Unidad de medición inercial

Una unidad de medición inercial ( IMU ) es un dispositivo electrónico que mide e informa la fuerza específica , la velocidad angular y, a veces, la orientación de un cuerpo, mediante una combinación de acelerómetros , giroscopios y, en ocasiones, magnetómetros . Cuando se incluye el magnetómetro, las IMU se denominan IMMU. ^{[ 1 ]}

Las IMU se utilizan habitualmente para maniobrar vehículos modernos, como motocicletas, misiles, aeronaves (como 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 avances recientes permiten la producción de dispositivos GPS con IMU ; una IMU permite que un receptor GPS funcione cuando no hay señal GPS disponible, como en túneles, dentro de edificios o cuando hay interferencias electrónicas. ^{[ 2 ]}

Las IMU se utilizan en visores de realidad virtual y teléfonos inteligentes , y también en controladores de juegos con seguimiento de movimiento como el Wii Remote , el Steam Controller , el Nintendo Switch Pro Controller y el Dualsense .

Una unidad de medición inercial funciona detectando la aceleración lineal mediante uno o más acelerómetros y la velocidad de rotación mediante uno o más giroscopios . ^{[ 3 ]} Algunas también incluyen un magnetómetro que se usa comúnmente como referencia de rumbo. Algunas IMU, como la BNO055 utilizada en el IMU Breakout de 9 DOF de Adafruit, incluyen sensores adicionales como el de temperatura. ^{[ 4 ]} Las configuraciones típicas contienen un acelerómetro, un giroscopio y un magnetómetro por eje para cada uno de los tres ejes principales: cabeceo, balanceo y guiñada .

Las IMU se incorporan frecuentemente a los Sistemas de Navegación Inercial (INS) , que utilizan las mediciones brutas de la IMU para calcular la actitud, las velocidades angulares, la velocidad lineal y la posición con respecto a un marco de referencia global. El INS equipado con IMU constituye la base para la navegación y el control de muchos vehículos comerciales y militares, como aeronaves tripuladas, misiles, barcos, submarinos y satélites. Las IMU también son componentes esenciales en la guía y el 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 las IMU para calcular la actitud del vehículo con rumbo con respecto al norte magnético. Los datos recopilados por los sensores de la IMU permiten a un ordenador rastrear la posición de la nave, utilizando un método conocido como navegación a estima . Estos datos se presentan generalmente en vectores de Euler que representan los ángulos de rotación en los tres ejes principales o en un cuaternión .

En los vehículos terrestres, una IMU se puede integrar en sistemas de navegación automotriz basados ​​en GPS o en sistemas de seguimiento de vehículos , lo que proporciona al sistema capacidad de navegación por estima y la posibilidad de recopilar la mayor cantidad de datos precisos posible sobre la velocidad actual del vehículo, la velocidad de giro, la dirección, la inclinación y la 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 las personas cuando están en movimiento al identificar la especificidad y sensibilidad de parámetros específicos asociados con correr. Algunos sistemas de juegos, como los controles remotos de la Nintendo Wii, utilizan IMU para medir el movimiento. Las IMU de bajo costo han permitido la proliferación de la industria de drones de consumo. También se utilizan con frecuencia para tecnología deportiva (entrenamiento de técnica) ^{[ 5 ]} y aplicaciones de animación. Son una tecnología competitiva para su uso en la tecnología de captura de movimiento . ^{[ 6 ]} Una IMU es el núcleo de la tecnología de equilibrio utilizada en el Segway Personal Transporter .

En navegación

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. ^{[ 7 ]} Una implementación típica, denominada Sistema Inercial de Soporte, integra la velocidad angular del giroscopio para calcular la posición angular. Esta se combina con el vector de gravedad medido por los acelerómetros en un filtro de Kalman para estimar la actitud. La estimación de la 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. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Por ejemplo, si una IMU instalada en un avión que se mueve a lo largo de un vector de dirección determinado midiera la aceleración del avión como 5  m/s² ^durante 1 segundo, entonces después 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 (suponiendo v₀ ₌ 0 y coordenadas de posición inicial conocidas x₀ _, y₀ _, z₀ ₎ . Si se combina con un mapa mecánico en papel o un archivo de mapas digitales (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 resulta en un mapa en movimiento), el sistema de guía podría usar este método para mostrarle 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 con o recibir comunicaciones de ningún componente externo, como satélites o transpondedores de radio terrestres, aunque todavía se utilizan fuentes externas para corregir errores de deriva, y dado que la frecuencia de actualización de posición permitida por los sistemas de navegación inercial puede ser mayor que el movimiento del vehículo en la pantalla 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 con el fin de ayudar a las aeronaves a navegar en vuelo sin ninguna información externa. Denominado Indicador de Posición Terrestre , una vez que el piloto introducía la longitud y latitud de la aeronave al despegar, la unidad le mostraba la longitud y latitud de la aeronave en relación con el terreno. ^{[ 11 ]}

Los sistemas de seguimiento de posición como el GPS ^{[ 12 ]} se pueden utilizar para corregir continuamente los errores de deriva (una aplicación del filtro de Kalman ).

Una desventaja importante del uso de IMU para la navegación es que suelen sufrir errores acumulados. Dado que el sistema de guiado integra continuamente la aceleración con respecto al tiempo para calcular la velocidad y la posición (véase navegación a estima ) , cualquier error de medición, por pequeño que sea, se acumula con el tiempo. Esto provoca una «deriva»: una diferencia cada vez mayor entre la ubicación que el sistema cree tener y la ubicación real. Debido a la integración, un error constante en la aceleración resulta en un crecimiento lineal del error en la velocidad y un crecimiento cuadrático del error en la posición. Un error constante en la velocidad angular (giróscopo) resulta en un crecimiento cuadrático del error en la velocidad y un crecimiento cúbico del error en la posición. ^{[ 13 ]}

Existe una amplia variedad de IMU, ^{[ 14 ]} dependiendo de los tipos de aplicación, con un rendimiento que varía:

• De 0,1°/s a 0,001°/h para giroscopio
• De 100  mg a 10  μg para acelerómetros.

Para tener una idea aproximada, esto significa que, para un acelerómetro individual sin corregir, el más barato (de 100  mg) pierde su capacidad de proporcionar una precisión de 50 metros después de unos 10 segundos, mientras que el mejor acelerómetro (de 10  μg) pierde su precisión de 50 metros después de unos 17 minutos. ^{[ 15 ]}

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). ^{[ 16 ]}

El comportamiento de los sensores giroscópicos y acelerómetros se suele representar mediante un modelo basado en los siguientes errores, suponiendo que tengan el rango de medición y el ancho de banda adecuados: ^{[ 17 ]}

• Error de desplazamiento: este error se puede dividir entre el rendimiento de estabilidad (deriva mientras el sensor permanece en condiciones invariables) y la repetibilidad (error entre dos mediciones en condiciones similares separadas por condiciones variables entre ellas).
• Error de factor de escala: errores en la sensibilidad de primer orden debido a falta de repetibilidad y no linealidades.
• Error de desalineación: debido a un montaje mecánico imperfecto.
• Sensibilidad transversal: medición parásita inducida por la solicitud a lo largo de un eje ortogonal al eje del sensor.
• Ruido: depende del rendimiento dinámico deseado
• Sensibilidad ambiental: principalmente sensibilidad a los gradientes térmicos y a las aceleraciones.

Todos estos errores dependen de diversos fenómenos físicos específicos de cada tecnología de sensor. Dependiendo de las aplicaciones objetivo y para poder elegir el sensor adecuado, es fundamental considerar las necesidades de estabilidad, repetibilidad y sensibilidad ambiental (principalmente térmica y mecánica), tanto a corto como a largo plazo. El rendimiento objetivo para las aplicaciones suele ser superior al rendimiento absoluto del sensor. Sin embargo, el rendimiento del sensor es repetible a lo largo del tiempo, con mayor o menor precisión, por lo que puede evaluarse y compensarse para optimizarlo. Esta optimización del rendimiento en tiempo real se basa en los sensores y los modelos de IMU. La complejidad de estos modelos se elige en función del rendimiento requerido y del tipo de aplicación. La capacidad de definir este modelo forma parte del conocimiento de los fabricantes de sensores e IMU. Los sensores y los modelos de IMU se calculan en fábrica mediante una secuencia de calibración específica que utiliza plataformas giratorias multieje y cámaras climáticas. Pueden calcularse para cada producto individual o de forma genérica para toda la producción. La calibración suele mejorar el rendimiento bruto de un sensor en al menos dos décadas.

Las IMU de alto rendimiento, o las IMU diseñadas para operar en condiciones adversas, suelen estar suspendidas mediante amortiguadores. Estos amortiguadores deben controlar tres efectos:

• Reducir los errores de los sensores debidos a las exigencias del entorno mecánico.
• Proteja los sensores, ya que pueden dañarse por golpes o vibraciones.
• contener el movimiento parásito de la IMU dentro de un ancho de banda limitado, donde el procesamiento podrá compensarlo.

Las IMU suspendidas pueden ofrecer un rendimiento muy alto, incluso cuando se someten a entornos hostiles. Sin embargo, para alcanzar dicho rendimiento, es necesario compensar tres comportamientos principales resultantes:

• Efecto cónico: un efecto parásito inducido por dos rotaciones ortogonales.
• remo: un efecto parasitario inducido por una aceleración ortogonal a una rotación
• efectos de las aceleraciones centrífugas.

La reducción de estos errores suele impulsar a los diseñadores de IMU a aumentar las frecuencias de procesamiento, lo cual resulta más sencillo gracias a las tecnologías digitales actuales. Sin embargo, el desarrollo de algoritmos capaces de compensar estos errores requiere un profundo conocimiento de la inercia y una gran familiaridad con el diseño de sensores e IMU. Por otro lado, si bien la suspensión puede mejorar el rendimiento de la IMU, esto conlleva un aumento en su tamaño y masa.

Una IMU inalámbrica se conoce como WIMU. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

• Giroscopio de resonador hemisférico – Tipo de giroscopio 
• Acelerómetro PIGA – Acelerómetro giroscópico integrador pendular, un instrumento de guiado inercial 
• Sintonización Schuler : principio de diseño para la navegación inercial 
• Giroscopio de estructura vibratoria : giroscopio económico basado en vibración. 
• Intelsat 708 : Fallo del cohete chino; posteriormente se determinó que la causa del fallo fue la unidad de medición inercial.