Principio de funcionamiento del IMU.
Los sensores inerciales, también llamados IMUs (Inertial Measurement Unit), son dispositivos electrónicos de medida que permiten estimar la orientación de un cuerpo, solidario a este, a partir de las fuerzas inerciales que experimenta dicho cuerpo. Su principio de funcionamiento se basa en la medida de las fuerzas de aceleración y velocidad angular que se ejercen independientemente sobre pequeñas masas localizadas en su interior.
La tecnología inercial está fundamentada en las dos primeras leyes de Newton. La primera establece que el movimiento de un cuerpo es uniforme y rectilíneo a no ser que exista una fuerza externa que actúe sobre él. La segunda define que esta fuerza ejercida sobre esta masa producirá en la misma una aceleración proporcional a ella. Estas relaciones representan un principio de medida, pudiendo por tanto desarrollar dispositivos sensores que miden el movimiento de los cuerpos. Así, si conocemos la magnitud y la dirección de la fuerza aplicada a un cuerpo y a su vez, la masa del mismo, podremos conocer su aceleración y por consiguiente su velocidad y posición mediante la primera y segunda integración matemática de la aceleración respecto al tiempo.
Un IMU convencional tiene en su interior un acelerómetro triaxial y un giróscopo triaxial, para estimar su orientación en el espacio euclídeo tridimensional (3D). La figura 1 muestra un IMU 3D convencional.
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Figura 1. Unidad de Medida Inercial (IMU) de tres ejes
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Un acelerómetro uniaxial consiste en una masa suspendida por un muelle en un receptáculo. La masa puede moverse en una dirección que es la dirección de medida del acelerómetro. El desplazamiento de esta masa es una medida de la diferencia de aceleración y gravedad sobre la dirección de medida. Por tanto, un acelerómetro triaxial está formado por tres uniaxiales montados ortogonalmente para ofrecer información de aceleración en el espacio 3D.
Por otra parte, la velocidad angular de rotación del cuerpo con respecto al sistema de referencia inercial puede ser medida con un dispositivo llamado giróscopo. La construcción del giróscopo puede estar basada en diferentes diseños. Los giróscopos MEMS (Micro-machined Electro Mechanical System) emplean el principio de la aceleración de Coriolis basado en la vibración de una masa para la detección de una rotación angular inercial. Si el receptáculo rota con una velocidad angular perpendicular al plano, la masa experimentará una fuerza de Coriolis en la dirección perpendicular a la velocidad angular. Por tanto, el desplazamiento causado por la fuerza de Coriolis es proporcional a la velocidad angular. Del mismo modo, por integración de esta velocidad angular podemos obtener el ángulo de rotación del cuerpo sobre un eje. Así, utilizando tres giróscopos uniaxiales perpendiculares entre sí, un giróscopo triaxial permite medir la rotación de un cuerpo en el espacio 3D.
Adicionalmente, las IMUs actuales pueden incorporar un magnetómetro triaxial. El magnetómetro es un elemento sensible al campo magnético, que permite obtener información de la orientación del cuerpo respecto al norte magnético terrestre, a modo de una brújula. Dado que la información de este elemento sensor es de tipo absoluto es por lo que suele emplearse para reducir los errores de medida de los acelerómetros y giróscopos y aumentar así la precisión de la estimación de la orientación.
Las señales obtenidas del acelerómetro, el giróscopo y el magnetómetro son fusionadas para obtener la orientación de la IMU, representada por la Matriz de Cosenos Directores (DCM), también denominada matriz de rotación. La DCM expresa la orientación de la IMU con respecto a un sistema de coordenadas fijo en el cual la dirección del eje X apunta hacia el norte magnético, y la dirección del eje Z apunta en la misma dirección que la fuerza de gravitación terrestre. El proceso por el cual se consigue estimar la orientación de la IMU puede ser dividido en dos pasos principales. El primero consiste en la estimación de la orientación inicial a través de las medidas del acelerómetro 3D (3D Acc) y el magnetómetro 3D (3D Mag). Este proceso es realizado una única vez, cuando la IMU está inmóvil y antes de que se permita al usuario comenzar su movimiento. El proceso quedaría recogido de forma esquemática en las siguientes ecuaciones:
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El segundo paso consiste en la estimación de la orientación de la IMU o sensor inercial cuando comienza su movimiento. El giróscopo 3D es el sensor involucrado en este proceso. A partir de la integración de las señales de velocidad angular obtenidas del giróscopo 3D (3D Gyro), es posible conocer el ángulo de rotación de cada eje de la IMU. La DCM previa (
) es actualizada añadiendo la nueva rotación calculada. El proceso se resume en las siguientes ecuaciones:
[vc_row][vc_column][vc_single_image image=»3841″ img_size=»full» alignment=»center»][vc_single_image image=»3842″ img_size=»full» alignment=»center»][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]Los dos pasos descritos se utilizan en un proceso de fusión sensorial para obtener la estimación de la orientación a partir de la información inercial. Este proceso es llevado a cabo por un Filtro de Kalman Extendido (EKF) que se ejecuta en la IMU. La siguiente figura muestra un diagrama de bloques del proceso seguido por la IMU:[vc_row][vc_column][vc_single_image image=»3843″ img_size=»full» alignment=»center»][vc_column_text]
Figura 2. Esquema del proceso interno del Tech-IMU para obtener la orientación 3D.
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Las nuevas aplicaciones han demandado el desarrollo de sensores de bajo coste y altamente miniaturizados. Sin embargo, la reducción del tamaño trae consigo una serie de retos tecnológicos adicionales para alcanzar una precisión y resolución adecuadas. En general, la miniaturización conlleva una reducción de la sensibilidad, un aumento del ruido y una mayor dependencia de la temperatura. Para disminuir estas limitaciones tecnológicas han surgido algoritmos de procesamiento que realizan una fusión sensorial empleando información redundante para aportar mayor robustez a la estimación. Los avances en el conocimiento de esta tecnología y las estrategias para compensar sus limitaciones han incrementado de forma notable su precisión.
La miniaturización y disponibilidad actual de las IMUs hace posible disponer de sistemas estáticos o ambulatorios de medida para ser colocados sobre distintas partes del cuerpo (cabeza, extremidades, tronco) y así poder conocer su posición y movimiento en cualquier ámbito y fuera de las condiciones controladas de laboratorio. En la actualidad son empleados en numerosas aplicaciones, entre las que cabe destacar la monitorización de las actividades de la vida diaria o la investigación del control motor de órganos corporales con diversas patologías y especialmente las interfaces. Así, esta tecnología permite extraer patrones cinemáticos del movimiento humano con la ventaja de no necesitar la ejecución de algoritmos complejos de reconstrucción del movimiento como en el caso de otras interfaces basadas en visión por computador, donde la obtención de patrones cinemáticos requiere el procesamiento de imágenes y el modelado tridimensional, requiriendo además ciertas condiciones de iluminación.
