John Chong, vicepresidente de desarrollo comercial y de productos de Kionix, analiza los conceptos básicos de la fusión de sensores de 9 ejes y detalla cuándo los giroscopios magnéticos son la solución adecuada. Chong también aborda la relación entre el Internet de las cosas y los sensores.
John Chong, vicepresidente de desarrollo comercial y de productos, Kionix
Podría decirse que esta es la era del ‘yo cuantificado’, con personas cada vez más ansiosas por cuantificar y rastrear todo sobre sus vidas. Integrado y combinado con el floreciente Internet de las cosas (IoT) que busca compartir información prácticamente en todas partes, la sociedad está entrando en un nuevo era de la tecnología impulsada por la disponibilidad de tecnología barata y ubicua. Está claro que hay Informática y conectividad. En el centro de esta tendencia se encuentran los datos sobre las personas y el mundo que las rodea. Una extensión lógica de estas tendencias es la detección ubicua, ya que las fuentes de estos datos son los sensores.
Los sensores están siguiendo a la computación en el sentido de que los avances tecnológicos están permitiendo que los sensores se vuelvan más pequeños y móviles. Además de los teléfonos inteligentes, los nuevos autodispositivos cuantificados se encuentran en forma de monitores de salud y estado físico, auriculares y cascos, dispositivos electrónicos portátiles y equipos deportivos. Múltiples analistas de mercado predicen un aumento significativo en el mercado de dispositivos y aplicaciones de vigilancia que permiten a los usuarios medir y monitorear docenas de parámetros como el movimiento, el movimiento y la forma, el conteo de pasos, la cadencia, el swing, el reconocimiento de gestos, etc. IHS Electronics & Media pronostica que el mercado de monitoreo de desempeño alcanzará los $2.3 mil millones en 2017, con más de 250 millones de estos dispositivos enviados acumulativamente entre 2012 y 2017.
Se están mejorando los sensores discretos y combinados de los innovadores proveedores de la industria de sensores inerciales de sistemas microelectromecánicos (MEMS) para satisfacer la creciente demanda de estos dispositivos por parte de los consumidores. Para respaldar capacidades cada vez más inteligentes y mejoradas, los tres dispositivos se combinan a través de algoritmos de fusión de sensores inteligentes para proporcionar la base para la conciencia de movimiento y orientación. Estos dispositivos (acelerómetro de 3 ejes, magnetómetro de 3 ejes, giroscopio de 3 ejes) están integrados como una unidad de medición inercial (IMU) de 9 ejes para detección de orientación de pantalla, reconocimiento de gestos, juegos interactivos, conteo de pasos, navegación personal, caída libre detección. Sin embargo, incluir los tres sensores en un nuevo diseño de dispositivo presenta desafíos en términos de mayor consumo de energía, espacio en la placa y costo. Una nueva categoría de sensores de 6 ejes que ofrecen capacidad de 9 ejes está surgiendo como una opción de diseño valiosa y viable para los fabricantes de equipos originales (OEM) en el mercado de productos electrónicos de consumo. Estos productos combinados benefician en gran medida a los fabricantes de productos electrónicos de consumo al reducir el espacio total de la placa, el costo y el consumo de energía. Por lo tanto, los fabricantes pueden incorporar sensores de movimiento en una variedad más amplia de productos.
Los giroscopios tradicionales ofrecen un buen rendimiento y características importantes, pero son los más grandes, los más caros y los que consumen más energía de los tres tipos de sensores. Esto limita el uso de giroscopios en muchos productos móviles. Hoy en día, los sensores de 6 ejes combinados con el software Smart Fusion brindan a los diseñadores de productos una alternativa de bajo consumo, bajo costo y tamaño amigable a los giroscopios tradicionales, y nuevas oportunidades para incorporar la funcionalidad basada en giroscopios en sus productos. Este artículo muestra los beneficios de integrar una solución de 6 ejes que proporciona la misma potencia de salida que una de 9 ejes y consume hasta un 90 % menos de energía. También mostramos que esta solución, que utiliza lo que se llama un giroscopio magnético (o MagGyro para abreviar), no solo es una excelente alternativa a los giroscopios tradicionales, sino que también se puede usar para extender y ajustar los giroscopios tradicionales.
Fundamentos de la fusión de sensores de 9 ejes y giroscopio magnético
Normalmente se utilizan tres sensores diferentes para representar con precisión el movimiento y la orientación: acelerómetros, magnetómetros y giroscopios. Los acelerómetros miden la aceleración lineal y la dirección con respecto a la gravedad, mientras que los magnetómetros detectan el campo magnético terrestre y se utilizan para orientarse en relación con el norte magnético. Los sensores necesarios para el movimiento y la orientación se completan con giroscopios que miden la velocidad de rotación y detectan cambios en cabeceo, balanceo y guiñada.
El software de fusión de sensores combina de forma inteligente datos de sensores individuales para mejorar el rendimiento de la aplicación o del sistema. Un buen ejemplo de fusión de sensores es el propio MagGyro. Este es un sensor de 6 ejes que puede generar mediciones de velocidad angular, así como proporcionar información sobre la aceleración y el campo magnético. La gravedad es una forma de aceleración, por lo que se puede usar un acelerómetro para detectar la orientación relativa a la gravedad (hacia arriba o hacia abajo). Un magnetómetro acoplado con un acelerómetro puede formar una brújula electrónica que determina la dirección relativa al norte magnético (norte, sur, este, oeste). Esto proporciona la orientación del dispositivo en el espacio 3D. Dado que la velocidad angular es solo un cambio de dirección, el software de fusión de sensores puede monitorear la orientación y calcular la velocidad angular, emulando así el comportamiento de un giroscopio físico. Esto no es posible de forma extraterrestre, pero para aplicaciones terrestres proporciona la salida de 9 ejes equivalente a la que proporcionan las soluciones tradicionales de 3 sensores.
Una solución de 9 ejes con MagGyro es una gran adición a la caja de herramientas de un diseñador de sistemas debido a lo que el diseñador puede lograr. Si bien el concepto no es nuevo, ha sido difícil para muchos proveedores de sensores ofrecer soluciones con los niveles de rendimiento requeridos por las aplicaciones actuales. Esto se debe a que el rendimiento de esta solución depende en gran medida de la calidad de los componentes. Los acelerómetros, los magnetómetros y el software de fusión de sensores deben optimizarse para obtener giroscopios magnéticos efectivos.
Las propiedades más importantes de los acelerómetros y magnetómetros son el ruido y la estabilidad. Dado que el software de fusión de sensores los utiliza como base para los cálculos de la velocidad angular, los errores en la aceleración y el campo magnético afectan la precisión de la velocidad angular. Además, la latencia de medición y la sincronización de lecturas de acelerómetros y magnetómetros son fundamentales. La diferencia de tiempo entre las lecturas puede aparecer como un error en la salida del giroscopio y es la razón principal por la que los acelerómetros y los magnetómetros se emparejan como un producto combinado.
El software también requiere una consideración especial, ya que realiza muchas de las funciones que hacen que MagGyro sea viable. El filtrado inteligente de ruido, la identificación y mitigación de anomalías magnéticas y las compensaciones entre precisión y capacidad de respuesta son todos aspectos de la implementación que son importantes para el rendimiento y la experiencia del usuario final. Además, el software debe ser eficiente tanto en términos de tamaño de código como de utilización del procesador para no perder los beneficios proporcionados por MagGyro.
El consumo de energía es la principal razón por la que los giroscopios físicos no se utilizan en muchas aplicaciones. Según la comparación específica, una solución de 9 ejes con MagGyro reduce el consumo de energía entre 5 y 10 veces. Por ejemplo, el MagGyro de Kionix funciona a 950 µA (sensor de 450 µA + software de 500 µA), lo que ofrece una reducción de potencia 5 veces mayor en comparación con un giroscopio físico independiente que funciona a 5000 µA. Además, la mayoría de los sistemas con giroscopios físicos ya incluyen acelerómetros y magnetómetros, por lo que para comparar el consumo de energía de una solución de 9 ejes con giroscopios físicos y una solución con MagGyro, debe comparar la corriente y el consumo de energía del giroscopio físico. El software MagGyro (500 µA) brinda una reducción significativa de 10 veces.
¿Cuándo es la solución MagGyro la solución adecuada?
La respuesta es que depende de los requisitos, necesidades y limitaciones de su aplicación. A medida que las capacidades de detección se trasladan a los objetos que transportamos, usamos y vestimos, existen muchas aplicaciones nuevas que pueden beneficiarse de la información del giroscopio. Piense en los movimientos de nuestras articulaciones, desde el giro de nuestra cabeza hasta la rotación de nuestras muñecas y la extensión de nuestras rodillas. Muchos movimientos humanos son de naturaleza rotacional. Sin embargo, a medida que los teléfonos inteligentes se hacen más grandes, vemos la tendencia opuesta en los dispositivos más nuevos. Esto se debe a que los objetos que usa o lleva deben ser pequeños, livianos e inalámbricos.
Es cierto que MagGyro no es tan preciso como un giroscopio físico, pero ofrece mucha precisión para muchos diseños al mismo tiempo que brinda beneficios significativos. De hecho, la pregunta para los diseñadores de sistemas a menudo se reduce a incluir un giroscopio físico, en lugar de usar un MagGyro. Una implementación de MagGyro siempre es beneficiosa. En muchos diseños, se puede usar en lugar de los giroscopios físicos, lo que reduce el costo, el tamaño y la carga de energía asociados con los giroscopios físicos. En otros casos, combinar un MagGyro con un giroscopio físico proporciona claras ventajas. Las aplicaciones que usan giroscopios físicos también incluyen acelerómetros y magnetómetros, por lo que incluir MagGyro en un giroscopio físico cuesta poco más. Puede equilibrar de forma inteligente el rendimiento y el consumo de energía al proporcionar una salida de giroscopio en situaciones en las que el giroscopio físico se apaga para ahorrar energía. También se puede utilizar en situaciones en las que se requiere la precisión de un giroscopio físico. MagGyro se utiliza para extender y mejorar el giroscopio físico ajustando el sesgo y la sensibilidad del giroscopio físico.
La penetración en el mercado de las IMU continúa creciendo a medida que satisfacen las necesidades de los diseñadores de productos que deben mantenerse al día con la creciente demanda de dispositivos más inteligentes. La flexibilidad que ofrece la solución de 9 ejes con giroscopio magnético proporciona una adición significativa a la caja de herramientas del diseñador del sistema y abre nuevas oportunidades de aplicación que, en última instancia, conducen a un crecimiento positivo del mercado.