Um giroscópio mede rotação. Todo sistema de navegação inercial, sistema de referência de atitude e rumo e controlador de voo de drone depende de giroscópios para saber para onde está apontando e com que rapidez está girando. Os giroscópios existem em várias tecnologias bem diferentes, e a escolha entre elas determina o quanto um sistema de navegação consegue manter seu rumo quando nada fora do veículo o ajuda.
O que um giroscópio mede
Os giroscópios de navegação modernos medem a taxa angular: a rapidez com que o sensor gira em torno de um eixo, em graus por segundo. Três giroscópios em ângulos retos cobrem rolagem, arfagem e guinada. Um computador de navegação integra essas taxas ao longo do tempo para acompanhar a orientação do veículo. Qualquer pequeno erro na taxa se torna um erro crescente no ângulo, e é por isso que a qualidade do giroscópio importa tanto.
Os números que descrevem um giroscópio
- Instabilidade de viés (°/hr): a menor deriva do ponto zero do giroscópio ao longo do tempo. É o principal número para saber por quanto tempo um sistema consegue navegar sozinho.
- Passeio aleatório de ângulo (°/√hr): o ruído na saída, que adiciona uma divagação aleatória ao ângulo integrado.
- Faixa (°/s): a rotação mais rápida que o giroscópio consegue medir.
- Erro de fator de escala (ppm): o quanto a taxa medida se afasta da taxa real, proporcionalmente a ela.
- Viés com a temperatura: quanto o ponto zero se desloca quando o sensor esquenta ou esfria, o que a calibração precisa corrigir.
Giroscópios mecânicos
O giroscópio clássico é um rotor giratório sobre gimbals. Seu momento angular resiste a mudanças de direção, de modo que o eixo de rotação se mantém firme enquanto o veículo gira ao seu redor. Os giroscópios mecânicos guiaram navios e aeronaves durante a maior parte do século XX e podem ser muito precisos, mas são pesados, exigem manutenção cuidadosa e têm partes móveis que se desgastam. Em projetos novos, foram em grande parte substituídos pelos tipos ópticos e MEMS descritos a seguir.
Giroscópios a laser em anel (RLG)
Um giroscópio a laser em anel envia dois feixes de laser em sentidos opostos por um caminho fechado, em geral um triângulo ou quadrado de espelhos em um bloco de vidro. Quando o bloco gira, o caminho de um feixe fica um pouco maior que o do outro (efeito Sagnac), e a diferença aparece como um deslocamento do padrão de interferência. Os RLGs não têm partes giratórias, são muito estáveis e muito usados em aeronaves e sistemas de navegação estratégicos. São relativamente grandes e caros e precisam de um “dither” mecânico ou de outra técnica para evitar o travamento (lock-in) em taxas de rotação muito baixas.
Giroscópios a fibra óptica (FOG)
Um giroscópio a fibra óptica usa o mesmo efeito Sagnac, mas a luz percorre uma longa bobina de fibra óptica em vez de passar entre espelhos. Uma bobina mais longa dá um efeito maior e melhor sensibilidade. Os FOGs são de estado sólido, não têm problema de lock-in, toleram bem impacto e vibração e atingem estabilidade de classe de navegação. Os projetos de malha fechada, que realimentam um sinal para anular a defasagem, oferecem ampla faixa dinâmica e um fator de escala muito linear.
O INS FOG Aldebaran da Aeron usa giroscópios a fibra óptica de malha fechada com instabilidade de viés de 0,1 °/hr e passeio aleatório de ângulo abaixo de 0,012 °/√hr, para plataformas que precisam manter uma solução precisa durante longas perdas de GNSS.
Giroscópios MEMS
Os giroscópios MEMS (sistemas microeletromecânicos) são minúsculas estruturas vibratórias gravadas em silício. Uma massa de prova é excitada para vibrar; quando o chip gira, o efeito Coriolis empurra a massa para o lado em uma quantidade proporcional à taxa de rotação, e esse movimento é medido eletricamente. Os giroscópios MEMS são pequenos, leves, de baixo consumo, robustos e baratos, e por isso estão em todo celular e todo drone. Os melhores giroscópios MEMS já alcançam desempenho de classe tática, e uma calibração de fábrica cuidadosa de viés, desalinhamento e temperatura extrai o máximo deles.
O Castor GYR1200 da Aeron é um módulo de giroscópio MEMS triaxial de classe tática, com instabilidade de viés de 0,6 °/hr, passeio aleatório de ângulo de 0,1 °/√hr e faixa de ±480 °/s, calibrado de fábrica quanto a viés e desalinhamento e compensado em temperatura em toda a sua faixa de operação. Ele suporta impacto mecânico de até 1500 g e envia seus dados por RS422. Os giroscópios MEMS também estão no centro dos sistemas de navegação inercial Octantis e Pollux 3 da Aeron e da chave de inclinação Vega TSW-G, que usa seu giroscópio para medir ângulos com confiabilidade em máquinas que vibram.
Como se comparam
- MEMS: o menor, mais leve e de menor consumo e custo; de classe de consumo a tática. Ideal quando tamanho e custo predominam ou quando há GNSS ou outro auxílio disponível na maior parte do tempo.
- FOG: maior e mais caro; de classe tática a de navegação. Ideal quando é preciso navegar por muito tempo sem auxílio ou obter alta precisão de rumo.
- RLG: alta estabilidade, consolidado em aeronaves e sistemas estratégicos; maior e caro.
- Mecânico: hoje, usos históricos e especializados.
Escolhendo um giroscópio
Comece pelo tempo que o sistema precisa manter sua orientação sem ajuda externa e pelo erro de ângulo aceitável ao fim desse tempo. Divida um pelo outro e você terá uma instabilidade de viés aproximada como meta. Depois, pese tamanho, peso, consumo, ambiente e orçamento. Se quiser ajuda com esse cálculo para a sua plataforma, fale com nossos engenheiros.
