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¿Qué es un acelerómetro y cómo funciona?
Los acelerómetros son uno de los tipos de sensores utilizados en la mayoría de los sistemas de navegación inercial. Como puedes adivinar por su nombre, son sensores de aceleración que miden la aceleración, no la velocidad.
Dependiendo del tiempo que haga que no te ocupas de las propiedades físicas de los objetos, recordarás que la unidad SI de aceleración es m/s² (metros por segundo al cuadrado). Un valor de 1 m/s² significa que, por cada segundo adicional que pase, la velocidad de un objeto aumentará 1 m/s (metro por segundo).
Aunque un sistema de navegación inercial no mide directamente la velocidad, al registrar la aceleración y su duración, el INS puede calcular fácilmente la velocidad multiplicando la aceleración por el tiempo.
Por ejemplo, si viera una aceleración de 2,5 m/s² durante 5 segundosy suponiendo que la velocidad inicial fuera 0 m/sentonces el SIN debe tener ahora una velocidad de 12,5 m/s (2,5 m/s² × 5 s = 12,5 m/s).
También se puede calcular la distancia. Se calcula utilizando s = 0,5 × at²
donde:
- s es la distancia
- a es la aceleración
- t es el tiempo
En este caso, suponiendo que el sistema de navegación inercial viera la aceleración en el eje x, podría calcular que se ha movido hacia delante 31,25 metros (0,5 × 2,5 m/s² × 5 s² = 31,25 m).
Así que tener tres acelerómetros es muy útil, especialmente cuando están dispuestos de forma perpendicular entre sí, porque permiten al INS medir la aceleración en el espacio tridimensional y calcular la distancia recorrida, así como la velocidad actual. Sin embargo, algo que suele confundir a la gente cuando ve por primera vez los datos de salida de un acelerómetro de tres ejes es por qué un eje que apunta hacia abajo muestra una aceleración de -9,81 m/s². Para responder a esta pregunta tenemos que ver cómo funcionan los acelerómetros y qué miden en realidad.
Llegados a este punto, puede que pienses: "¡Espera! Antes has dicho que los acelerómetros miden la aceleración". Aunque es cierto que los acelerómetros miden la aceleración, no queríamos confundir diciendo que lo que miden los acelerómetros es en realidad la aceleración relativa a la caída libre, y por eso un acelerómetro vertical en reposo muestra una lectura de -9,81 m/s². No te preocupes si esto aún no tiene sentido, la siguiente sección lo explica.
¿Qué miden los acelerómetros?
¿Qué miden los acelerómetros? Seguro que has oído alguna vez el nombre de Sir Isaac Newton y recuerdas que escribió algunas leyes del movimiento. La primera regla de Newton nos dice que, a menos que actúe una fuerza sobre un objeto, éste permanecerá inmóvil o seguirá moviéndose a la misma velocidad. En otras palabras, para que algo se mueva o cambie de velocidad, hay que aplicar una fuerza. Su segunda regla describe cómo la aceleración de un objeto está relacionada con la fuerza que actúa sobre él y la masa del objeto. Se puede resumir como fuerza = masa × aceleración (F = ma).
Los acelerómetros miden la aceleración relativa a la caída libre utilizando el principio descrito en la segunda ley del movimiento de Newton. Es decir, los acelerómetros miden la fuerza relativa que actúa sobre una masa conocida y la utilizan para calcular la aceleración que debe experimentar. Para entenderlo, empecemos por dibujar un sensor de acelerómetro sencillo.
En la imagen, podemos ver que el acelerómetro contiene una masa conocida, que está unida a un transductor capaz de medir la fuerza. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la masa está restringida dentro de la carcasa del acelerómetro y sólo puede moverse hacia la izquierda o hacia la derecha, lo que define el eje de medición del acelerómetro.
¿Cómo funcionan los acelerómetros?
¿Cómo funcionan los acelerómetros en el mundo real? La siguiente imagen muestra lo que ocurre cuando colocamos un sensor acelerómetro en un coche. El coche se muestra en cuatro estados: estático, acelerando, circulando a velocidad constante y frenando. Puedes ver lo que le ocurre a la masa dentro del acelerómetro en cada situación.
Estática
Mientras el coche está estático, la masa permanece en su posición central, ya que no actúa ninguna fuerza sobre ella (al menos no a lo largo de su eje de medida).
Crucero
Mientras el coche circula a velocidad constante, los transductores no detectan ninguna fuerza y el acelerómetro, por tanto, la masa no registra ninguna aceleración, como ocurre con el coche estático.
Acelerar
Cuando el coche acelera y frena, la masa se mueve. Al acelerar se desplaza hacia la parte trasera del sensor.
Frenado
Al frenar, la masa se desplaza hacia la parte delantera. Cuanto más frena y acelera el coche, más se desplaza la masa.
Cada vez que la masa se desplaza, los transductores que miden la fuerza registran un valor. Como el sensor conoce la masa y la fuerza que actúa sobre esa masa, puede calcular fácilmente la aceleración que debe estar provocando el desplazamiento de la masa.
Aunque esto parece bastante lógico, no explica por qué un acelerómetro colocado verticalmente en el suelo genera un valor de 9,81 m/s² a pesar de que el suelo claramente no se está moviendo. Y, sin embargo, un acelerómetro en caída libre, que claramente se está acelerando mientras cae por el cielo, ¿muestra una aceleración cero? La respuesta se muestra aquí.
Este acelerómetro está en el suelo. La gravedad actúa tanto sobre la carcasa como sobre la masa de su interior, pero ninguna de las dos está en caída libre porque el suelo impide que la carcasa se mueva y, por tanto, la restricción de la carcasa impide que la masa se mueva también (a menos que intente moverse de lado a lado).
En este caso, el suelo impide que la gravedad tire de la carcasa del acelerómetro hacia abajo, por lo que la carcasa no está en caída libre.
Sin embargo, la masa suspendida en el acelerómetro sí lo está. Puede moverse porque el acelerómetro se ha girado para que su eje de medición coincida con el plano por el que actúa la gravedad.
La cantidad de fuerza aplicada a la masa será igual a la aceleración debida a la gravedad, por lo que el sensor indicará -981 m/s². Por tanto, aunque el acelerómetro no se acelere, las fuerzas que actúan sobre la masa y la carcasa son claramente diferentes.
Este acelerómetro está en caída libre. Ignorando la resistencia, la única fuerza que actúa tanto sobre la masa como sobre la carcasa del sensor es la gravedad.
Así, aunque el eje de medición esté orientado de forma que debería medir la aceleración de la gravedad, el sensor leerá 0 m/s² porque tanto la masa como la carcasa están en caída libre. Por lo tanto, no hay diferencia relativa. O para verlo de otra manera, tanto la carcasa como la masa se están acelerando a la misma velocidad, por lo que no hay diferencia relativa que medir.
En resumen, los acelerómetros son excelentes para medir el movimiento en línea recta, pero no sirven para medir la rotación. giroscopios entrar.
Todos los dispositivos GNSS/INS de OXTS utilizan mediciones de acelerómetros para medir la aceleración en el espacio tridimensional. Puede obtener más información sobre dos de nuestros dispositivos GNSS/INS más recientes aquí - RT3000 v4 y xRED3000.
