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Sensores inerciales: El mundo en movimiento


A pesar de que la tecnología MEMS (micro-electro-mechanical systems) se utiliza desde hace más de dos décadas para manejar el despliegue de los airbags de un automóvil y para sensores de presión de todo tipo, la verdadera fama y la aceptación generalizada llegaron de la mano de las consolas de videojuegos Nintendo Wii  y de los teléfonos inteligentes iPhone. A partir de ciertas características particulares, estos equipos llamaron la atención de mucha gente que se preguntó: ¿como se puede realizar esta clase de transformación desde una acción mecánica hacia un resultado electrónico? Fue entonces cuando comenzaron a conocerse mejor y a cobrar notoriedad los términos acelerómetros o sensores inerciales.  Hablemos de ellos.

Existen cinco movimientos físicos que puede adoptar un objeto y que pueden relacionarse con la aceleración los cuales, sumados a ésta son: vibración, golpe, inclinación y rotación. Estas opciones de aplicación, para un sencillo medidor de aceleración, expanden de manera enorme sus posibilidades de inclusión dentro de desarrollos inteligentes y novedosos. Por supuesto que no podemos dejar de mencionar los sensores de posición, traslación y orientación de un cuerpo, pero ellos serán objeto de otro artículo. Por otro lado, cabe destacar que una detección de movimiento en un mecanismo puede ser, por ejemplo, uno de los mejores elementos para desarrollar un sistema de gestión de ahorro energético. En palabras sencillas: sería informarle a nuestro (hipotético) robot alimentado a baterías, que debe entrar en un modo de consumo mínimo (sleep) ya que al interrumpirse el desplazamiento, muchos sub-sistemas no necesitan estar en funcionamiento (detección de obstáculos, drivers para motores de locomoción y muchos más). De este modo, estamos desarrollando un sistema inteligente que puede entender su situación de acción y actuar en consecuencia.

Introducción a la detección de movimientos

Aceleración, vibración, golpe (choque, shock), inclinación (tilt) y rotación (pan) son los cinco movimientos fundamentales que un sistema inteligente debe detectar a todo momento para tener un control pleno sobre el objeto que desea gobernar o interpretar. Todas son, en realidad, manifestaciones diferentes de una aceleración durante períodos de tiempo distintos. Sin embargo, los seres humanos no relacionamos de manera intuitiva estos movimientos como variaciones en la aceleración/deceleración de un cuerpo. En cambio, si tenemos en cuenta y analizamos cada modalidad por separado podremos comprender de manera más sencilla muchas posibilidades que un acelerómetro puede ofrecernos. La aceleración (incluyendo el movimiento de traslación) mide la variación de velocidad en una unidad de tiempo. La velocidad se expresa en metros por segundo (m/s) e incluye tanto la tasa de desplazamiento como la dirección del movimiento (vector). Del análisis planteado se deduce que la aceleración se mide en metros por segundo al cuadrado (m/s2). Cuando la aceleración adopta un valor negativo (imagínate un coche reduciendo su velocidad cuando el conductor aplica los frenos) se la conoce como la des-aceleración (desaceleración).

Consideremos ahora la aceleración en varios períodos separados de tiempo. La vibración puede considerarse como una aceleración seguida de una desaceleración y una nueva aceleración en el sentido inverso de traslación que ocurre rápidamente y de manera periódica. Del mismo modo, el choque es una des-aceleración que se produce de forma instantánea. Ahora volvamos a estirar los tiempos en que suceden los acontecimientos. Cuando un objeto se mueve y modifica su inclinación existen cambios donde la acción gravitatoria está involucrada. Ese movimiento tiende a ocurrir de forma lenta en comparación con un evento de vibración o de choque. Debido a que estos primeros cuatro modos de detección de movimiento (aceleración, vibración, choque e inclinación) se producen con la participación de determinados aspectos de la aceleración, se los mide con  la unidad de la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto en la Tierra, es decir, por la fuerza “g”. (Recordemos que una unidad g es igual a 9,8 m/s2.) Un acelerómetro detecta la inclinación al medir el efecto que la fuerza de la gravedad ejerce sobre los ejes del acelerómetro que estén expuestos a esta acción en función de su posición en el espacio. Es decir, si consideramos un acelerómetro de tres ejes inerciales (X, Y, y Z)  debemos considerar las tres acciones de aceleración por separado para obtener los productos (resultados) de los ejes de movimiento.

La mayoría de los acelerómetros que existen en la actualidad en el mercado contrastan sus mediciones con la fuerza de gravedad  y luego convierten sus resultados en Voltios o en Bits (para el caso de los dispositivos con salida digital). Esta información se pasa a un microprocesador/microcontrolador y allí se realiza el proceso de interpretación de los datos adquiridos y se presentan de modo audiovisual o se los utiliza para ejecutar otras instrucciones de programa. Los recientes avances de la tecnología han hecho posible la fabricación de pequeños acelerómetros de tecnología MEMS (micro-electro-mechanical systems) en los rangos de detección de bajas  y altas unidades de gravedad con anchos de banda mucho más amplios que antes, aumentando de este modo el campo de las aplicaciones potenciales. Se considera un rango de “bajo-g” de detección a valores inferiores a 20 g y dentro de este grupo se encuentran las acciones de movimiento que un ser humano puede generar. En consecuencia, las unidades de “alto-g” se utilizan en los movimientos de máquinas o vehículos, es decir, en los sistemas que el ser humano no puede recrear.

Hasta aquí sólo hemos hablado de movimientos lineales, específicamente del tipo de movimiento que incluye aceleración, vibración, choque e inclinación. La rotación en cambio requiere la comprensión de un movimiento angular. Este modo difiere de los anteriores porque la rotación puede tener lugar sin observarse cambios en la aceleración. Para entender cómo funciona debemos observar la imagen de un sensor inercial de 3 ejes, es decir, debemos imaginar a los ejes del sensor X e Y en posición paralela a la superficie de la Tierra y el eje Z apuntando hacia el centro de la Tierra. En esta posición, el eje Z entrega una medición de 1 g, mientras que los ejes X e Y obtienen una medición 0 g. Girando el sensor de movimiento sólo sobre el eje Z, los ejes X e Y nunca abandonan la medida de 0 g ya que no sufren desplazamientos lineales en ninguna dirección, en tanto que el eje Z siempre continúa entregando la medida de 1 g ya que está siempre en el mismo lugar sin avanzar, ni retroceder. Por lo tanto, entendemos de este modo que para detectar los movimientos de rotación de un cuerpo se utilizan los giróscopos. En el mercado actual es común encontrar en una única unidad de medición inercial (IMU) un giróscopo y un acelerómetro multi-ejes destinados a medir los cinco movimientos fundamentales enunciados al comienzo del artículo.

De este modo llegamos a los sistemas actuales de medición en 6 ejes que día a día se vuelven más populares en aplicaciones de todo tipo, donde sea necesaria y útil la información de posición y movimiento de un sistema. Ahora comparte un poco de tu información con nosotros y cuéntanos: ¿Qué dispositivos utilizas a diario que incorporan acelerómetros? ¿Has desarrollado algún equipo utilizándolos? ¿Qué aplicaciones novedosas encontrarías para estos dispositivos? ¿Crees que su potencial termina en un mando a distancia o en un volante de videojuegos? Cuéntanos, tu opinión nos interesa.

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Escrito por Mario

Comentarios

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  1. Muy interesante el articulo y me ha venido muy bien, yo actualmente estoy en un proyecto de coche a control remoto. Por ahora solo estoy con el programa y el diseño en simulador con ISIS. El control va a ser mediante potenciometros lineales (uno velocidad y marcha y otro de giro) pero mi intencion es que con el tiempo reemplazar el control manual por un acelerometro. Si sabeis de modelos económicos y a la vez eficientes seria muy interesante, no me importa si la salida es analógica o digital

  2. Hola Mario,
    Que buena explicacion, ya que es muy cierto lo que dices: en la vida real confundimos algunas variables con otras, o creemos que podemos medir unas variables a traves de otras.
    Me gusto mucho el video de la moto robot, el sistema de control esta genial.
    Gracias por este articulo, sabes que necesitaba esta info.

    Saludos desde Colombia.

    • Hola mvr1981!

      En una época venían esos "bulbos" (ampollas de vidrio con contactos eléctricos y la gota de mercurio) para encender la luz interna del baúl del coche. Me has hecho recordar eso.
      Serviría para detectar movimientos bruscos (la gota se movería y haría contacto … al menos durante algunos instantes) pero la información obtenida sería muy pobre.
      Solo sabríamos que sí, se movió; pero no cuánto, ni con qué aceleración.

      Sería algo rudimentario y básico, pero para determinadas aplicaciones elementales sería muy útil y menos problemático que un sensor inercial.

      Buena idea mvr1981!
      Saludos!
      Mario

    • Idem 🙁

      Sólo tengo uno que lo he comprado hace un tiempo (cuando hice el artículo del volante para juegos). Pero samples …nada.
      Ya le haremos un nuevo intento a ver si tenemos mejor suerte 😉

      Saludos dds!
      Mario

      • Freescale esta enviando samples de variso modelos, entre ellos uno que pide aceleracion en 3 ejes. El encapsulado es medio jodido de soldar pero nada que no pueda hacerse con practica.

        Con respecto al bulbo de mercurio, recuerdo haber hecho una alarma para motos con el mismo. Cuando la moto estaba apoyada en su "patita" la moto estaba inclinada y el mercurio no cerraba el circuito, cuando la moto se ponia derecha el mercurio cerraba el circuito y disparaba la alarma.

        SALUDOS

  3. ¿Crees que podría ser aplicable en una pulsera? para mejor respuesta hacia el dispositivo como un televisor o algo así…
    Es muy interesante el artículo, a veces olvido lo importante que son los conceptos básicos de física que dan en la secundaria…

  4. Pues, creo que como la mayoria tengo aelerometros en consolas y smartPhone, pero ademas practico la escalada y en muchas ocasiones le e dado vueltas a la cabeza a un pequeño proyecto que por falta de tiempo no puedo realizar. Como escalador, es importante estar en contacto con alguien, pero hay casos en los que no puedes, bien por la orografia del terreno, o porque sencillamente te has quedado solo.

    Estaria bien un sistea con acelerometros que detectara una caida o un golpe del escalador y en conjunto con los datos de localizacion de la mayoria de los telefonos actuales emitiera una llamada de socorro a los servicios de emergencia.

    esta es mi propuesta, un saludo.

    • Hola Josu!

      Es una extraordinaria idea esa que propones.
      No sólo para los escaladores sino para personas mayores (ancianos que viven solos) y hasta para objetos que no debieran caerse y sin embargo lo hacen.
      Hay veces en que nos damos cuenta tarde que algo se ha caído y nos lamentamos por no darnos cuenta a tiempo.

      Gracias por la idea amigo! 🙂
      Saludos!
      Mario

  5. Hola Mario.

    Hace rato que leo sus artículos y sinceramente considero que es un placer la lectura de los mismos. Soy técnico en electrónica y apasionado de la misma. Casualmente, la semana pasada adquiri el acelerómetro MMA7660FC de freescale, y me llegó hace dos días. La compra la realicé via web y llegó todo de manera perfecta. Ahora voy a tener que ponerme a programar y sacarle el mejor provecho, la idea es hacer un sistema de control de posición que compense las vibraciones producidas por un husillo de fresado de una máquina que estoy desarrollando hace un tiempo largo. También le comento que microchip ofrece samples, pero cobra el envío. Hoy me llegó el PIC18F97J60 , por lo que le sugiero en un futuro que si desea experimentar con ethernet es la opción de menor coste y mayor versatilidad.

    Lo felicito nuevamente por su trabajo y es un placer la lectura de cada uno de sus proyectos.

    Sebastián Janavel

  6. Estimado Sr.: MArio quisiera saber que tipo de sensor existe para medir el trayecto de un flujo de solido en lugares donde no se puede filmar, o de alta polucion.
    Ejem.: dentro de una cañeria o dentro de una noria , de esta forma estamos queriendo saber por que se gastan las piezas de la forma en que lo hacen .
    da manera tal de poder modificar los parametros una ves que los conozcamos.
    Desde ya muchas gracias y agradecere la respuesta.
    Atte Maximiliano Ripoll

  7. Hola cordial saludo, actualmente estoy desarrollando un proyecto de investigación que tiene que ver con captura de movimientos de angulares de las articulaciones de las personas mientras usan una banda caminadora, estoy teniendo problemas con la medición con sensores magneto inerciales IMU’s, pues se inducen errores en la medición, que solo ocurre mientras se usa la caminadora, creemos que el problema es con el magnetómetro, alguien me puede recomendar que puedo hacer?
    Saludos

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