Sensores Inerciais - Parte 2

sensores inerciais
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Na primeira parte deste artigo, fizemos uma introdução a esta categoria de dispositivos baseados na tecnologia MEMS e descobrimos sua importância no controle de sistemas dinâmicos. Hoje entenderemos o princípio de funcionamento de acelerômetros e giroscópios MEMS e formaremos uma base para aprofundamento nesses dispositivos em artigos futuros.

Acelerômetros

Sensores de aceleração, mais conhecidos como acelerômetros, são o carro chefe dos sensores inerciais, já que são os mais utilizados e conhecidos. O desenvolvimento desses dispositivos, normalmente, é acompanhado da preocupação em se conseguir componentes menores e mais baratos, com sensoriamento tridimensional e processamento digital de sinais embarcado no próprio chip.

Há uma infinidade de acelerômetros disponíveis no mercado e, atualmente, eles são empregados em grande escala em produtos de grande produção, como automóveis, consoles de videogame, smartphones, monitores de atividade física, etc. Nessas aplicações, sensores menores e mais baratos são preferidos em detrimento a acelerômetros de alta performance.

A figura 1 exemplifica o conceito de funcionamento de um acelerômetro de dois eixos:

acelerômetro de dois eixos_edited
Figura 1: Estrutura de um acelerômetro de dois eixos.

 

 

Basicamente, uma massa de prova de silício é suspensa e suportada por molas, também de silício, conferindo a esta massa uma mobilidade conhecida. O acelerômetro, por estar fixado ao sistema a ser medido, sofrerá a ação das mesmas forças impostas a este sistema. Uma variação de velocidade provocará, pelo princípio da inércia, uma alteração entre a distância dos eletrodos fixos e dos eletrodos móveis ligados à massa de prova. Em repouso, as capacitâncias C1 e C2 são iguais. Sob efeito da aceleração, C1 e C2 variarão dependendo do sentido e intensidade das forças que provoquem essa mudança de estado inercial. Daí em diante, a microeletrônica assume a tarefa de tratar os sinais elétricos provenientes destas variações de capacitância.

Em aplicações que requerem maior resolução e estabilidade, como detecção de terremotos, sistemas de navegação inercial e obtenção de perfis de reflexão sísmica, o mais indicado é o uso de acelerômetros baseados em estruturas vibrantes. Mas vamos com calma! Trataremos detalhadamente sobre acelerômetros em artigos futuros.

Giroscópios

Giroscópios tornaram possível que o homem pisasse na Lua. Com apenas isso em vista, já podemos ter uma ideia da importância desse componente para a humanidade. É graças a ele, também, que aviões conseguem sobrevoar em regiões de visibilidade zero com segurança, dentre inúmeras aplicações. Enfim, giroscópios são dispositivos fundamentais para orientação de espaçonaves.

Estruturalmente, um giroscópio é similar a um acelerômetro, possuindo, também, uma massa de prova suportada por molas de silício. A principal diferença é que a velocidade angular é obtida medindo-se a força Coriolis exercida na massa vibrante, ou seja, o movimento do corpo de prova deve possuir, pelo menos, dois graus de liberdade.

Observe a estrutura de um giroscópio baseado em MEMS, capaz de medir a velocidade angular em torno de somente um eixo:

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Figura 2: Estrutura de um giroscópio de um eixo.

 

 

Há dois conjuntos de molas de silício: Kx, suportando a estrutura externa e conferindo mobilidade na direção do eixo x; e Ky permitindo uma constante vibração da parte interna na direção do eixo y, causada por atuadores eletrostáticos. A força Coriolis proveniente de uma rotação em torno do eixo z faz com que tanto a parte central quanto a parte externa da estrutura se movam na direção x. Este movimento da parte externa causa uma variação da capacitância entre eletrodos fixos e móveis conectados a esta parte da estrutura, mesmo princípio de funcionamento do acelerômetro explicado anteriormente. A grande vantagem do giroscópio se deve ao fato dele funcionar perfeitamente em ambientes de gravidade zero, o que permite seu uso em equipamentos desenvolvidos para exploração espacial.

E o que surge da combinação entre giroscópios e acelerômetros?

Vários giroscópios e acelerômetros podem ser combinados em um mesmo dispositivo gerando, assim, sistemas inerciais completos.

Um sistema composto por 3 giroscópios, capaz de medir a velocidade angular em três eixos ortogonais é conhecido como Unidade de Referência Inercial (IRU – Inertial Reference Unit), normalmente empregado em estabilização e direcionamento.

Adicionando a uma IRU a capacidade de se medir a aceleração em cada um dos três eixos através do uso de três acelerômetros, obteremos uma Unidade de Medida Inercial (IMU – Inertial Measurement Unit). Por poderem ser empregadas em sistemas de até 6 graus de liberdade (deslocamento linear e angular em cada um dos 3 eixos), IMU’s são amplamente utilizadas para estabilização, determinação de posicionamento e controle de voo. Apesar de não ser tão trivial, utilizando o cálculo integral (olha Newton aqui novamente!) podemos determinar a velocidade de um objeto a partir da aceleração e sua posição angular a partir da velocidade angular.

imu_multiaxial
Figura 3: IMU multiaxial baseado na abordagem "folded MEMS".

 

 

Finalmente, agregando a uma IMU um computador de navegação para processamento dos sinais de cada um dos 6 sensores, criamos um Sistema de Navegação Inercial (INS – Inertial Navigation System). Neste caso, não trata-se somente de um circuito integrado, mas sim de um sistema embarcado completo, capaz de realizar a fusão sensorial dos sensores inerciais através de algoritmos que agregam os dados de cada um dos sensores individuais e identificam um padrão de movimento, proporcionando dados de velocidade e posicionamento para controle de atitude e direção.

IRU IMU INS
Figura 4: Unidades inerciais.

 

 

Para finalizar, deixo aqui a indicação de um fantástico documentário intitulado Moon Machines. No vídeo abaixo, são apresentados os desafios enfrentados pelo MIT no desenvolvimento do computador de navegação do projeto Apollo, dentre outros obstáculos, como, por exemplo, o desenvolvimento de software em uma época na qual o conceito ainda nem existia. Vale a pena conferir!

 

Referências

TORRES, H. L. F. Sensores Inerciais – Parte 1. Disponível em: https://www.embarcados.com.br/sensores-inerciais-parte-1/

TORRES, H. L. F. MEMS – Sistemas Microeletromecânicos. Disponível em: https://www.embarcados.com.br/mems/

MAENAKA, K. MEMS Inertial Sensors and Their Applications. 5th International Conference on Networked Sensing Systems, pg. 71-73, 2008.

MAENAKA, K., et. al., Vibrating Beam Accelerometer with Hard Suspention Beams. Dig. of Tech. Papers., Transducers’07, pp. 1207-1210, 2007.

Coriolis Effect. Disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/Coriolis_effect

RANDALL, K. Gyro and Accelerometer Panel: 50 years of service to the inertial community. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 28, Issue 7, pg. 23-29, 2013.

Multiaxis Inertial Measurement Unit (IMU). Disponível em: https://www.eng.uci.edu/image/2010/12/multiaxis-inertial-measurement-unit-imu

Imagem de destaque: http://www.bosch-presse.de/presseforum/details.htm?txtID=2136&locale=en

 

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Henrique Torres
Engenheiro por vocação, me formei em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica pelo Centro Universitário da FEI em 2011. Desde então, venho trabalhando com desenvolvimento de hardware e firmware para sistemas embarcados, tendo adquirido experiência em processamento de sinais Radar, física de dispositivos semicondutores, projeto de sistemas embarcados em FPGA, com descrição e implementação de microcontroladores e periféricos em VHDL, entre outras. Amante do conhecimento, tenho por objetivo iniciar meu mestrado e, posteriormente, o doutorado, para então poder trabalhar com pesquisa e ensino. Quero fazer a diferença na vida das pessoas como Professor, Engenheiro e Pesquisador, educando e realçando a beleza do mundo através de minhas habilidades e virtudes, com o auxílio de minha família e meu violoncelo.

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Walisson AguasArduino - Interface com acelerômetro e giroscópio Recent comment authors
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Excelente Artigo! Parabéns!

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