Tipos de giroscópio e seleção (ART5043)

Giroscópios (também chamados de giros ou sensores de velocidade angular) são um tipo de sensor de velocidade usado para detectar e medir a velocidade angular de um objeto – a orientação e a taxa de rotação de um objeto girando em relação ao seu quadro de referência. Os giroscópios são usados ​​como dispositivos autônomos e em combinação com outros sensores em sistemas de navegação e estabilização:

Por Lucas Costa para Mouser Electronics – Traduzido com permissão da Mouser

Bússolas não magnéticas (girobússolas), onde o norte verdadeiro é mantido por um giroscópio acionado continuamente e um eixo paralelo ao eixo da Terra. Essas bússolas são frequentemente encontradas em navios porque usam o norte verdadeiro (em oposição ao norte magnético) e não são afetadas pelos materiais ferromagnéticos do navio.

Sistemas de Orientação Inercial (IGSs), onde giroscópios são usados ​​juntamente com acelerômetros e possivelmente magnetômetros, que medem a taxa de aceleração e a força magnética, respectivamente. Eles são usados ​​em aplicações onde os pontos de referência externos não estão disponíveis ou são difíceis de medir, como em aeronaves, navios, submarinos, mísseis guiados, robótica, veículos aéreos não tripulados (UAVs) e exoesqueletos médicos.

Unidades de Medição Inercial (IMUs), onde o giroscópio fornece a taxa angular, que é usada junto com a força e orientação de uma nave, para guiar a nave onde os dados de GPS não estão disponíveis ou consistentemente disponíveis. As IMUs são usadas em aplicações como aeronaves, UAVs, naves espaciais, satélites, veículos autônomos e telefones celulares.

Estabilizadores, onde giroscópios são usados ​​para compensar o movimento ou movimento de câmeras, equipamentos de vídeo e até mesmo veículos, onde o torque externo precisa ser estabilizado.

Attitude and Heading Reference Systems (AHRSs), onde os giroscópios fornecem dados de rotação, inclinação e guinada que, juntamente com os dados do acelerômetro e do magnetômetro, são usados ​​para determinar a atitude de uma embarcação.

Tipos de giroscópio

Os giroscópios podem ser categorizados de acordo com várias características, incluindo princípios operacionais, tipo de saída, faixa de detecção, número de eixos, tipo de interface e muito mais. Conforme resumido na Tabela 1, este artigo categoriza os giroscópios de acordo com sua tecnologia subjacente: Mecânica, óptica e vibratória.

Tabela 1: Categorias de giroscópios: mecânicos, ópticos e vibratórios

Categoria Descrição Física Notas Gerais

Mecânico Comprometido de um rotor giratório montado em gimbals

Rigidez no espaço

Conservação do momento angular

Precessão

De confiança

Até 6 eixos de liberdade

Propenso a deriva devido ao atrito mecânico

Óptico

Composto por dois feixes de luz viajando em direções opostas dentro de uma plataforma fechada

Tipos comuns são tipos de laser de anel e fibra óptica

Efeito Sagnac

Pequeno, peso leve

Altamente sensível

Estado sólido

Relativamente caro e demorado para projetar e fabricar

Vibratório

Composto por uma estrutura de suporte, um ressonador, um acionamento eletromagnético e um sensor

O tipo MEMS é amplamente utilizado

Lei da inércia de Newton

Efeito Coriolis

Precessão

Normalmente, um eixo

Minúsculo em tamanho

Baixo custo

Baixo consumo de energia

Menos estabilidade sobre estresse, temperatura, umidade

Propenso a erros de integração e desvios

Giroscópios Mecânicos

O tipo mecânico é o que a maioria das pessoas pensa quando trata de em giroscópios. Os giroscópios mecânicos são compostos por um rotor giratório montado em gimbals que permitem medições em até seis eixos. Gimbals isolam o rotor das forças de mudança de rotação e, assim, mantêm o movimento do rotor centrado, independentemente das forças externas impostas a ele. Quando a força rotacional é aplicada, os gimbals resistem à força de forma coordenada para compensar a perturbação de várias direções.

Os giroscópios mecânicos funcionam de acordo com três princípios giroscópicos:

Rigidez no espaço, que se refere ao princípio de que os giroscópios permanecem em uma posição fixa dentro de seu plano e não são afetados por forças externas.

Conservação do momento angular, que se refere ao princípio de que o momento angular total de um sistema fechado permanece constante.

Precessão, que se refere ao que acontece quando uma força externa é aplicada a um rotor giratório. Em vez de afetar o rotor onde a força é aplicada, a força se manifesta 90° mais tarde na direção do giro. As medidas de orientação angular e velocidade são determinadas pelo desvio de um objeto de sua orientação desejada.

Embora os giroscópios mecânicos dinamicamente ajustados (DTGs) ainda sejam usados ​​em aplicações de localização de norte e navegação onde é necessária extrema precisão, giroscópios mecânicos foram suplantados nas últimas décadas por outros tipos que são menores, mais leves e mais fáceis de fabricar, conforme descrito em as próximas seções.

Giroscópios Ópticos

Os giroscópios ópticos apresentam tamanho pequeno, peso leve e ausência de partes móveis. Nesses giroscópios, dois feixes de luz separados são enviados através de uma fibra óptica em direções opostas dentro de uma plataforma fechada. Quando cada feixe retorna ao detector, seu tempo de viagem é registrado. Em casos de não rotação, os feixes retornam ao sensor ao mesmo tempo. Onde houver rotação, a distância que cada feixe deve percorrer muda; a luz que viaja contra a direção de rotação chega primeiro, e a luz que viaja na direção de rotação chega mais tarde. A mudança de fase entre os dois feixes de luz indica a mudança rotacional.

Os projetos de engenharia de hoje geralmente usam dois tipos de giroscópios ópticos: giroscópios a laser de anel e giroscópios de fibra ótica.

Giroscópios de anel a laser (RLGs)

Os giroscópios a laser de anel (RLGs) são um tipo de sensor ativo que usa um caminho óptico de circuito fechado que abriga a fonte óptica. Nos RLGs, os dois feixes de luz divergentes se movem em torno de uma cavidade refletindo em espelhos em cada canto do gabinete. Os RGLs funcionam de acordo com o efeito Sagnac, onde dois feixes ópticos que se contra-propagam em uma estrutura de anel mudam sua fase relativa se o anel estiver girando. Portanto, a mudança de fase é proporcional à rotação e pode ser medida. Os RLGs são mais frequentemente usados ​​em IGSs em aeronaves militares e comerciais, navios e naves espaciais.

Giroscópios de fibra óptica (FOGs)

Os giroscópios de fibra óptica (FOGs) são um sensor passivo que usa uma fonte óptica externa ao caminho de circuito fechado, que é uma bobina de fibra óptica que pode ter até 5 km de comprimento. Aqui, a luz é dividida em dois feixes, e seu funcionamento é baseado na interferência da luz ao passar pela bobina. Como nos RLGs, os FOGs funcionam de acordo com o efeito Sagnac; no entanto, a força do efeito depende tanto da área geométrica do laço quanto do número de voltas na bobina. Os FOGs são mais frequentemente usados ​​em aplicações de alto choque e alto desempenho: IGSs para mísseis guiados, veículos submarinos e equipamentos de levantamento.

Giroscópios de estrutura vibratória

Os giroscópios de estrutura vibratória são estruturas vibratórias de estado sólido usadas para determinar a taxa de rotação. De um modo geral, estes são giroscópios de um eixo composto por uma estrutura de suporte, um ressonador, um acionamento eletromagnético que faz com que o ressonador vibre e um sensor eletromagnético que detecta o movimento do ressonador. Esses giroscópios funcionam de acordo com a lei da inércia de Newton, que inclui o fato de que objetos vibrantes tendem a continuar vibrando no mesmo plano mesmo quando seu suporte gira. Aqui, o efeito Coriolis faz com que a força seja exercida em seu suporte, o que causa uma precessão de padrões de vibração em torno do eixo. A velocidade angular pode ser determinada pelo desvio do objeto de sua orientação desejada.

Os giroscópios de estrutura vibratória vêm em muitas formas, incluindo giroscópios piezoelétricos, ressonadores de vidro de vinho, giroscópios de diapasão e outros. Os giroscópios do sistema microeletromecânico (MEMS), em particular, tornaram-se amplamente disponíveis em dispositivos eletrônicos devido ao seu tamanho minúsculo, baixo custo e baixos requisitos de energia. Em vez de ter peças giratórias, rolamentos ou feixes de luz, esses pequenos dispositivos são impressos em placas de circuito e medem a velocidade angular transferindo a vibração de um modo de acionamento para um modo de detecção. À medida que a velocidade angular do giroscópio varia, uma pequena massa ressonante é deslocada; esse movimento é transformado em impulsos elétricos de corrente muito baixa que um microcontrolador hospedeiro pode amplificar e ler. Os giroscópios MEMS são muito sensíveis e podem detectar pequenos graus de rotação, o que permite determinar a posição absoluta.

Um tipo mais novo de giroscópio MEMS, chamado giroscópios de integração de concha de precisão (PSI), afirma ser 10.000 vezes mais preciso do que os dos telefones celulares atuais, mas apenas 10 vezes mais caro, de acordo com seus desenvolvedores da Universidade de Michigan. Um tipo de IMU, o PSI usa uma escala mm com um fator de qualidade de mais de 5 milhões. Esses giroscópios prometem fornecer reconhecimento de localização interno e externo de alta precisão, bem como autonomia de longo prazo para dispositivos móveis e veículos autônomos.

Integração e implementação do giroscópio

Para todos os tipos de giroscópios, sensibilidade, resolução e estabilidade são os principais indicadores de desempenho. A maximização do desempenho do giroscópio começa com a compreensão dos requisitos do aplicativo e dos principais parâmetros do giroscópio. As seções a seguir discutem os parâmetros de integração e implementação no que se refere à integração de um giroscópio MEMS. Para outros tipos de giroscópios, as especificidades variam; no entanto, essas considerações podem ser aplicadas de forma mais ampla conforme necessário.

Montagem e Ajuste

A localização, orientação, montagem e proximidade do giroscópio MEMS com outros componentes PCB afetam o desempenho e a vida útil do giroscópio. Instalado incorretamente, o giroscópio pode perder a sensibilidade, gerar leituras incorretas e diminuir o desempenho ao longo do tempo. Em geral, o giroscópio deve ser montado em uma placa rígida ou substrato. Outras recomendações gerais incluem colocar os componentes de inserção a pelo menos 2 mm do giroscópio e isolar o giroscópio de flutuações de temperatura e fontes de vibração.

O ajuste ou alinhamento – ou melhor, minimizar o desalinhamento – do giroscópio MEMS também é fundamental. Desalinhamento refere-se à diferença angular entre o eixo de rotação do giroscópio e o referencial inercial do sistema. Vários fatores contribuem para o desalinhamento, incluindo tolerâncias de integração, imperfeições de materiais, embalagem do dispositivo e o número de eixos (pois o desalinhamento de um eixo pode influenciar no alinhamento de outros eixos), entre outras fontes. O desalinhamento pode exigir soluções alternativas significativas, como matrizes corretivas, embalagens especiais ou testes especiais para garantir que o giroscópio seja preciso.

A mitigação de montagem e desalinhamento durante a integração ou durante a fase de projeto inclui conhecer o orçamento de erros do sistema (aceitar que haverá uma margem de erro) e isolar a plataforma de montagem na qual o giroscópio será integrado. Definir o aplicativo explícito e como o giroscópio será usado ajudará a resolver problemas de erros durante a integração do giroscópio.

Faixa de operação, ruído e temperatura

A faixa de medição, também conhecida como faixa de escala completa, é a faixa de leitura da velocidade angular máxima do giroscópio, geralmente dada em graus por segundo (DPS ou °/s). Quanto menor o alcance, mais sensível será o giroscópio a uma entrada menor; quanto maior o alcance, menos precisão e mais ruído será encontrado. Por esta razão, faixa de operação, precisão e ruído são compensações comuns no projeto de engenharia. Os giroscópios atuais são programáveis ​​de ±125 a ±2000, dependendo do fabricante.

Ruído refere-se a variações na saída de sinal do giroscópio que decorrem de fatores internos ou externos. Erros de desalinhamento, discutidos anteriormente em termos de montagem e alinhamento, são um tipo de ruído. Outras fontes importantes de ruído incluem ruído inerente ao sensor, que são variações na saída do giroscópio em condições estáticas, e ruído que vem da resposta do giroscópio à vibração linear. Compreender como o ruído afeta o comportamento do giroscópio é importante. Além disso, medir a densidade de ruído do giroscópio é uma métrica útil para entender as compensações entre ruído e largura de banda, bem como determinar as necessidades de filtragem de ruído, incluindo o uso de um filtro Kalman para reduzir o ruído em matrizes de giroscópio.

Por fim, a temperatura está relacionada ao ruído e à sensibilidade. Um aumento na temperatura pode aumentar o ruído do sinal, e tanto o aumento quanto a diminuição da temperatura podem afetar a sensibilidade do giroscópio. Aqui, é importante escolher um giroscópio que acomode as variações nas temperaturas de operação. Giroscópios com sensores de temperatura integrados também estão amplamente disponíveis; com estes, a precisão absoluta do sensor de temperatura é menos importante do que acoplar o sensor de temperatura à temperatura do giroscópio. Em alguns casos, técnicas como compensação de temperatura e calibração podem ser aplicadas para compensar problemas relacionados à temperatura.

Polarização e estabilidade

Todos os giroscópios sofrem de erros internos, como desvio (instabilidade de polarização), caminhada angular aleatória, variações de sensibilidade e travamento (giroscópios ópticos). Ao selecionar um giroscópio, minimizar o maior erro é primordial. Para diferentes aplicações, esse erro irá variar e, portanto, é importante definir a aplicação do giroscópio explicitamente para minimizar erros dentro do giroscópio - por exemplo, se a vibração for um problema, minimizar os erros de vibração do giroscópio deve ser a preocupação mais importante.

No entanto, um parâmetro chave frequentemente citado ao selecionar um giroscópio é a instabilidade de polarização. A instabilidade de polarização de um giroscópio resulta em um desvio de medições ao longo do tempo e com um acúmulo de erros de ângulo. Com o passar do tempo, sem recalibrar, os erros do giroscópio (devido à deriva) se acumulam e os erros pioram. A estabilidade de polarização representa o piso de resolução do giroscópio e é um parâmetro importante para giroscópios. Vários métodos para lidar com a instabilidade de polarização incluem a adição de outros sensores, como acelerômetros (uma IMU) ou giroscópios redundantes para calcular a média do desvio. Uma técnica comum é também calibrar o giroscópio em determinados intervalos de tempo para evitar que os desvios fiquem muito grandes.

Conclusão

Os giroscópios podem ser baseados em uma ampla gama de mecanismos e, portanto, podem ser facilmente adaptados a diferentes requisitos. De fato, as aplicações do giroscópio se espalharam para muitas indústrias, da aviação às comunicações. Os giroscópios mecânicos são frequentemente usados ​​por sua confiabilidade, enquanto os giroscópios ópticos são muito precisos, mas podem ser relativamente grandes, complexos e caros para projetar e fabricar.

Biografia do autor:

Lucas tem mestrado em Machine Learning e Robótica e é desenvolvedor, pesquisador e praticante de Inteligência Artificial, além de desenvolvedor de software de código aberto, com experiência em visão de máquina e automação para máquinas inteligentes em Agricultura de Precisão em seu trabalho como pesquisador na da Universidade da Flórida e desenvolvedor em sua empresa co-fundada Agriculture Intelligence. Ele é autor de muitos artigos, bem como software em nuvem (Agroview) e sistemas de fusão de dados.