Sensores Inerciais

On 11 de setembro de 2014 by vinicius mauricio de almeida

Introdução aos Sensores Inerciais

Sensores inerciais são todos sensores que calculam forças de um objeto partindo do princípio da primeira lei de newton, a inercia, dentre eles se destacam os acelerômetros e giroscópios.

Neste artigo iremos tratar dos sensores especificados, demonstrando funcionamento, tipos e alguns detalhes, ao final também iremos falar sobre navegação inercial, conceito de navegação no qual se consegue o posicionamento de um objeto através de sensores inerciais.

Sensores Inerciais: ACELERÔMETROS 

Os acelerômetros são dispositivos eletromecânicos capazes de medir a aceleração própria de objeto, assim calculando as forças exercidas sobre ele.

Funcionamento dos acelerômetros

Existem diversos modelos de acelerômetros que utilizam de efeitos diferentes para conseguir calcular as forças da aceleração, logo iremos descrever alguns deles, porém para entendermos de um modo simples o funcionamento destes dispositivos iremos utilizar a ideia de massa-mola (que pode ser encontrada, com uma certa diferença, nos acelerômetros capacitivos).

A ideia básica de acelerômetro neste modelo é um sistema no qual temos uma massa sustentada por uma mola montado a vácuo, como demonstrado a baixo.

Captura-de-Tela-2013-01-30-às-08.07.27

Ao aplicarmos uma aceleração no sistema teremos um deslocamento da massa, que por sua vez ira fazer uma compressão ou expansão da mola, como visto abaixo, a partir dessa deslocamento da mola podemos calcular a aceleração do sistema.

 

 concetual2        conceitual3

Tipos de acelerômetros

Como dito, existem diferentes métodos de calcular a aceleração de um objeto, com isso diferentes tipos de acelerômetros, entre esses tipos alguns tem uma propriedade importante, podem ser criados como MEMS (Microeletromecânicos), ou seja ser implementados em microdispositivos, que possibilita seu uso em dispositivos como celulares.

Iremos explicar o funcionamento de alguns tipos mais famosos de acelerômetros.

Acelerômetro de Efeito Hal

                Neste acelerômetro a aceleração com a aplicação do efeito hall, calculando as forças aplicadas conforme o deslocamento de uma fita condutiva através de campo magnético.

Magnetoresistivo

                Nele aceleração causa um deslocamento em uma massa de material magnético, e na parte fixa do dispositivo tem materiais que alteram sua resistência com a presença de um campo magnético.

Acelerômetro de transferência de calor

                Nestes acelerômetros a aceleração e medida com a variação de temperatura de um gás interno, o qual é aquecido devido a fontes de calor moveis que se deslocam conforme o movimento do acelerômetro, este deslocamento e responsável pela diferença de temperatura do gás.

 

        acelerometro_calor1       acelerometro-calor2

 

Acelerômetros MEMS

A tecnologia MEMS, ajudou com a popularização de acelerômetros, devido a ela podemos ter acelerômetros em pequenos dispositivos como celulares e drones. Apesar de algumas da tecnologias descritas acima poderem ser encontradas em alguns acelerômetros MEMS, a tecnologias mais comum nestes acelerômetros são as descritas abaixo

Piezoelétrico

                Utiliza do efeito piezoeléctrico, no qual uma deformação ocorrida em um cristal gera uma tensão eletrica, e vice-versa, deformação que pode ocorrer devido a aceleração.

acelerometro-pziome.png

Capacitivo

Como demonstrado no conceito acima esse acelerômetro  desloca uma massa devido a aceleração o dispositivo, essa massa, no caso uma placa, aproximam ou distanciam de capacitores, modificando assim a capacitância medida por eles, com o calculo dela e possível calcular a força aplicada no objeto. Eles são os mais sensíveis que os Piezoelétrico sendo assim os mais comuns entre os MEMS.

   acelerometro-cel2     capacitancia-2

 

 

 

Características dos acelerômetros

Como todo dispositivo, nos acelerômetros, existem várias caraterísticas para medir seu desempenho e qualidade,  entre elas as mais comuns são:

Quantidade de eixos

                Demonstra a quantidade de eixos de coordenadas medidas pelo acelerômetro podendo ser de 1 eixo ou 3(x,y,z).

Faixa de medição

                Conforme os valores medidos pelo aparelho em função da força g. cada faixa de medida pode ser aplicada para um fim.

Largura de banda

                E a taxa de frequência atualização dos dados do acelerômetro, medida em Hz.

Formato da saída

                Mostra o formato de saída dos dados do acelerômetro, podendo ser analógica (conforme a variação de tensão), PWD(modulada por pulsos), digital.

 

Bias

                E o erro de fator de escala, este erro é acumulativo devido a integração, ele é medido em m/s².

 

GIROSCÓPIO 

Giroscópios são sensores que permitem medir a velocidade de rotação de um objeto em torno de um centro de rotação, ou seja a velocidade angular do objeto.

Seu conceito básico consiste de uma, ou várias, roda livre para gira em qualquer direção, se opondo da tentativa de mudar da posição inicial.

200px-3D_Gyroscope

 

 

 

 

Funcionamento dos giroscópios

Apesar do conceito básico dos giroscópios já ter sido demonstrado, o que acontece em dispositivos eletrônicos é um pouco diferente. Em geral estes giroscopios utilizam do efeito  de  Coriolis, no qual um objeto que se encontra em um movimento de rotação, imprime na massa um movimento ortogonal a direção de rotação, a animação abaixo explica melhor esse efeito.

Corioliskraftanimation

Tipos de giroscópios

Os giroscópios têm um princípio muito mais complexo que os acelerômetros, este e um dos motivos fizeram eles demorarem mais a parecer como dispositivos MEMS, com isso eles têm menos modelos, porem estes modelos têm maiores diferenças entre si e mais complexidade que os modelos de acelerômetros, são ele:

Giroscópios tipo diapasão

São compostos por duas massas que oscilam com igual amplitude, direções e sentidos opostos, ao ocorre uma rotação ocorre uma vibração ortogonal a massa.

MEMs-Diapasão

Rodas  oscilantes
                São formados por uma roda que podem atuar em seu eixo de simetria ou sofrerem inclinação em ao ocorrer uma rotação, com isso podem medir dois eixos de rotação com uma única roda.

 roda

Pêndulos  de Foucault

                São baseados em uma oscilação de uma haste encontrada para fora da estrutura.

Giroscópios hemisféricos ressonantes
                Consiste em um anel cilíndrico suspenso por molas que vibram, na presença de uma rotação perpendicular a vibração do anel ocorre uma transferência de energia.

hemesferios

 

SISTEMA DE NAVEGAÇÃO INERCIAL

A navegação inercial é o modo de se obter dados sobre, aceleração, velocidade, posição e ângulo a partir de sensores de inerciais, tais como acelerômetro  e giroscópio, para assim auxiliar uma navegação humana ou autônoma.

Sua teoria se baseia nas leis de newton, e na possibilidade de calcular velocidade e posição a partir da aceleração. Porém na pratica a navegação inercial passa por vários problemas referentes a precisão e ruídos encontrados nos dispositivos.

Formula
A velocidade e a integral da aceleração enquanto o deslocamento e a integral da velocidade. Assim coma variação da aceleração e possível calcular o deslocamento através de uma dupla integração.

integral-aceleraçao

Problemas na pratica

Apesar da formula do calculo da posição ser simples na pratica ela não podes aplicada como demonstrada devidos a diversos erros encontrados no sensores, são eles:

Amostragem discreta
Devido a amostragem dos sensores ser discreta, o modo normal de calcular integral não pode ser aplicado, assim devemos utilizar formas de transformar nossa amostragem em uma função continua, porem em sua maioria essas formulas criam erros no arrendamento, para minimiza-los pode ser usar a técnica de arredondamento de primeira ordem.

formula-triagulaçao

 

Calibração

Normalmente os acelerômetros retornam a aceleração sem referência (somente valores positivos), assim e necessário uma calibragem para obter o marco ‘0’ da aceleração e dividir aceleração negativa de positiva.

marco-zero

 

Correção da Aceleração 

Acelerômetros apresentam erros aleatórios que devem ser minimizados. Além destes erros, alguns fenômenos físicos devem ser compensados, tais como a aceleração de Coriolis, a aceleração centrifuga e aceleração gravitacional.

Para uma calculo mais apurado da aceleração real aplicada ao objeto e necessário levar em questão estes erros, modelando o programa de modo a cobri-los.
Uma modelagem proposta que retira a rotação da terra, a aceleração de Coriolis, e a gravidade esta modelada a seguir.

correção aceleração

Presença de ruídos

Além dos erros ocasionados por outros tipos de movimentos, um outro grande erro que ocorrem nos acelerômetros são os ruídos, existem várias propostas de abordagem de correção dos ruídos.

Uma boa proposta é a utilização de filtros passa-baixa e seguidos de uma pos-filtragem outro com a utilização do filtro de Kalman, porem este último necessita de um referencial para retirar erros acumulados

Reconhecimento de parada

Devido ao fato de sempre haver algum ruim ou aceleração presente no dispositivo o momento de parada não é absoluto, assim e necessário um algoritmo que reconheça essas oscilações para conseguir reconhecer a parada.

Erro acumulativo

Devido os vários ruídos e ao arredondamento os cálculos produzidos pelos acelerômetros são recheados de erros, que se acumulam com o tempo, para concertar este erro e necessário o auxílio de um método ou dispositivo externo, como o odometro que calcula a velocidade ou um GPS dará a posição.

 

CONCLUSÃO sobre Sensores Inerciais

A vários métodos tipos de sensores inerciais, seja no propósitos ou na tecnologia empregada. Apesar de em teoria ser possível, com eles, criar um sistema de calculo de posicionamento e velocidade, na pratica esse sistema sofre por vários problemas e erros, mas com as devidas metodologias e possível diminuir esses defeitos deixando o sistema mais preciso.

 

REFERÊNCIAS

1.Kurt Seifert and Oscar Camacho.“Implementing Positioning Algorithms Using Accelerometers”. 2007

2.SANTANA, D. D. S. ; CAMPOS, V. A. F. ; FURUKAWA, C. M. ; MARUYAMA, N. . “Estimação de Trajetórias Utilizando Sistema de Navegação Inercial Strapdown”.. In: XV CBA, 2004, Gramado – RS. Anais do XV Congresso Brasileiro de Automática, 2004

3.Neisy Amparo; Escobar Forhan.“GIROSCÓPIOS MEMS”, 2010;

4.http://www2.decom.ufop.br/imobilis/?p=1931

5.http://www2.decom.ufop.br/imobilis/?p=1889

6.http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1240-comparativo-entre-acelermetros

7.http://www.engineersgarage.com/articles/accelerometer?page=3

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