Anteproyecto trabajo de grado.

Trabajo de grado

Reconstrucción DE LA TRAYECTORIA RECORRIDA BASADA EN acelerómetros Y GIROSCOPIOS

ESTUDIANTE:

CARLOS HUMBERTO MONTOYA

DIRECTOR:

ASFUR BARANDICA LÓPEZ M.SC

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

SANTIAGO DE CALI

2011

Reconstrucción DE LA TRAYECTORIA RECORRIDA BASADA EN acelerómetros Y GIROSCOPIOS

CARLOS HUMBERTO MONTOYA RESTREPO

DIRECTOR:

ASFUR BARANDICA LÓPEZ, M.Sc

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

SANTIAGO DE CALI

2011

1. OBJETIVOS

1. Objetivo General

• Diseñar y desarrollar un dispositivo basado en acelerómetros y giroscopios que permita reconstruir la trayectoria recorrida por un objeto que se mueve en un plano horizontal.

1. Objetivos Específicos

• Hacer una revisión bibliográfica que permita comprender el funcionamiento de la unidad inercial ADIS16355 y realizar una implementación con ella.
• A partir de las publicaciones sobre el tema de reconstrucción de trayectoria basada en IMUs, definir el algoritmo que mejor se ajusta a los requerimientos de la aplicación especifica.
• Definir e implementar una arquitectura adecuada para lograr la reconstrucción confiable de la trayectoria de un cuerpo en un plano y su visualización por medio de una interfaz grafica sencilla
• Definir y realizar las pruebas necesarias para validar, la arquitectura y el algoritmo de reconstrucción de trayectoria, implementados.

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1. MARCO TEORICO

1. Sistemas de Navegación Inercial.

Un sistema de navegación inercial o INS por sus siglas en ingles (Inertial Navigation System), es un sistema de ayuda a la navegación provisto de acelerómetros y giroscopios que son usados para estimar la posición y la orientación de un objeto respecto a un punto inicial conocido. Los acelerómetros miden la aceleración lineal y los giroscopios miden la velocidad angular, estas señales después de ser procesadas permiten establecer la posición y la orientación de un dispositivo, como se pude ver en la Fig. 1

Fig. 1 Diagrama de bloques básico de un sistema de navegación inercial o INS

Los sistemas de navegación inercial se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la navegación de aeronaves, misiles, naves espaciales, submarinos y buques. Los recientes avances en la construcción de dispositivos MEMS han hecho posible la fabricación de sistemas inerciales pequeños y ligeros. Estos avances han ampliado la gama de posibles aplicaciones para incluir áreas tales como la captura de movimiento humano y animal.

1. Unidad de Medición Inercial

Es un dispositivo electrónico que usa una combinación de acelerómetros y giroscopios para medir la velocidad, la orientación y las fuerzas gravitacionales de un aparato.

Una IMU generalmente se compone de tres acelerómetros y tres giroscopios. Los acelerómetros están colocados de tal forma que sus ejes de medición son ortogonales entre sí. Ellos miden la aceleración inercial, también conocida como fuerzas G.Los tres giróscopos están colocados en un patrón ortogonal similar, midiendo la velocidad angular en referencia a un sistema de coordenadas seleccionada en forma arbitraria.

Las principales ventajas que presentan estos dispositivos es que no dependen de fuentes de señal externas para su funcionamiento y además pueden operar tanto en sitios cerrados como al aire libre, lo cual los hace una mejor alternativa, en lugar de usar sistemas de posicionamiento global GPS o sistemas de captura de movimiento ópticos.

Sin embargo una gran desventaja que presentan estos dispositivos es el error propio de los sensores el cual se va acumulando a lo largo de las estimaciones de la posición y la orientación, debido a ello es necesario implementar algoritmos y hacer uso de otros sensores que permitan la reducción de dichos errores lo máximo posible.

1. Giroscopios MEMS

Los giroscopios son dispositivos capaces de medir la velocidad rotacional con referencia a un sistema de coordenadas seleccionado de forma arbitraria.

Aunque hay diferentes tecnologías utilizadas para la construcción de los giroscopios, los basados en la tecnología MEMs son actualmente los más utilizados, debido a su bajo costo de manufactura en comparación con otras tecnologías.

Un giroscopio MEMs se basa en el efecto Coriolis para su funcionamiento, el cual establece que en un marco de referencia girando a una velocidad angular ω, una masa moviéndose con velocidad v experimenta una fuerza:

[pic 1]

Estos giroscopios contienen elementos vibratorios para medir el efecto Coriolis, y la geometría mas simple consiste de una masa vibrante que al ser forzada a rotar origina unas vibraciones secundarias ortogonales a las originales causadas por el efecto Coriolis. La velocidad angular entonces se mide midiendo dichas vibraciones.

Aunque actualmente los giroscopios basados en las tecnologías MEMs, no alcanzan la precisión de otras tecnologías, presenta las siguientes  ventajas que lo hacen mas viable en la mayoría de las aplicaciones.

• Tamaño reducido.
• Bajo peso.
• Construcción robusta.
• Bajo consumo de potencia
• Corto tiempo de puesta en marcha.
• Bajos Costos de producción en masa
• Alta confiabilidad
• Poco mantenimiento.
• Es compatible con operaciones en ambientes hostiles.

1. Acelerómetros MEMS.

Los acelerómetros son dispositivos que permiten medir la aceleración inercial en un eje, aunque gracias a los recientes avances en la tecnología es posible construir acelerómetros de tres ejes (X, Y, Z) en un solo chip de silicio, incluyendo además la parte electrónica encargada de procesar las señales.

1. Los acelerómetros basados en tecnologías MEMs se dividen principalmente en dos clases. La primera clase consiste de acelerómetros  mecánicos que miden el desplazamiento de una masa suspendida. La segunda clase se compone de acelerómetros de estado solido los cuales miden los cambios de frecuencia de un elemento vibrante causado por un cambio de tensión.

Las ventajas que presentaban los giroscopios MEMs respecto a otras tecnologías de fabricación aplican para los acelerómetros basados en tecnología MEMS.

1. Reconstrucción de la Trayectoria

Esta aplicación consiste en que a partir de las señales entregadas por los acelerómetros y los giroscopios, desarrollar los algoritmos que permitan la reducir los errores causados por dichos sensores, y además permitan la fusión de los datos obtenidos por ellos, ya que no es posible obtener el resultado esperado usándolos individualmente.

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