miniatura|Giroscopi vibratori de Coriolis d'InnaLabs, IAV 2020. Un giroscopi d'estructura vibrant (VSG), definit per l'IEEE com a giroscopi vibratori de Coriolis (CVG), és un giroscopi que utilitza una estructura vibrant (en oposició a una rotació) com a referència d'orientació. Un giroscopi d'estructura vibrant funciona de manera molt semblant als halters de les mosques (insectes de l'ordre Diptera).
El principi físic subjacent és que un objecte vibrant tendeix a continuar vibrant en el mateix pla fins i tot si el seu suport gira. L' efecte Coriolis fa que l'objecte exerceixi una força sobre el seu suport i, mesurant aquesta força, es pot determinar la velocitat de rotació.
Els giroscopis d'estructura vibrant són més senzills i econòmics que els giroscopis rotatius convencionals de precisió similar. Els giroscopis d'estructura vibrant econòmics fabricats amb tecnologia de sistemes microelectromecànics (MEMS) s'utilitzen àmpliament en telèfons intel·ligents, dispositius de jocs, càmeres i moltes altres aplicacions.
Teoria de funcionament Considereu dues masses de prova que vibren en el pla (com en el giroscopi MEMS) a la freqüència L'efecte Coriolis indueix una acceleració sobre les masses de prova igual a , on és una velocitat i és una velocitat angular de rotació. La velocitat en el pla de les masses de prova ve donada per , si la posició en el pla ve donada per El moviment fora del pla , induïda per rotació, ve donada per:
on
és una massa de la massa de prova, és una constant de ressort en la direcció fora del pla, és una magnitud d'un vector de rotació en el pla del moviment de la massa de prova impulsada i perpendicular al mateix.
marc|Representació esquemàtica d'una configuració de làser circular. A la ubicació de mostreig del feix, una fracció de cadascun dels feixos contrapropagants surt de la cavitat del làser.
Implementacions Giroscopi ressonador cilíndric (CRG) Aquest tipus de giroscopi va ser desenvolupat per GEC Marconi i Ferranti a la dècada del 1980 utilitzant aliatges metàl·lics amb elements piezoelèctrics adjunts i un disseny piezoceràmic d'una sola peça. Posteriorment, a la dècada del 1990, l'empresa americana Inertial Engineering, Inc. a Califòrnia va produir CRG amb excitació i lectura magnetoelèctriques, i Watson Industries en va produir variants piezoceràmiques. Una variant recentment patentada per Innalabs utilitza un ressonador de disseny cilíndric fet d'un aliatge tipus Elinvar amb elements piezoceràmics per a l'excitació i la captació a la part inferior.
Aquesta tecnologia va permetre una vida útil del producte substancialment augmentada (MTBF > 500.000 hores); amb la seva resistència als cops (>300 g), hauria de ser apta per a aplicacions "tàctiques" (de precisió mitjana).
El ressonador funciona en el seu mode ressonant de segon ordre. El factor Q sol ser d'uns 20.000; això predetermina el seu soroll i els seus moviments aleatoris angulars. Les ones estacionàries són oscil·lacions de forma el·líptica amb quatre antinodes i quatre nodes situats circumferencialment al llarg de la vora.
L'angle entre dos antinodes adjacents és de 45 graus. Un dels modes ressonants el·líptics s'excita a una amplitud prescrita. Quan el dispositiu gira al voltant del seu eix sensible (al llarg de la seva tija interior), les forces de Coriolis resultants que actuen sobre els elements de massa vibrants del ressonador exciten el segon mode ressonant. L'angle entre els eixos principals dels dos modes també és de 45 graus.
Un bucle tancat porta el segon mode ressonant a zero, i la força necessària per anul·lar aquest mode és proporcional a la velocitat de rotació d'entrada. Aquest bucle de control es denomina mode de reequilibri de força.
Els elements piezoelèctrics del ressonador produeixen forces i detecten moviments induïts. Aquest sistema electromecànic proporciona el baix soroll de sortida i l'ampli rang dinàmic que requereixen les aplicacions exigents, però pateix sorolls acústics intensos i sobrecàrregues elevades.
Giroscopis piezoelèctrics Es pot induir un material piezoelèctric a vibrar i es pot mesurar el moviment lateral a causa de la força de Coriolis per produir un senyal relacionat amb la velocitat de rotació.
Giroscopi de diapasó Aquest tipus de giroscopi utilitza un parell de masses de prova impulsades a la ressonància. El seu desplaçament des del pla d'oscil·lació es mesura per produir un senyal relacionat amb la velocitat de rotació del sistema.
Frederick William Meredith va registrar una patent per a un dispositiu d'aquest tipus el 1942 mentre treballava al Royal Aircraft Establishment. GH Hunt i AEW Hobbs van dur a terme un desenvolupament posterior a la RAE el 1958, que van demostrar una deriva de menys d'1°/h o (2,78 )°/s.
Les variants modernes dels giroscopis tàctics utilitzen diapasons dobles com els produïts pel fabricant americà Systron Donner a Califòrnia i el fabricant francès Safran Electronics & Defense / Safran Group.
Ressonador de copa de vi També anomenat giroscopi ressonador hemisfèric o HRG, un ressonador de copa de vi utilitza un hemisferi prim d'estat sòlid ancorat per una tija gruixuda. L'hemisferi amb la seva tija es condueix a ressonància flexural i els punts nodals es mesuren per detectar la rotació. Hi ha dues variants bàsiques d'aquest sistema: una basada en un règim de funcionament de velocitat ("mode de força per reequilibrar") i una altra variant basada en un règim de funcionament integrador ("mode d'angle complet"). Normalment, aquest últim s'utilitza en combinació amb una excitació paramètrica controlada. És possible utilitzar tots dos règims amb el mateix maquinari, que és una característica única d'aquests giroscopis.
Per a un disseny d'una sola peça (és a dir, la copa semiesfèrica i la tija (o tiges) formen una part monolítica) fet de vidre de quars d'alta puresa, és possible assolir un factor Q superior a 30-50 milions en el buit, de manera que els passejos aleatoris corresponents són extremadament baixos. El Q està limitat pel recobriment, una pel·lícula extremadament fina d'or o platí, i per les pèrdues de fixació. Aquests ressonadors s'han d'ajustar mitjançant microerosió de feix d'ions del vidre o mitjançant ablació làser. Enginyers i investigadors de diversos països han estat treballant en millores addicionals d'aquestes sofisticades tecnologies d'avantguarda.
Safran i Northrop Grumman són els principals fabricants de HRG.
Giroscopi de roda vibrant Una roda es fa girar una fracció de volta completa al voltant del seu eix. La inclinació de la roda es mesura per produir un senyal relacionat amb la velocitat de rotació.
Giroscopis MEMS miniatura|Giroscopi MEMS d'estructura vibrant Els giroscopis de sistemes microelectromecànics (MEMS) econòmics d'estructura vibrant s'han tornat àmpliament disponibles. Aquests estan empaquetats de manera similar a altres circuits integrats i poden proporcionar sortides analògiques o digitals. En molts casos, una sola peça inclou sensors giroscòpics per a múltiples eixos. Algunes peces incorporen múltiples giroscopis i acceleròmetres (o giroscopis i acceleròmetres de múltiples eixos) per aconseguir una sortida que tingui sis graus de llibertat complets. Aquestes unitats s'anomenen unitats de mesura inercials o IMU. Panasonic, Robert Bosch GmbH, InvenSense, Seiko Epson, Sensonor, Hanking Electronics, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor i Analog Devices en són els principals fabricants.
Internament, els giroscopis MEMS utilitzen versions construïdes microlitogràficament d'un o més dels mecanismes descrits anteriorment (diapasons, rodes vibrants o sòlids ressonants de diversos dissenys, és a dir, similars als TFG, CRG o HRG esmentats anteriorment).
Els giroscopis MEMS s'utilitzen en la prevenció de bolcades d'automòbils i en sistemes d'airbag, estabilització d'imatges i tenen moltes altres aplicacions potencials.
Aplicacions dels giroscopis Automoció Els sensors de guinyada per a automòbils es poden construir al voltant de giroscopis d'estructura vibrant. Aquests s'utilitzen per detectar estats d'error en la guinyada en comparació amb una resposta prevista quan es connecten com a entrada als sistemes electrònics de control d'estabilitat juntament amb un sensor del volant. Els sistemes avançats podrien concebiblement oferir detecció de bolcada basada en un segon VSG, però és més barat afegir acceleròmetres longitudinals i verticals al lateral existent per a aquest fi.
Entreteniment El joc WarioWare: Twisted! de Nintendo Game Boy Advance utilitza un giroscopi piezoelèctric per detectar el moviment de rotació. El controlador Sony SIXAXIS PS3 utilitza un únic giroscopi MEMS per mesurar el sisè eix (guinyada). L'accessori Nintendo Wii MotionPlus utilitza giroscopis MEMS multieix proporcionats per InvenSense per augmentar les capacitats de detecció de moviment del comandament a distància Wii. La majoria dels telèfons intel·ligents i dispositius de joc moderns també inclouen giroscopis MEMS.
Aficions Els giroscopis d'estructura vibrant s'utilitzen habitualment en helicòpters controlats per ràdio per ajudar a controlar el rotor de cua de l'helicòpter i en avions controlats per ràdio per ajudar a mantenir l'actitud estable durant el vol. També s'utilitzen en controladors de vol multirotor, ja que els multirotor són inherentment aerodinàmicament inestables i no poden mantenir-se en l'aire sense estabilització electrònica.
Robòtica industrial Epson Robots utilitza un giroscopi MEMS de quars, anomenat QMEMS, per detectar i controlar les vibracions dels seus robots. Això ajuda els robots a posicionar l'efector final del robot amb alta precisió en moviments d'alta velocitat i desacceleració ràpida.
Fotografia Molts sistemes d'estabilització d'imatge en càmeres de vídeo i fotos utilitzen giroscopis d'estructura vibrant.
Orientació de la nau espacial L'oscil·lació també es pot induir i controlar en el giroscopi d'estructura vibrant per al posicionament de naus espacials com la Cassini-Huygens. Aquests petits giroscopis ressonadors hemisfèrics fets de vidre de quars funcionen en buit. També hi ha prototips de giroscopis ressonadors cilíndrics (CRG) desacoblats elàsticament fets de safir monocristal·lí d'alta puresa. Els leuco-safirs d'alta puresa tenen un factor Q d'un ordre de valor superior al vidre de quars utilitzat per a HRG, però aquest material és dur i té anisotropia. Proporcionen un posicionament precís de 3 eixos de la nau espacial i són altament fiables al llarg dels anys, ja que no tenen parts mòbils.
Altres El Segway Human Transporter utilitza un giroscopi d'estructura vibrant fabricat per Silicon Sensing Systems per estabilitzar la plataforma de l'operador.
Referències
Categoria:Sensors de posició