Un giroscopio es un dispositivo utilizado principalmente para la navegación y la medición de la velocidad angular.
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. Hay giroscopios disponibles que pueden medir la velocidad de rotación en 1, 2 o 3 direcciones. Los giroscopios de 3 ejes a menudo se implementan con un acelerómetro de 3 ejes para proporcionar un sistema completo de seguimiento de movimiento de 6 grados de libertad (DoF).
Los giroscopios han evolucionado desde dispositivos de hilatura mecánico-inerciales que consisten en rotores, ejes y gimbals hasta diversas encarnaciones de dispositivos electrónicos y ópticos. Cada uno explota alguna propiedad física del sistema que le permite detectar la velocidad de rotación alrededor de algún eje. Hay tres tipos básicos de giroscopio:
- Giroscopios rotativos (clásicos)
- Estructura vibrante giroscopio
- Giroscopios ópticos
Giroscopio rotatorio
El giroscopio clásico explota la ley de conservación del momento angular que, simplemente, dice que el momento angular total de un sistema es constante tanto en magnitud como en dirección si el par externo resultante que actúa sobre el sistema es cero
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. Estos giroscopios generalmente consisten en un disco giratorio o una masa en un eje, que está montado en una serie de gimbals. Cada cardán ofrece al disco giratorio un grado adicional de libertad de rotación. Los gimbals permiten que el rotor gire sin aplicar ningún par externo neto en el giroscopio. Por lo tanto, mientras el giroscopio esté girando, mantendrá una orientación constante. Cuando los pares externos o las rotaciones alrededor de un eje dado estén presentes en estos dispositivos, se puede mantener la orientación y se puede medir la velocidad angular debido al fenómeno de la precesión.
La precesión ocurre cuando un objeto que gira alrededor de algún eje (el eje de giro) tiene un par externo aplicado en una dirección perpendicular al eje de giro (el eje de entrada). En un sistema rotacional cuando los pares externos netos están presentes, el vector de momento angular (que está a lo largo del eje de rotación) se moverá en la dirección del vector de par aplicado. Como resultado del par, el eje de rotación gira alrededor de un eje que es perpendicular tanto al eje de entrada como al eje de rotación (llamado eje de salida).
Esta rotación sobre el eje de salida se detecta y retroalimenta al eje de entrada donde un motor o dispositivo similar aplica el par en la dirección opuesta, cancelando la precesión del giroscopio y manteniendo su orientación. Esta cancelación también se puede lograr con dos giroscopios orientados en ángulo recto entre sí.
Para medir la velocidad de rotación, el par de contrarrestación se pulsa a intervalos de tiempo regulares. Cada impulso representa una rotación angular fija δθ, y el conteo de impulsos en un intervalo de tiempo fijo t será proporcional al cambio de ángulo neto θ durante ese período de tiempo; por lo tanto, el par de contrarrestar aplicado es proporcional a la velocidad de rotación que se medirá
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Hoy en día, los giroscopios rotativos se utilizan principalmente en aplicaciones de estabilización. La presencia de piezas móviles (gimbals, rotores) significa que estos giroscopios pueden desgastarse o atascarse. Se han desarrollado varios tipos de rodamientos para minimizar el desgaste y la posibilidad de atascos en estos giroscopios.
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. Otra consecuencia de las partes móviles es que limita cuán pequeños pueden ser estos giroscopios. Por lo tanto, los giroscopios rotativos se usan principalmente en entornos militares y navales hostiles que están sujetos a golpes y vibraciones intensas, y donde el tamaño físico no es crítico. Por lo tanto, estas unidades no están disponibles comercialmente.
Estructura vibrante giroscopio
Los giroscopios de estructura vibratoria son dispositivos MEMS (sistemas electromecánicos micro maquinados) que están fácilmente disponibles comercialmente, son asequibles y de tamaño muy pequeño. Fundamental para comprender el funcionamiento de un giroscopio de estructura vibrante es comprender la fuerza de Coriolis. En un sistema rotativo, cada punto gira con la misma velocidad de rotación. Cuando uno se acerca al eje de rotación del sistema, la velocidad de rotación permanece igual, pero la velocidad en la dirección perpendicular al eje de rotación disminuye. Por lo tanto, para viajar en línea recta hacia o lejos del eje de rotación mientras está en un sistema giratorio, la velocidad lateral debe aumentarse o disminuirse para mantener la misma posición angular relativa (longitud) en el cuerpo. El acto de desacelerar o acelerar es la aceleración, y la fuerza de Coriolis es esta aceleración multiplicada por la masa del objeto cuya longitud se debe mantener. La fuerza de Coriolis es proporcional tanto a la velocidad angular del objeto giratorio como a la velocidad del objeto que se mueve hacia o desde el eje de rotación.
Los giroscopios de estructura vibratoria contienen una masa micromecanizada que está conectada a una carcasa exterior mediante un conjunto de resortes. Esta carcasa exterior está conectada a la placa de circuito fijo por un segundo conjunto de resortes ortogonales.
La masa se conduce continuamente sinusoidalmente a lo largo del primer conjunto de resortes. Cualquier rotación del sistema inducirá la aceleración de Coriolis en la masa, empujándola en la dirección del segundo conjunto de resortes. A medida que la masa se aleja del eje de rotación, la masa se empujará perpendicularmente en una dirección, y a medida que se empuje hacia el eje de rotación, se empujará en la dirección opuesta, debido a la fuerza de Coriolis que actúa sobre la masa.
La fuerza de Coriolis es detectada por los dedos capacitivos que se encuentran a lo largo de la carcasa de masa y la estructura rígida. A medida que la masa es empujada por la fuerza de Coriolis, se detectará una capacitancia diferencial a medida que los dedos sensores se acerquen. Cuando la masa se empuja en la dirección opuesta, se juntan diferentes conjuntos de dedos sensoriales; así el sensor puede detectar tanto la magnitud como la dirección de la velocidad angular del sistema
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Giroscopio óptico
Los giroscopios ópticos se desarrollaron poco después del descubrimiento de la tecnología láser. El atractivo de este tipo de giroscopio es que no contienen partes móviles y, por lo tanto, no son susceptibles al desgaste mecánico ni a la deriva. Los giroscopios ópticos difieren de otros tipos en que no dependen de la conservación del momento angular para funcionar. En cambio, su funcionalidad depende solo de la constancia de la velocidad de la luz.
Los giroscopios ópticos operan bajo el principio del efecto Sagnac. Es más fácil entender este principio en el caso general de un círculo. Una fuente de luz se coloca en un círculo, emitiendo dos haces de luz en cualquier dirección. Si la fuente permanece estacionaria, ambos haces de luz requieren la misma cantidad de tiempo para atravesar el círculo y volver a la fuente. Sin embargo, si la fuente está girando a lo largo del círculo, el rayo que se encuentra frente a la fuente tarda más tiempo en completar su trayectoria.
De hecho, este principio puede generalizarse a cualquier bucle, independientemente de su forma. En particular, podemos medir el efecto utilizando una configuración de interferometría de anillo. Aquí, un rayo láser se divide primero por un espejo medio plateado. Luego, las dos vigas atraviesan caminos idénticos pero direcciones opuestas alrededor de un bucle que consiste en espejos planos y tubos rectos llenos de aire o un cable largo de fibra óptica. Estos dos haces luego se recombinan en un detector. Cuando el sistema está girando, uno de los haces debe viajar una distancia mayor que el haz opuesto para llegar al detector. Esta diferencia en la longitud del camino (o desplazamiento Doppler) se detecta como un cambio de fase por interferometría. Este cambio de fase es proporcional a la velocidad angular del sistema.
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. A menudo, las unidades de giroscopio óptico consisten en 3 giroscopios mutuamente ortogonales para detectar la rotación de los tres ejes de rotación ortogonales. También se implementan típicamente con acelerómetros de 3 ejes, proporcionando así una detección de movimiento completa en 6 DoF. Al igual que los giroscopios de rotor, los giroscopios ópticos están limitados en cuanto a su pequeño tamaño físico, debido a la gran cantidad de cable de fibra óptica necesaria y la presencia de equipos ópticos. Por lo tanto, estos giroscopios a menudo se usan en aplicaciones navales y de aviación, y donde el tamaño físico no es un problema. Por lo tanto, los giroscopios ópticos generalmente no están disponibles comercialmente
