Aplicar la fusión de sensores a acelerómetros y giroscopios

Los acelerómetros y giroscopios son los sensores de elección para la adquisición de información de aceleración y giratoria en drones, teléfonos celulares, automóviles, aeroplanos y dispositivos IoT móviles. Sin embargo, tanto los acelerómetros como los giroscopios son propensos a errores, incluyendo el ruido y la deriva, respectivamente, lo cual requiere que los diseñadores deban emplear enfoques novedosos para lograr una precisión óptima.

Uno de estos enfoques incluye la fusión de sensores. Este artículo evaluará los acelerómetros y giroscopios de manera independiente para ver cómo ocurren estos errores por ruidos y por deriva. A continuación se presentan ejemplos de cada tipo de sensor y se muestra cómo utilizar técnicas de fusión de sensores para combinar los resultados de estos dos sensores y reducir el impacto de estos errores.

Seleccionar los sensores adecuados

Un acelerómetro mide todas las fuerzas lineales que están operando sobre un objeto con unidades de milivoltios/g (mV/g/g). Un objeto en movimiento puede exhibir como movimiento dinámico, como la aceleración, junto con la gravedad como una constante fuerza estática. Al conectar un acelerómetro a un objeto, se pueden medir su aceleración y la fuerza gravitatoria que actúan sobre el objeto. Sin embargo, los acelerómetros tienen una tendencia a mostrar errores de posición a lo largo del tiempo.

Figura 1: Un avión teledirigido con sensores de acelerómetro tridimensional (3D), y giroscopio 3D proporciona retroalimentación de posición a la unidad de control en tierra de manera correcta. (Fuente de la imagen: Wikipedia y STMicroelectronics)

El giroscopio da la tasa de cambio de la velocidad angular en el tiempo que está trabajando en un objeto con unidades de mV por grado por segundo (mV/grados/seg). Al conectar el giroscopio a un objeto, el sensor mide los cambios angulares del objeto sin inconvenientes, pero los giroscopios exhiben un creciente error angular, el cual, al igual que en los acelerómetros, aumenta con el tiempo.

Muchos acelerómetros y giroscopios están fabricados utilizando sistemas microelectromecánicos (MEMS). El proceso de fabricación de los sensores MEMS combina el silicio y las funciones mecánicas en el mismo sustrato micrómetro de silicio. Los principales componentes de estos dispositivos son los elementos mecánicos, el mecanismo de detección y el circuito integrado de aplicación específica (ASIC).

Los MEMS como acelerómetros

La construcción de un solo acelerómetro MEMS utiliza placas de silicio estacionarias y resortes mecánicos que responden a fuerzas externas (Figura 2).

Figura 2: El modelo de acelerómetro MEMS utiliza silicio y elementos mecánicos para generar un cambio en la capacitancia correspondiente a los cambios en la aceleración. (Fuente de la imagen: HowToMechatronics.com)

Una técnica común de detección MEMS es utilizar capacitores variables en chip. En movimiento, las placas fijas verdes permanecen estáticas, mientras que la masa naranja se flexiona a lo largo del eje de aceleración. Con este movimiento, los valores de capacitancia C1 y C2 cambian con el cambio de distancia entre la placa fija y la masa.

Figura 3: Vista cercana de la construcción de uno de los capacitores de acelerómetro MEMS (Fuente de la imagen: DigiKey).

Cuantitativamente, el cambio de los valores C1 y C2 depende de la distancia entre las placas del capacitor, d (Figura 3).

Donde:

₀ = constante dieléctrica del aire = 8,85 x 10^-12 Faradio/metro

_R = constante dieléctrica del sustrato en relación al aire

L = longitud de la placa fija adyacente y la masa

W = espesor de la placa fija y la masa

D = separación entre placas fijas y la masa

La variable clave en la Ecuación 1 es d. Este cambio en la distancia permanece constante con una aceleración constante y la fuerza gravitacional. Cuando el sensor está todavía, o alcanza un estado de velocidad constante, la estructura se relaja. Sin embargo, la atracción gravitacional aún existe.

Como una sola unidad, el valor de estos capacitores puede estar en el rango de sub-picofaradios (pF). Colocando varias placas en paralelo se aumentan los valores a un rango utilizable.

Un ejemplo del circuito de medición para estos capacitores coloca a C1 y C2 como un divisor de tensión entre fuentes de alimentación opuestas (Figura 4). La señal pasa a través de un filtro de paso bajo y luego se digitaliza con un convertidor analógico-digital (ADC) delta-sigma.

Figura 4: En una aplicación de ejemplo, C1 y C2 forman un divisor de tensión entre dos fuentes de alimentación y la salida se digitaliza. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Acelerómetros 3D

En un acelerómetro 3D, hay tres sensores de acelerómetro montados ortogonalmente (Figura 5).

Figura 5: Un acelerómetro 3D proporciona datos de salida para las aceleraciones posicionales de los ejes Z, Y y Z. (Fuente de la imagen:  STMicroelectronics)

El mecanismo de detección de los tres acelerómetros es también capacitivo. Un acelerómetro adecuado para activar las funciones de movimiento es el acelerómetro de tres ejes y salida digital serie LIS2DW12TR de STMicroelectronics. El LIS2DW12TR es un acelerómetro MEMS 3D con una salida digital y cuatro modos de funcionamiento diferentes: resolución alta, normal, baja potencia y potencia desactivada.

El modo de alta resolución proporciona una salida de datos de 14 bits de código para aumentar la precisión de la medición. Con el conjunto de bits de escala completa de ±2 g, la sensibilidad típica del modo de alta resolución es de 0.244 milig/dígito (mg/dígito). Alternativamente, con un conjunto de bits de escala completa de ±16 g, la sensibilidad típica del modo de alta resolución es 1952 mg/d gito. Este dispositivo tiene un nivel de precisión de ±20 mg de deriva ajustada en fábrica de cero g típica.

Un acelerómetro 3D mide la aceleración lineal a lo largo de los ejes X, Y y Z. Bajo rotación, como en una bobina, las distancias entre la placa fija interna y la masa permanecen invariables. Posteriormente, el acelerómetro no responderá a una velocidad angular. 

Con este atributo, el acelerómetro 3D es apropiado en aplicaciones tales como la detección de movimiento, el reconocimiento de gestos, la orientación de pantalla y la detección de caída libre. Sin embargo, sólo puede satisfacer una parte de las necesidades de detección de un avión teledirigido.

Giroscopios tridimensionales

Un giroscopio MEMS también se basa en la variación de capacitancia entre el silicio y los elementos mecánicos, pero con esta configuración, el sensor genera cambios capacitivos con cambios de velocidad angular.

Un giroscopio 3D tiene tres sensores giroscópicos montados ortogonalmente (Figura 6). Una medición de la fuerza-g se expresa en metros/segundo/segundo (ft/s/s), donde 1g es igual a la fuerza gravitacional de la tierra. El mecanismo de detección de los tres giroscopios es también capacitivo.

Figura 6: Un giroscopio tridimensional proporciona datos de salida para la aceleración angular de giro alrededor de los ejes X, Y y Z. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Un giroscopio adecuado para los sistemas de navegación es el giroscopio de tres ejes de salida digital serie I3G4250D de STMicroelectronics. Proporciona un código de salida de datos de 16 bits.

Con el conjunto de bits de escala completa de 245 grados por segundo (dps), la sensibilidad típica es de 8,75 miligrados por segundo por cada dígito (mdps/dígito). Alternativamente, con un conjunto de bits a escala completa de 2000 dps, la sensibilidad típica del modo de alta resolución es de 70 mdps/dígito. El nivel de tasa cero digital típico de este dispositivo es ±10 dps. Este nivel de tasa cero y el rendimiento de sensibilidad permiten al diseñador evitar nuevas compensaciones y calibración durante la producción.

Un giroscopio 3D mide la aceleración angular alrededor de los ejes X, Y y Z. Si la aceleración lineal se impone en un giroscopio, las distancias entre la placa fija interna y la masa permanecen invariables. Posteriormente, el giroscopio no responderá a una velocidad lineal.

Con este atributo, el giroscopio 3D es apropiado en aplicaciones tales como el control de movimiento, aparatos y la robótica. Sin embargo, la combinación de un giroscopio y un acelerómetro puede empezar a cumplir los requisitos de detección de un avión teledirigido.

Combinación de acelerómetros y giroscopios 3D.

El acelerómetro y giroscopio individualmente aportan grandes ventajas a un sistema de navegación; sin embargo, ambos tienen áreas de incertidumbre en los datos. Con estos dos sensores que recopilan datos sobre el mismo fenómeno, que es el movimiento de un objeto, la fusión de los datos de salida para obtener lo mejor de ambos sensores es una buena opción. Esto puede lograrse con una estrategia de fusión de sensores.

Las técnicas de fusión de sensores combinan los datos sensoriales de fuentes dispares y generan información que tiene menos incertidumbre, o más precisión. En el caso de los giroscopios y acelerómetros, cada uno de ellos sirve para compensar los errores de ruido y deriva para proporcionar información de seguimiento de movimiento más completa y precisa.

Esta acción de combinar las salidas de los sensores se realiza a través de la aplicación del filtro de Kalman o complementarios. El filtro de Kalman es una potente herramienta que combina información en presencia de incertidumbre. En un sistema dinámico, este filtro es ideal para sistemas que están cambiando continuamente.

Al combinar los datos del acelerómetro 3D y el giroscopio 3D, es más efectivo que ambas funciones coexistan en el mismo dispositivo. Un ejemplo de tales dispositivos es el acelerómetro 3D y giroscopio 3D LSM6DS3HTR de STMicroelectronics. Las aplicaciones apropiadas para este dispositivo incluyen un podómetro, el seguimiento de movimiento, la detección de movimiento y las funciones de inclinación.

El LSM6DS3HTR tiene un rango dinámico de aceleración de escala completa seleccionable por el usuario de ±2/±4/±8/±16 g y un rango de velocidad angular de ±125/±245/±500/±1000/±2000 dps que es comparable a sus pares independientes.

Cuando la combinación de acelerómetros 3D y giroscopios 3 D el filtro complementario (o Kalman ) usa inicialmente el giroscopio para la precisión, ya que no es vulnerable a fuerzas externas. A largo plazo se utilizan los datos del acelerómetro porque no causan deriva.

En la forma más simple del filtro, la ecuación del software:

Estos valores están integrados a lo largo del tiempo.

Además, STMicroelectronics ofrece una amplia gama de software para detección de apoyo con sus microcontroladores STM32.

Conclusión

Ya que los diseñadores trabajan para extraer información más precisa sobre los objetos en movimiento, los acelerómetros y giroscopios MEMS 3D, que se usan en conjunción con una estrategia de fusión de sensores, pueden proporcionar una solución fiable para los desafíos de movimiento y de navegación.