Este artículo describe cómo los sensores de inercia MEMS, como los giroscopios y los acelerómetros, pueden ayudar a alguien o algo a superar la desorientación espacial. Analiza cómo las fuerzas externas y el movimiento afectan el comportamiento del sistema y cómo la ubicación de los componentes y las condiciones de montaje (relaciones espaciales) afectan directamente el rendimiento de los sensores de inercia MEMS.
prólogo
Este documento presenta problemas relacionados con la desorientación espacial y motora. También se incluye el papel de los sensores de inercia microelectromecánicos (MEMS) para abordar este problema. También discutimos los obstáculos más comunes que impiden que MEMS recopile los datos más precisos.
Los niños y los perros giran y controlan los movimientos gimnásticos sin esfuerzo. Uno podría pensar que esto es tan fácil como un “juego de niños” hasta que intentas conseguir una máquina o un robot para replicar esta hazaña. El sistema de orientación humana es increíblemente complejo y hace un gran trabajo cuando está en el suelo. Por el contrario, pilotar un avión nos sitúa en un entorno tridimensional desconocido. Esto, combinado con señales de orientación visual reducidas, puede dificultar o imposibilitar el manejo de la (des)orientación espacial. Puede atribuirse a la ataxia, el 90% de los cuales son fatales.
Los sensores de inercia microelectromecánicos (MEMS) son sensibles al movimiento por diseño. Detectan y procesan con eficacia la aceleración lineal, el rumbo magnético, la altitud y la información de velocidad angular. Para aprovechar al máximo el rendimiento potencial de los sensores inerciales, los diseñadores deben conocer todo el sistema mecánico y prestar mucha atención a las fuentes de movimiento y resonancias de su aplicación.
Este artículo describe cómo los sensores de inercia MEMS, como los giroscopios y los acelerómetros, pueden ayudar a alguien o algo a superar la desorientación espacial. Analiza cómo las fuerzas externas y el movimiento afectan el comportamiento del sistema y cómo la ubicación de los componentes y las condiciones de montaje (relaciones espaciales) afectan directamente el rendimiento de los sensores de inercia MEMS. Dadas las diferentes configuraciones potenciales del sistema (tamaño de placa, materiales, métodos de montaje, etc.), los diseñadores deben adaptar su solución única para cada aplicación. He aquí cómo hacerlo: Detectar y mitigar señales de inercia falsas. Se presentan consejos prácticos para mejorar el funcionamiento de los sistemas de sensores donde y cuando los entornos del mundo real presenten señales de locomotoras y resonancias del sistema indeseables.
Comprender el equilibrio, la humanidad
Comience hablando de equilibrio. Considere el oído humano. En la Figura 1, la cóclea es el órgano de la audición. El tímpano impulsa la cóclea a través de algunos de los huesos más pequeños de nuestro cuerpo. La cóclea contiene pequeños vellos, o cilios, y está llena de líquido. Cuando la cóclea se mueve, el fluido no se mueve debido a la inercia. Los cilios detectan esta diferencia de movimiento y envían impulsos nerviosos al cerebro que se interpretan como sonido.
El oído humano también contiene un sistema de detección de movimiento para el equilibrio, también conocido como equilibrio. Tres canales semicirculares, que actúan como giroscopios verticales, detectan y envían señales impulsivas sobre el estado de equilibrio al cerebro. Desafortunadamente, hay límites en la forma en que percibimos el movimiento.
Ignore los movimientos de menos de 2 grados por segundo. Cualquier movimiento suave que dure más de 20 a 25 segundos dará como resultado que no se detecte movimiento. Estas limitaciones humanas pueden causar confusión. Hay otros dos órganos sensoriales en el oído interno. El utrículo detecta la aceleración lineal y el sáculo detecta la gravedad. Los cinco sensores en sus oídos lo ayudan a mantener el equilibrio o el equilibrio al informarle a su cerebro sobre la posición y el movimiento de su cuerpo. Esto, junto con nuestros ojos, nos ayuda a mantener el equilibrio y mantener la vista en los objetos durante los movimientos de la cabeza y las rotaciones del cuerpo.
Sensores inerciales MEMS al rescate
El cuerpo humano puede ser engañado y, en algunos casos, debe depender de ayudas externas para mantener el equilibrio. El cuerpo es propenso a la desorientación espacial, por lo que los sensores de inercia MEMS ofrecen una solución. Los sensores inerciales correctamente montados establecen la referencia de un sistema de coordenadas inerciales para ayudar a los usuarios a determinar la dirección y el movimiento. Con estos dispositivos, se puede evitar un reconocimiento potencialmente defectuoso.
Para garantizar la robustez operativa de los sensores inerciales, deben montarse y orientarse correctamente. Existen buenas técnicas de diseño para ensamblar sensores inerciales que, cuando se aplican correctamente, producen sistemas de alto rendimiento.
Consideraciones de ubicación
Comencemos con la orientación. Colocar un sensor de inercia con respecto a algún dato (normalmente se hace con referencia al lado de la placa de circuito impreso seleccionado) y mantener su posición durante el proceso de reflujo de montaje en superficie es una tarea difícil. Además, cada nivel de ensamblaje (sensor a paquete, paquete a PCB, PCB a carcasa, etc.) aumenta los errores de alineación. La orientación del conjunto del sensor (en relación con el marco de inercia) establece la precisión del sistema, por lo que aquí se debe minimizar el error. La figura 2 muestra el error de orientación imperfecto. El software puede ajustar la desalineación, pero los efectos de orden superior pueden degradar el rendimiento del sensor si esta fuente de error no se limita.
El estrés termomecánico es una fuente potencial de error. Puede exponerse como un gradiente térmico a través del sensor de inercia, causando estrés en el paquete, o transferir estrés al sensor de inercia como un gradiente térmico dentro de la PCB. Estos efectos térmicos pueden ser difíciles de distinguir y, a veces, ambos están presentes. Como resultado, puede ocurrir estrés en el paquete, lo que resulta en errores de rendimiento de sensibilidad y sesgo (o compensación). Idealmente, la ubicación de los dispositivos críticos de generación de calor debería estar lejos de los sensores de inercia. En el mundo del diseño de PCB compacto, este criterio puede ser difícil de cumplir. Independientemente, se debe hacer todo lo posible para colocar los sensores de inercia lejos de las fuentes de calor para minimizar los gradientes térmicos.
Consideraciones del sistema mecánico
Las fuentes externas de movimiento (señales de inercia, golpes, vibraciones, etc.) pueden excitar involuntariamente resonancias en la placa de circuito impreso. En el peor de los casos, puede ocurrir una señal de inercia virtual que es un artefacto de la resonancia del sistema. Estas señales espurias actúan como ruido, enmascarando señales de interés (por ejemplo, movimiento y/o vibración). Cuando se producen condiciones de resonancia, la posición del sensor de inercia en relación con la posición de la onda de cresta del nodo valle en la PCB puede degradar la detección de la señal.
La Figura 3 muestra dos ubicaciones posibles del sensor de inercia en la PCB, destacando el primer modo resonante. La posición inferior izquierda muestra el sensor en la región nodal (turquesa). Aquí es donde la señal de velocidad angular asociada con la resonancia se reduce en comparación con el sensor en la parte superior derecha de la PCB. Un segundo sensor de inercia está ubicado en el borde entre la región nodal y la pendiente hacia el canal (mostrado en azul oscuro). Este sensor está en una posición desequilibrada y tiende a corromper las señales de velocidad angular y aceleración en condiciones de resonancia excitada.
Aunque hay muchas técnicas disponibles para mitigar las resonancias de PCB (por ejemplo, endurecimiento de la placa, amortiguación del sistema, aislamiento de vibraciones), se debe realizar un análisis exhaustivo de todo el sistema mecánico. Se debe realizar un análisis de elementos finitos (FEA) para identificar todos los modos de resonancia potenciales y sus frecuencias y Qs asociados. A continuación, puede implementar buenas técnicas de diseño para mejorar el rendimiento.
Conclusión
Estudiamos el movimiento y comprendimos la importancia de los sensores de inercia MEMS para ayudar a superar la desorientación espacial. También discutimos cómo el rendimiento de los sensores de inercia MEMS puede verse afectado negativamente por una colocación, condiciones de montaje y resonancias del sistema inadecuadas y no ideales.
Maxim Integrated ofrece productos de sensores inerciales que son altamente precisos y estables. Por ejemplo, el MAX21100 es un giroscopio monolítico de 3 ejes y una unidad de medición inercial (IMU) de acelerómetro de 3 ejes con fusión de sensor de 9 ejes integrada mediante un motor de combinación de movimiento (MME) patentado. Este dispositivo es ideal para aplicaciones de teléfonos móviles y tabletas, controladores de juegos, controles remotos de movimiento y otros dispositivos de consumo.
Al seguir las consideraciones de diseño adecuadas, es posible “navegar” por estas ocurrencias “rocosas” y lograr el rendimiento esperado de los sensores de inercia MEMS.