Pasar al contenido principal
Espere, por favor...

Descubra Nuestro Blog

 

UAV Navigation en profundidad: Sensores inerciales

INTRODUCCION

La tecnología detrás de los sensores involucrados en la navegación inercial ha mejorado en los últimos años, con una precisión cada vez mayor y una reducción del tamaño y el costo. Aparte de estos beneficios, los sensores inerciales son una opción popular para los desarrolladores de sistemas ya que son en gran parte inmunes a las interferencias porque no dependen de elementos externos como un sistema Sistema global de navegación por satélite (GNSS) o un sistema de Rango Omnidireccional VHF (VOR).

Dependiendo de la aplicación, se pueden identificar las siguientes cualidades del sensor:

  • Calidad subinercial o táctica.   Se utiliza en la navegación de corto plazo y la deriva se compensa normalmente con el GNSS:
    • Deriva del giróscopo: 1º/hora
    • Deriva del acelerómetro: 10-3 g
  • Calidad de inercia o de navegación.   Se utiliza en aplicaciones de larga duración y alta precisión.
    • Deriva de giróscopo: <10-2 º/hora
    • Deriva del acelerómetro: <10-4 g.

BREVE HISTORIA.

Como se explica en el artículo Navegación Inercial: Conceptos Básicos, la navegación inercial requiere una continua actualización de la posición basada en las lecturas adquiridas de diferentes sensores: acelerómetros, giróscopos, etc.

La Tierra de Referencia Inercial Espacial (SPIRE) fue el primer sistema de navegación inercial creado en 1953 como parte del sistema de navegación de un bombardero B-29 para un vuelo de Boston a Los Ángeles. Utilizaba giróscopos y acelerómetros para determinar la posición sin depender de la transmisión o recepción de señales externas que pudieran revelar la posición de la aeronave o hacerla vulnerable a la interferencia del enemigo. Fue la primera demostración verdaderamente exitosa de navegación inercial. Sin embargo, era un equipo enorme (1,5 m de diámetro y 1200 kg):

Spire

SPIRE - Ref: INS/GPS Technology Trends (George T. Schmidt)

La navegación inercial es vital bajo el agua, ya que las señales de los satélites GNSS no pueden penetrar en el agua y, por lo tanto, no se dispone de ninguna forma de navegación GNSS cuando el submarino está completamente sumergido. En 1954 se lanzó una versión submarina de SPIRE: el Sistema de Navegación Inercial de a bordo (SINS). Desde entonces se han desarrollado sistemas de navegación inercial extremadamente precisos para los submarinos que permiten una navegación submarina muy exacta durante largos períodos.

Otro momento histórico significativo para la navegación inercial fue la computadora de guía APOLLO que aterrizó de forma segura el módulo lunar en la Luna en 1968. Una vez más, la navegación inercial es de vital importancia durante las misiones espaciales en las que no es posible utilizar las constelaciones tradicionales de GNSS.

Los sensores de navegación inercial más precisos han sido diseñados para su uso en submarinos nucleares y misiles intercontinentales. La unidad de sensores más precisa fue la Esfera de Referencia Inercial Avanzada (AIRS), instalada en los misiles balísticos en los años 70.  Tiene una velocidad de deriva de 1,5 x 10-5 º/ hora. Sin embargo, la AIRS cuenta con unos 19.000 componentes y su producción fue muy costosa.

No es sorprendente que la línea general de desarrollo a lo largo de los años haya sido miniaturizar y mejorar los sensores del tipo usado en SPIRE a un pequeño cubo que llevó a la humanidad a la Luna. Hoy en día, los sensores inerciales son pequeños chips que pueden ser integrados en muchos dispositivos de consumo.

El progreso de la tecnología ha significado una reducción de los componentes, menos mantenimiento, menores costos y más fiabilidad. Una representación visual de estas tendencias puede verse en el siguiente cuadro:

Sensors Number of Parts

Esta reducción de tamaño y peso se ha aprovechado al máximo en la industria aeronáutica, donde los fabricantes de sensores producen unidades que pueden integrarse en los sistemas de control de vuelo de los UAV.

TIPOS DE SENSORES

  • Mecánicos.   Trabajan en diferentes principios mecánicos: conservación del momento angular para los giróscopos o la segunda ley de Newton para los acelerómetros. Incluyen:
    • RIG: Giróscopos de integración de velocidad
    • DTG: Rotor sintonizado dinámicamente
    • Giroscopio FLEX
    • DART: Transductor de velocidad de doble eje.
  • Vibración.   Miden el cambio de rumbo basado en el efecto de la aceleración de Coriolis en una masa vibratoria.
  • Ópticos.   Basados en el efecto Sagnac. Es la detección del cambio de longitud de onda de los rayos de luz que se propagan en una trayectoria circular. Incluye:
    • RLG: Giroscopios de Láser de Anillo.
    • FOG: Giroscopio de fibra óptica.
    • Sensores de átomo frío: Muy alta precisión (aún en desarrollo).
  • MEMS.   Los sistemas microelectromecánicos se basan en circuitos integrados. Incorporan mecanismos mecánicos en miniatura a una escala muy reducida, como los siguientes ejemplos:

MEMS

MEMS Chips - Ref: Inertial Navigation Sensors (Neil M. Barbour)

A continuación se presenta una breve comparación entre los principales tipos de sensores:

Tecnología

Pros

Contras

Mecánicos

Tecnología probada

Muy precisos

Puede haber errores provocados por las vibraciones y las aceleraciones

Largo tiempo de arranque

Relativamente caro

Alto mantenimiento

Grande

Frágil

Ópticos

Extremadamente precisos

Amplio rango dinámico

Más robustos que los sensores mecánicos

Arranque inmediato

Alto costo unitario

Aunque más pequeñas que las unidades mecánicas equivalentes, siguen siendo grandes en comparación con las unidades MEMS

Relativamente frágil

Un consumo de energía mayor que el de los MEMS

MEMS/Vibración

Baratos

Pequeños

Extremadamente robustos

Bajo consumo de energía

Arranque inmediato

Ninguno

Bias Stability.

Bias Stability (deg_hour)

Bias Stability (ug)

Current gyro (above) and accelerometers (below) technology applications - Ref: Navigation sensors and systems in GNSS degraded and denied environments. (George T. Schmidt)

Los productos de UAV Navigation se basan actualmente en la tecnología MEMS, aunque la empresa es capaz de integrar sensores ópticos de alta precisión para aplicaciones específicas. La tecnología MEMS ha sido elegida como la más adecuada porque se pueden alcanzar altos niveles de precisión de navegación para la mayoría de las aplicaciones de los UAV, dentro de los presupuestos exigidos por los integradores de sistemas y los fabricantes de UAV. La clave del éxito de UAV Navigation en este campo, y lo que lo diferencia de sus competidores, es la robustez de su software de estimación y la capacidad de extraer la máxima precisión de los productos basados en MEMS. Esto hace que los productos de la compañía sean la elección ideal para las aplicaciones más exigentes de los UAV.

¿Está buscando una solución de control?

Contáctenos

About

UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.