Un giroscopio mide la rotación. Todo sistema de navegación inercial, sistema de referencia de actitud y rumbo y controlador de vuelo de un dron depende de giroscopios para saber hacia dónde apunta y a qué velocidad gira. Los giroscopios existen en varias tecnologías muy distintas, y la elección entre ellas determina con qué precisión puede un sistema de navegación mantener su rumbo cuando nada externo al vehículo le ayuda.
Qué mide un giroscopio
Los giroscopios de navegación modernos miden la velocidad angular: la rapidez con que el sensor gira alrededor de un eje, en grados por segundo. Tres giroscopios en ángulo recto cubren el alabeo, el cabeceo y la guiñada. Un ordenador de navegación integra estas velocidades a lo largo del tiempo para seguir la orientación del vehículo. Cualquier pequeño error en la velocidad se convierte en un error creciente del ángulo, por eso la calidad del giroscopio importa tanto.
Las cifras que describen un giroscopio
- Inestabilidad del sesgo (°/hr): la menor deriva del punto cero del giroscopio a lo largo del tiempo. Es la cifra principal para saber cuánto tiempo puede navegar un sistema por sí solo.
- Paseo aleatorio del ángulo (°/√hr): el ruido de la salida, que añade una divagación aleatoria al ángulo integrado.
- Rango (°/s): la rotación más rápida que el giroscopio puede medir.
- Error del factor de escala (ppm): cuánto se aleja la velocidad medida de la velocidad real, en proporción a esta.
- Sesgo en función de la temperatura: cuánto se desplaza el punto cero cuando el sensor se calienta o se enfría, algo que la calibración tiene que corregir.
Giroscopios mecánicos
El giroscopio clásico es un rotor giratorio sobre cardanes. Su momento angular se resiste a los cambios de dirección, de modo que su eje de giro se mantiene firme mientras el vehículo gira a su alrededor. Los giroscopios mecánicos guiaron barcos y aviones durante la mayor parte del siglo XX y pueden ser muy precisos, pero son pesados, requieren un mantenimiento cuidadoso y tienen piezas móviles que se desgastan. En los diseños nuevos han cedido en gran medida el lugar a los tipos ópticos y MEMS que se describen a continuación.
Giroscopios de láser de anillo (RLG)
Un giroscopio de láser de anillo envía dos haces láser en sentidos opuestos por un camino cerrado, normalmente un triángulo o cuadrado de espejos en un bloque de vidrio. Cuando el bloque gira, el camino de un haz se vuelve ligeramente más largo que el del otro (efecto Sagnac), y la diferencia se manifiesta como un desplazamiento del patrón de interferencia. Los RLG no tienen piezas giratorias, son muy estables y se usan ampliamente en aeronaves y sistemas de navegación estratégicos. Son relativamente grandes y caros, y necesitan un «dither» mecánico u otra técnica para evitar el bloqueo (lock-in) a velocidades de rotación muy bajas.
Giroscopios de fibra óptica (FOG)
Un giroscopio de fibra óptica usa el mismo efecto Sagnac, pero la luz viaja por una larga bobina de fibra óptica en lugar de entre espejos. Una bobina más larga da un efecto mayor y una mejor sensibilidad. Los FOG son de estado sólido, no tienen el problema del bloqueo, toleran bien los golpes y las vibraciones y alcanzan una estabilidad de grado de navegación. Los diseños de lazo cerrado, que realimentan una señal para anular el desfase, ofrecen un amplio rango dinámico y un factor de escala muy lineal.
El INS FOG Aldebaran de Aeron utiliza giroscopios de fibra óptica de lazo cerrado con una inestabilidad del sesgo de 0.1 °/hr y un paseo aleatorio del ángulo inferior a 0.012 °/√hr, para plataformas que deben mantener una solución precisa durante pérdidas prolongadas del GNSS.
Giroscopios MEMS
Los giroscopios MEMS (sistemas microelectromecánicos) son diminutas estructuras vibrantes grabadas en silicio. Una masa de prueba se excita para que vibre; cuando el chip gira, el efecto Coriolis empuja la masa hacia un lado en una cantidad proporcional a la velocidad de rotación, y ese movimiento se mide eléctricamente. Los giroscopios MEMS son pequeños, ligeros, de bajo consumo, robustos y baratos, por eso están en todos los teléfonos y drones. Los mejores giroscopios MEMS alcanzan ya un rendimiento de grado táctico, y una calibración de fábrica cuidadosa del sesgo, la desalineación y la temperatura permite sacarles el máximo partido.
El Castor GYR1200 de Aeron es un módulo giroscópico MEMS triaxial de clase táctica con una inestabilidad del sesgo de 0.6 °/hr, un paseo aleatorio del ángulo de 0.1 °/√hr y un rango de ±480 °/s, calibrado de fábrica para el sesgo y la desalineación y compensado en temperatura en todo su rango de funcionamiento. Soporta golpes mecánicos de hasta 1500 g y entrega sus datos por RS422. Los giroscopios MEMS también están en el corazón de los sistemas de navegación inercial Octantis y Pollux 3 de Aeron y del interruptor de inclinación Vega TSW-G, que usa su giroscopio para medir ángulos de forma fiable en máquinas que vibran.
Cómo se comparan
- MEMS: los más pequeños, ligeros, de menor consumo y coste; de grado de consumo a táctico. Los mejores cuando dominan el tamaño y el coste, o cuando normalmente hay GNSS u otra ayuda disponible.
- FOG: más grandes y caros; de grado táctico a de navegación. Los mejores cuando se necesita una navegación larga sin ayuda o una alta precisión de rumbo.
- RLG: alta estabilidad, consolidados en aeronaves y sistemas estratégicos; más grandes y caros.
- Mecánicos: hoy, usos históricos y especializados.
Cómo elegir un giroscopio
Empiece por cuánto tiempo debe mantener el sistema su orientación sin ayuda externa y cuánto error de ángulo es aceptable al final de ese tiempo. Divida una cifra entre la otra y tendrá una inestabilidad del sesgo aproximada como objetivo. Después considere el tamaño, el peso, el consumo, el entorno y el presupuesto. Si desea ayuda con ese cálculo para su plataforma, hable con nuestros ingenieros.
