Saiba mais sobre as IMUs – Unidades de Medida Inercial

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Minha infância foi há muito tempo atrás. Sem eletrônicos portáteis, sem videogames, sem dispositivos portáteis. Em vez disso, era uma época de brincar com Play-Doh, Silly Putty, Magic 8-Ball, Frisbee e Slinky. Um brinquedo de que me lembro com carinho é o Mattel Wiz-z-zer. É essencialmente um girostato, uma roda giratória dentro de uma caixa, um brinquedo que apresentou o pião às crianças modernas (Figura 1). A torção usava um rolamento super-giratório de alta tecnologia que permitia que o pião girasse a uma velocidade muito alta para que pudesse permanecer parado por um longo período de tempo. Ainda posso ouvir o som que faria quando o acelerava para girar em alta velocidade antes de soltá-lo para girar livremente pelo chão.

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Figura 1: Pião(Source: RODRIGO SAINZ/Shutterstock.com)

Este super-giroscópio é um giroscópio modificado. Um giroscópio permanece em pé enquanto gira devido à conservação de seu momento angular (Newton (1687), Laplace (1799), Foucault (1852), Rankine (1858), outros). Por causa desse fenômeno, os giroscópios podem ser empregados para medir ou manter a orientação e a velocidade angular.

MEMS

Os projetos eletrônicos modernos de hoje adotaram esse conhecimento mecânico e o transformaram em um sensor. Tal sensor pode ser fabricado empregando sistemas microeletromecânicos (MEMS). A tecnologia de sensor MEMS permite a fusão de sensores por meio da qual vários sensores e soluções de software são empacotados como um só CI (Circuito Integrado). Assim, ajuda a fornecer soluções em diversos setores, incluindo tecnologia da informação e comunicação (TIC), Internet das Coisas (IoT) e automotivo. O fabricante de semicondutores calibra essas soluções integradas e utiliza compensação incorporada e processamento de sensor, além de uma interface programável simples.

Na vanguarda da humanização da tecnologia de sensores MEMS está o TDK InvenSense. A InvenSense faz parte da Sensor System Business Company dentro da TDK. É líder do setor em soluções de movimento, áudio e pressão de MEMS para os segmentos de mercado de consumo, industrial, automotivo e IoT. Com um portfólio robusto de sensores de movimento de eixo MEMS 3/6/7/9, acompanhados pelos microfones de áudio MEMS de mais alto desempenho e sensores de pressão, a TDK continua a expandir os limites de desempenho e qualidade, estabelecendo novos padrões de inovação em vários setores. Vamos examinar como as unidades de medição inercial MEMS (IMUs) da TDK InvenSense ajudam os engenheiros de projeto a se manterem alinhados onde os dispositivos e sensores estão posicionados.

IMUs

A tecnologia MEMS permite combinações multi-eixos de giroscópios de precisão, acelerômetros, magnetômetros e sensores de pressão a serem montados em um dispositivo. Dispositivos integrados que empregam esses tipos de sensores são freqüentemente chamados de unidades de medição inercial (IMUs). IMUs são dispositivos eletrônicos que medem e relatam a força específica de um corpo, a taxa angular e, muitas vezes, a orientação do corpo. Isaac Newton (1642-1726 / 27) descreveu a inércia como a primeira das Leis do Movimento (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural, 1687) definindo-a desta forma: “Todo corpo persevera em seu estado de repouso, ou de movimento uniforme em um linha reta, a menos que seja compelido a mudar esse estado por forças nele impressas. ” A tecnologia MEMS detecta e processa de forma confiável vários graus de liberdade (DoF), mesmo em aplicações altamente complexas e sob condições dinâmicas.

Multiple Degrees of Freedom

Um critério vital na seleção de IMU são os graus de liberdade. IMUs estão comumente disponíveis com especificações de dois a 10 graus de liberdade.

A palavra liberdade significa coisas diferentes em contextos diferentes. Neste caso, não estamos falando sobre liberdade de escolha pessoal ou liberdade política, mas sim no contexto da física, especificamente da mecânica. Em mecânica, os graus de liberdade correspondem aos componentes de translação e rotação que definem sua configuração ou estado. Por exemplo, para um corpo rígido no espaço, tanto a translação quanto a rotação têm três componentes, resultando em um total de seis graus de liberdade (Figura 2).

  • Translação: para cima / para baixo
  • Translação: esquerda / direita
  • Tradução: para frente / para trás
  • Rotação: Esquerda / Direita (Yaw)
  • Rotação: lado a lado (roll)
  • Rotação: para frente / para trás (inclinação)
Figura 2: Seis graus de liberdade. Possibilidades de movimento em um corpo rígido no espaço. Pra frente, pra trás, direita, esquerda, pra cima, pra baixo e giro nos três eixos. (Source: Peter Hermes Furian/Shutterstock.com)

Os acelerômetros (medem a mudança de velocidade → obtêm a posição) e os giroscópios (medem a velocidade angular → medem a orientação) podem ser combinados para coletar informações que permitem ao dispositivo computar até seis graus de liberdade. Então, de onde vem a ideia de mais de seis graus de liberdade? Os fornecedores de IMUs notaram que podem obter um desempenho aprimorado se empregarem mais fusão de sensores. Eles adicionam outro sensor para melhorar suas leituras, reduzir erros e obter dados adicionais atraentes para oferecer suporte a ajustes internos e compensação. Adicionar um magnetômetro fornece novas informações sobre o sensor. O magnetômetro detecta o campo magnético da Terra, fornecendo dados que permitem que o rumo direcional seja obtido. Quando essas informações são fundidas por sensor com o acelerômetro e o giroscópio, os fabricantes de sensores dizem que têm mais três graus de liberdade. Assim, nasce uma IMU de nove graus de liberdade.

Para ser claro, isso é uma mistura de termos. Tecnicamente, a física define seis graus de liberdade. No entanto, o dispositivo IMU emprega três sensores diferentes em três eixos separados em um esquema de fusão de sensores, trazendo nove entradas de sensores para a solução.

Anteriormente, afirmei que algumas IMUs vêm com 10 graus de liberdade. Acabei de explicar nove. Como alguém chega a 10?

Simples, adicione outro sensor. Nesse caso, adicionar um sensor de pressão barométrica fornecerá mais informações. Incorporar um sensor barométrico agora leva ao que é denominado pelos fabricantes de IMU como 10 graus de liberdade:

  • Acelerômetro: 3 graus de liberdade
  • Giroscópio: 3 graus de liberdade
  • Magnetômetro: 3 graus de liberdade
  • Barômetro (pressão): 1 grau de liberdade
  • Total: 10 graus de liberdade

Conclusão

Ao contrário de muitos brinquedos da minha juventude, a eletrônica moderna exige cada vez mais sensores. A fusão de sensores combina vários sensores e soluções de software que permitem ICT, IoT e automotivo. Você aprendeu como IMUs combinam vários sensores em um dispositivo monolítico integrado. Como um pião, espero ter esclarecido que o TDK InvenSense é o melhor lugar para procurar, para que você perceba os benefícios das IMUs em seu próximo projeto.

Artigo escrito por Paul Golata e publicado no blog da Mouser Electronics: Set Yourself Straight on Inertial Measurement Units (IMUs)

Traduzido por Equipe Embarcados.Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

Mouser Electronics é um dos líderes mundiais em distribuição de semicondutores e componentes eletrônicos e distribuidor autorizado de mais de 500 fornecedores líderes da indústria. Nosso foco é a excelência em serviço ao cliente, oferendo rápida entrega e embarque imediato com a precisão no processo, desde a colocação dos pedidos até a sua entrega. Mouser oferece uma ampla seleção de produtos em estoque para rápido envio a mais de 170 países.

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Fabio Luiz
Fabio Luiz
02/08/2021 08:23

Show de explicação obrigado por compartilhar !!!

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