Sensor de inclinación con corrección de giroscopio, le hemos cogido el truco

TWK contribuye mediante la fusión de sensores con un giroscopio y ofrece sensores de inclinación con corrección de giroscopio.

Algo se está moviendo - pero si es posible no de tal manera que se produzcan interrupciones en un proceso operativo y ciertamente no accidentes. TWK hace una contribución con la ayuda de la fusión de sensores con un giroscopio y ofrece sensores de inclinación con corrección de giroscopio. Gyros viene del griego y significa rotación, por lo que tiene que ver con los movimientos de giro. Es una combinación inteligente de señales de medición para producir una señal de salida corregida que muestra exactamente el ángulo de medición - incluso bajo condiciones de funcionamiento adversas.

¿Cuál es la tarea?

Bueno..: Se trata de la medición de la inclinación. Un método barato y sin embargo bueno es utilizar los llamados sensores MEMS para este propósito. Estos chips electrónicos son pequeños y consisten en estructuras electrónicas y micromecánicas, es decir, además de los circuitos microelectrónicos habituales también hay estructuras mecánicas móviles en los chips. Estas estructuras se desvían cuando la fuerza g de la tierra actúa sobre ellas. Al mismo tiempo, las capacitancias (condensadores) formadas por estas estructuras cambian. Éstas se miden y se calcula un ángulo de inclinación y salida.

Sin embargo, si esta célula MEMS se somete a otras aceleraciones además de la aceleración debida a la gravedad - ya sea por las vibraciones o por la aceleración en un vehículo - estas estructuras MEMS también se mueven y se obtiene un valor de inclinación falsificado. El controlador conectado puede reaccionar de forma incorrecta y puede producirse un accidente, por ejemplo con una máquina móvil: grúas móviles, bombas de hormigón, carretillas elevadoras, etc.

Ahora entra en juego el giroscopio. Es un sensor de velocidad de rotación, también en tecnología MEMS. Sin embargo, las estructuras micromecánicas están diseñadas de tal manera que las velocidades angulares (°/s) se miden y se emiten como una señal de salida. Por lo tanto, mide los cambios en un ángulo de inclinación y no el ángulo de inclinación en sí mismo cuando el giroscopio MEMS gira alrededor de su propio eje o de un eje extendido. La ventaja es que las aceleraciones lineales mencionadas anteriormente, que interfieren con el sensor MEMS del acelerómetro, no afectan al sensor MEMS del giroscopio ya que no representan la rotación.

Entonces, ¿cómo pueden combinarse estos dos sensores para formar un sistema de medición de la inclinación que sea insensible a las interferencias?

¡Con la fusión de datos del sensor y el filtro de Kalman! La solución es fusionar ambas señales de medición y optimizarlas usando un filtro específico - el filtro de Kalman. Esta tecnología de filtro permite calcular, corregir y predeterminar el valor medido que se va a emitir, es decir, determinarlo por adelantado durante un breve período de tiempo. Esto es necesario porque el acelerómetro no puede proporcionar un valor exacto de medición de la inclinación cuando se producen aceleraciones dinámicas de interferencia. En su lugar, se utiliza un algoritmo recursivo en tiempo real (tiempo de ciclo de <1 ms) para estimar primero los siguientes valores de salida basados en los valores medidos anteriores y luego optimizarlos constantemente con la ayuda de nuevos valores medidos reales. Para que la señal del sensor de velocidad de rotación se añada, primero debe integrarse en el tiempo. Por último, se utilizan una serie de parámetros para optimizar el sistema lo mejor posible, para suavizar los valores medidos y, si es necesario, para adaptarlos a las condiciones específicas de la aplicación. Todo tipo de simulaciones y mediciones relacionadas con la aplicación en TWK muestran que el sistema de fusión de sensores funciona de manera precisa y fiable y permite tasas de actualización significativamente inferiores a 1 ms, entre otras cosas gracias a una programación inteligente y "ahorradora de espacio" en el controlador.

La imagen (Filtro Kalman) muestra una medición de cambio de inclinación con componentes de perturbación (rojo). Un simple promedio de más de 1000 valores (verde) de los datos de aceleración pura puede suavizar las vibraciones moderadas, pero causa un notable retraso de tiempo (~1 s). La combinación de ambos sensores a través del filtro de Kalman (azul) conduce a un comportamiento casi ideal.

Este sistema de sensores garantiza un uso seguro y sin riesgos no sólo para las máquinas móviles, sino también durante el funcionamiento de los motores, las bombas hidráulicas u otras acciones que generan fuertes vibraciones. Mide con mayor precisión y rapidez que los sensores anteriores y es en gran medida insensible a las aceleraciones que interfieren y, además, también a la desviación de la inclinación lateral. Estos sensores son muy adecuados para aplicaciones con requisitos dinámicos, en las que, no obstante, deben detectarse continuamente ángulos de inclinación precisos y transmitirse a un sistema de control.

¿Dónde pueden utilizarse?

Un buen ejemplo para el uso de los sensores fusionados son las bombas móviles de hormigón. Estos vehículos se dirigen a una obra, se alinean - es decir, el tren de aterrizaje se coloca en posición horizontal - y la pluma con el tronco se extiende. El tren de aterrizaje y la pluma están equipados con sensores de inclinación - hasta ahora, todo está bien. Sin embargo, cuando la bomba de hormigón entrega el hormigón, hay impactos cortos pero fuertes. Las aceleraciones que se producen perturban la medición de la inclinación. La señal del giroscopio es "cero" a pesar de la aceleración lineal que interfiere. El algoritmo de cálculo reconoce entonces que no hay cambio de inclinación y mantiene el valor de inclinación anterior, que ahora está sujeto a fuertes fluctuaciones en el lado de los MEMS. Si la inclinación cambia exactamente en el momento de la perturbación, el giroscopio produce un cambio en °/s con una integral distinta de cero. Ambos valores son considerados por el filtro de Kalman y se utilizan para generar un valor de pendiente útil.

Los sensores combinados tienen un rango de temperatura de operación de -40° a +85° C y miden ángulos de inclinación de hasta ±100° con una resolución de 0,01° y una precisión en el rango de ±0,1°. El tiempo de respuesta es de 0,1 s. Se puede medir en uno o dos ejes. La robusta carcasa de aluminio con una clase de protección IP67 puede soportar incluso condiciones ambientales adversas sin ningún problema. Son posibles clases de protección hasta IP69K.