bajo coste han permitido la proliferación de la industria de los drones de consumo. También se utilizan frecuentemente para tecnología deportiva (entrenamiento técnico) [4] y aplicaciones de animación. Son una tecnología competidora para su uso en tecnología de captura de movimiento . [5] Una IMU es el núcleo de la tecnología de equilibrio utilizada en el Segway Personal Transporter .
En un sistema de navegación, los datos reportados por la IMU se introducen en un procesador que calcula la altitud, la velocidad y la posición. [6] Una implementación típica denominada sistema inercial Strap Down integra la velocidad angular del giroscopio para calcular la posición angular. Esto se fusiona con el vector de gravedad medido por los acelerómetros en un filtro de Kalman para estimar la actitud. La estimación de 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. [7] [8] [9]
Por ejemplo, si una IMU instalada en un avión que se mueve a lo largo de un determinado vector de dirección midiera la aceleración del avión como 5 m/s 2 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 en papel o un archivo de mapas digital (sistemas cuya salida se conoce generalmente como visualización de mapa en movimiento , 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 muestra al piloto dónde se encuentra geográficamente el avión en un momento determinado, como con un sistema de navegación GPS , pero sin la necesidad de comunicarse o recibir comunicaciones de ningún componente externo, como satélites o transpondedores de radio terrestres, a través de fuentes externas. todavía se utilizan para corregir errores de deriva y, dado que la frecuencia de actualización de la posición permitida por los sistemas de navegación inercial puede ser mayor que la que el movimiento del vehículo en la visualización del mapa puede percibirse como suave. 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 para ayudar a los aviones a navegar en vuelo sin ninguna intervención externa. Llamado indicador de posición en tierra , una vez que el piloto ingresó la longitud y latitud de la aeronave en el momento del despegue, la unidad le mostraría al piloto la longitud y latitud de la aeronave en relación con el suelo. [10]
Los sistemas de seguimiento posicional como el GPS [11] se pueden utilizar para corregir continuamente errores de deriva (una aplicación del filtro de Kalman ).
Una desventaja importante del uso de IMU para la navegación es que normalmente sufren de errores acumulados. Debido a que el sistema de guía integra continuamente la aceleración con respecto al tiempo para calcular la velocidad y la posición (ver navegación a estima ) , cualquier error de medición, por pequeño que sea, se acumula con el tiempo. Esto conduce a una "deriva": una diferencia cada vez mayor entre el lugar donde el sistema cree que está ubicado y la ubicación real. Debido a la integración, un error constante en la aceleración da como resultado un crecimiento del error lineal en la velocidad y un crecimiento del error cuadrático en la posición. Un error constante en la tasa de actitud (giro) da como resultado un crecimiento del error cuadrático en la velocidad y un crecimiento del error cúbico en la posición. [12]
Existe una variedad muy amplia de IMU, [13] según los tipos de aplicación, con rendimientos que varían:
Para tener una idea aproximada, esto significa que, para un único acelerómetro sin corregir, el más barato (de 100 mg) pierde su capacidad de ofrecer una precisión de 50 metros después de unos 10 segundos, mientras que el mejor acelerómetro (de 10 µg) pierde sus 50 -Precisión del medidor después de unos 17 minutos. [14]
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).
El comportamiento de los sensores de giroscopio y acelerómetro a menudo se representa mediante un modelo basado en los siguientes errores, suponiendo que tienen el rango de medición y el ancho de banda adecuados: [15]
Todos estos errores dependen de diversos fenómenos físicos específicos de cada tecnología de sensor. Dependiendo de las aplicaciones específicas y para poder elegir el sensor adecuado, es muy importante considerar las necesidades de estabilidad, repetibilidad y sensibilidad ambiental (principalmente ambientes térmicos y mecánicos), tanto a corto como a largo plazo. El rendimiento objetivo de las aplicaciones suele ser 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 puede evaluarse y compensarse para mejorar su rendimiento. Esta mejora del rendimiento en tiempo real se basa tanto en sensores como en modelos 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 es parte del know-how de los fabricantes de sensores y IMU. Los sensores y los modelos IMU se calculan en las fábricas mediante una secuencia de calibración dedicada que utiliza plataformas giratorias de múltiples ejes y cámaras climáticas. Pueden calcularse para cada producto individual o genéricos para toda la producción. La calibración normalmente mejorará el rendimiento bruto de un sensor en al menos dos décadas.
Las IMU de alto rendimiento, o IMU diseñadas para funcionar en condiciones adversas, suelen estar suspendidas mediante amortiguadores. Estos amortiguadores son necesarios para dominar tres efectos:
Las IMU suspendidas pueden ofrecer un rendimiento muy alto, incluso cuando se someten a entornos hostiles. Sin embargo, para alcanzar dicho desempeño, es necesario compensar tres comportamientos principales resultantes:
La disminución de estos errores tiende a empujar a los diseñadores de IMU a aumentar las frecuencias de procesamiento, lo que resulta más fácil con el uso de tecnologías digitales recientes. Sin embargo, desarrollar algoritmos capaces de cancelar estos errores requiere un conocimiento inercial profundo y una gran intimidad con el diseño de sensores/IMU. Por otro lado, si es probable que la suspensión permita aumentar el rendimiento de la IMU, tiene un efecto secundario en el tamaño y la masa.
Una IMU inalámbrica se conoce como WIMU. [16] [17] [18] [19]