Los cinco sentidos del movimiento: uso de la detección inercial MEMS para transformar las aplicaciones

Aunque la tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos) se ha utilizado durante unas dos décadas en el despliegue de los airbags y en los sensores de presión de los automóviles, no fue hasta las interfaces de usuario con sensor de movimiento de la Nintendo^® Wii^® y la Manzana^® iPhone^® para catapultar la conciencia generalizada de lo que pueden hacer los sensores inerciales.

Sin embargo, hasta cierto punto, persiste la idea de que los sensores inerciales son útiles principalmente cuando el producto final necesita detectar la aceleración y la desaceleración. Esto es bastante cierto desde un punto de vista puramente científico. Sin embargo, esto podría estar pasando por alto muchos de los usos en expansión de los acelerómetros y giroscopios MEMS en áreas como los dispositivos médicos, los equipos industriales, la electrónica de consumo y la electrónica del automóvil.

El examen de lo que es posible en cada uno de los cinco modos de detección de movimiento amplía enormemente las opciones más allá de las actuales aplicaciones MEMS de gran volumen. Los cinco modos son la aceleración (incluidos los movimientos de traslación, como la posición y la orientación), la vibración, el choque, la inclinación y la rotación.

Por ejemplo, un acelerómetro con detección de actividad puede habilitar técnicas de gestión de la energía indicando a un dispositivo que pase al modo de menor consumo de energía cuando se determine que el dispositivo está inactivo en ausencia de movimiento o vibración. Los controles complicados y los botones físicos se sustituyen por interfaces de reconocimiento de gestos que se controlan con el toque de un dedo. En otros casos de uso, el funcionamiento de los productos acabados es más preciso, como cuando una brújula tiene compensación del ángulo de inclinación con el que se sostiene en la mano.

Este artículo ofrece una muestra de las formas en que los acelerómetros y giroscopios MEMS avanzados y disponibles en el mercado están preparados para transformar una gama increíblemente diversa de productos finales mediante los cinco tipos de detección de movimiento.

Introducción a la detección de movimiento y a los MEMS

La aceleración, la vibración, el choque, la inclinación y la rotación -con la excepción de la rotación- son, de hecho, diferentes manifestaciones de la aceleración en diferentes períodos de tiempo. Sin embargo, como humanos, no consideramos intuitivamente estos sentidos del movimiento como variaciones de la aceleración/desaceleración. Considerar cada modo por separado nos ayuda a ver más posibilidades.

La aceleración (recuerda, incluyendo el movimiento de traslación) mide el cambio de velocidad en una unidad de tiempo. La velocidad se expresa en metros por segundo (m/s) e incluye tanto la velocidad como la dirección del movimiento. De ello se deduce que la aceleración se mide en metros por segundo al cuadrado (m/s²). La aceleración con un valor negativo (imagina un coche que disminuye su velocidad cuando el conductor frena) se llama desaceleración.

Considera ahora la aceleración en diferentes periodos de tiempo. Las vibraciones pueden considerarse como aceleraciones y desaceleraciones que se producen rápida y periódicamente.

Del mismo modo, un choque es una aceleración que se produce instantáneamente. Pero a diferencia de las vibraciones, un choque es una función no periódica que suele producirse una vez.

Volvamos a estirar la duración del tiempo. Cuando se mueve un objeto para cambiar su inclinación o su inclinación, se produce algún cambio de posición respecto a la gravedad. Este movimiento suele producirse con bastante lentitud en comparación con las vibraciones y los golpes.

Como estos cuatro primeros modos de detección de movimiento implican cada uno algún aspecto de la aceleración, se miden con g-fuerza, la unidad de fuerza que la gravedad ejerce sobre un objeto en la Tierra (un g equivale a 9,8 m/s²). Un acelerómetro MEMS detecta la inclinación midiendo el efecto que la fuerza de la gravedad ejerce sobre los ejes del acelerómetro. En el caso de un acelerómetro de 3 ejes, tres salidas separadas miden la aceleración a lo largo de los ejes X, Y y Z del movimiento.

Los acelerómetros que tienen la mayor cuota de mercado actualmente utilizan condensadores diferenciales para medir g-fuerza, que luego se convierte en voltios o bits (en el caso de los acelerómetros de salida digital) y se pasa a un microprocesador para que realice una acción. Los recientes avances tecnológicos han hecho posible la fabricación de diminutos acelerómetros MEMS en pequeñas cantidades g y alta g rangos de detección con un ancho de banda mucho mayor que antes, lo que aumenta considerablemente el alcance de las aplicaciones potenciales. Una baja g el rango de detección es inferior a 20 g y se ocupa del movimiento que puede generar un ser humano. Top g es útil para detectar movimientos relacionados con la máquina o el vehículo, esencialmente movimientos que el ser humano no puede crear.

Hasta ahora sólo hemos hablado del movimiento de velocidad lineal, el tipo de movimiento que incluye la aceleración, la vibración, el choque y la inclinación. La rotación es una medida del movimiento de la velocidad angular. Este modo se diferencia de los demás en que la rotación puede tener lugar sin que cambie la aceleración. Para entender cómo funciona, imagina un sensor inercial de 3 ejes. Digamos que los ejes X e Y del sensor son paralelos a la superficie de la Tierra; el eje Z está dirigido hacia el centro de la Tierra. En esta posición, el eje Z mide 1 gel registro 0 de los ejes X e Y g. Ahora gira el sensor para que se mueva sólo alrededor del eje Z. Los planos X e Y simplemente giran, continuando la medida 0 g mientras que el eje Z siempre mide 1 g.

Los giroscopios MEMS se utilizan para detectar este movimiento de rotación. Como algunos productos finales necesitan medir la rotación además de otras formas de movimiento, los giroscopios pueden integrarse en una IMU (unidad de medición inercial) que incorpore un giroscopio multieje y un acelerómetro multieje.

Aceleración de la usabilidad y gestión de la energía

Ya hemos observado que la aceleración entra en juego para detectar el movimiento y la posición. Esto crea la posibilidad de utilizar un acelerómetro MEMS para notar cuándo se coge y se deja un dispositivo, que al detectarlo puede generar una interrupción que encienda y apague las funciones automáticamente. Se pueden mantener activas varias combinaciones de funciones o ponerlas en el estado de menor potencia posible. Las funciones de encendido y apagado controladas por movimiento son fáciles de usar porque eliminan las acciones repetitivas del usuario. Además, proporcionan una gestión de la energía que permite que el dispositivo dure más tiempo entre la recarga y la sustitución de la batería. Un mando a distancia inteligente con una pantalla LCD retroiluminada es un escenario potencial.

Otra forma de utilizar un acelerómetro para detectar el movimiento y generar una interrupción sería en una radio para personal militar o de seguridad pública. Para mantener la seguridad de la comunicación, cuando la radio deje de ser transportada, podría requerir una nueva autentificación antes de permitir el acceso del usuario. Ten en cuenta que, para que resulten prácticos en un diseño portátil o de pequeño factor de forma, los dos casos de uso anteriores dependerían de acelerómetros que consumieran poca corriente: varios microamperios (μA) como máximo.

Otra aplicación de la detección de movimiento es en los equipos médicos, como los desfibriladores externos automáticos. Normalmente, los DEA se han diseñado para administrar una descarga que permita al corazón del paciente volver a bombear. Cuando esto falla, debe realizarse la reanimación cardiopulmonar manual. Un reanimador con menos experiencia puede no comprimir el pecho del paciente lo suficiente para que la RCP sea eficaz. Los acelerómetros incorporados a las almohadillas torácicas del DEA pueden utilizarse para dar al reanimador información sobre el nivel adecuado de compresión midiendo la distancia a la que se mueve la almohadilla.

Vibración para el control y la conservación de la energía

Los ligeros cambios en las vibraciones son el principal indicador de rodamientos desgastados, componentes mecánicos desalineados y otros problemas en la maquinaria, incluidos los equipos industriales. Los acelerómetros MEMS, muy pequeños y de gran ancho de banda, son ideales para controlar las vibraciones en motores, ventiladores y compresores. Ser capaz de realizar un mantenimiento predictivo permite a las empresas de fabricación evitar daños en equipos costosos y prevenir averías que provocan costosas pérdidas de productividad.

La medición de los cambios en la firma de vibración de los equipos también podría utilizarse para detectar si las máquinas están configuradas para funcionar de forma eficiente desde el punto de vista energético. Si no se corrige, este funcionamiento ineficiente podría socavar los esfuerzos de fabricación ecológica de una empresa y aumentar sus facturas de electricidad o, en última instancia, provocar daños en los equipos.

Choque, reconocimiento de gestos y más

La protección de la unidad de disco de muchos ordenadores portátiles es una de las aplicaciones de detección de golpes más utilizadas hasta la fecha. Un acelerómetro detecta pequeñas g-fuerzas que indican que el portátil está cayendo o descendiendo, lo que es un precursor de un evento de choque: golpear el suelo. En milisegundos, el sistema ordena al cabezal del disco duro que se aparque. Al aparcar el cabezal se evita el contacto con el plato del disco durante el impacto, evitando así que se dañe el disco y la consiguiente pérdida de datos.

Las interfaces de reconocimiento de gestos son un nuevo y prometedor uso de este tipo de sensores inerciales. Los gestos definidos, como el toque, el doble toque o la sacudida, permiten a los usuarios activar diferentes funciones o ajustar el modo de funcionamiento. El reconocimiento de gestos hace que los dispositivos sean más utilizables donde los botones e interruptores físicos serían difíciles de manejar. Los diseños sin botones también pueden reducir el coste total del sistema, además de mejorar la durabilidad de los productos finales, como las cámaras subacuáticas, en las que la abertura alrededor de un botón permitiría que el agua se filtrara en el cuerpo de la cámara.

La electrónica de consumo de pequeño formato es sólo una de las áreas de aplicación en las que tiene cabida el reconocimiento de gestos basado en el acelerómetro. Los acelerómetros MEMS, extremadamente pequeños y de bajo consumo, hacen que las interfaces de toma sean adecuadas para los dispositivos médicos portátiles e implantables, como las bombas de administración de medicamentos y los audífonos.

Detección de la inclinación para un funcionamiento preciso

La detección de la inclinación también tiene un enorme potencial en las interfaces de reconocimiento de gestos. Por ejemplo, puede ser preferible utilizar sólo una mano en aplicaciones como la construcción o los equipos de inspección industrial. La mano que no maneja el dispositivo queda libre para controlar el cazo o la plataforma sobre la que está el operario, o quizás para sujetar un cordón de seguridad. El operador podía simplemente "girar" la sonda o el dispositivo para ajustar su configuración.

Un acelerómetro de 3 ejes detectaría la rotación como inclinación en este caso: midiendo los cambios de inclinación a baja velocidad en presencia de la gravedad, detectando el cambio en el vector gravedad y determinando si la dirección es en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. La detección de la inclinación también podría combinarse con el reconocimiento de golpes para que el operador pueda controlar más funciones del aparato con una sola mano.

Otra área importante en la que resulta útil la medición de la inclinación es en la compensación de la posición de un aparato. Toma la brújula electrónica de un GPS (sistema de posicionamiento global) o de un teléfono móvil. Un problema bien conocido es el error de rumbo que se produce cuando la brújula no está colocada exactamente en paralelo a la superficie de la Tierra.

Las balanzas industriales son otro ejemplo. En esta aplicación, hay que calcular la inclinación de un cubo cargado respecto a la Tierra para leer el peso con precisión. Los sensores de presión, como los utilizados en los automóviles y la maquinaria industrial, también están sujetos a los efectos de la gravedad. Estos sensores contienen diafragmas cuya deflexión cambia en función de la posición en la que está montado el sensor. En todas estas situaciones, los acelerómetros MEMS realizan la detección de inclinación necesaria para compensar el error.

Rotación: Giroscopios y IMUs en acción

Como ya se ha mencionado, las aplicaciones de la tecnología MEMS en el mundo real pueden beneficiarse de la combinación de la rotación con otras formas de detección inercial, lo que en la práctica requiere el uso de un acelerómetro y un giroscopio.

Se han introducido unidades de medición inercial que incluyen un acelerómetro multieje, un giroscopio multieje y, para aumentar aún más la precisión del rumbo, un magnetómetro multieje. Además, la IMU puede proporcionar un total de 6 grados de libertad (6DoF). Esto aporta una resolución ultrafina a aplicaciones como los equipos de imagen médica, los instrumentos quirúrgicos, las prótesis avanzadas y el guiado automático de vehículos industriales. Además de un funcionamiento muy preciso, otra ventaja de elegir una IMU es que sus múltiples funciones pueden ser probadas y calibradas previamente por el fabricante del sensor.

Las IMU también son útiles en casos en los que la necesidad de precisión no es tan evidente. Los ejemplos incluyen un palo de golf inteligente que rastrea y registra cada movimiento de un swing para poder perfeccionar la técnica del golfista. Los acelerómetros del interior del palo miden la aceleración y el plano del swing, mientras que los giroscopios miden la pronación, o torsión, de las manos del golfista durante el swing. El palo de golf registra los datos recogidos durante el juego o la práctica para su posterior análisis en un PC.

Nueva ola de procesamiento de señales

Tanto si se trata de funciones fáciles de usar, de minimizar el consumo de energía, de eliminar los botones y controles físicos, de compensar la gravedad y la posición, o de un funcionamiento más inteligente, la detección inercial basada en MEMS ofrece una gran cantidad de opciones para explorar en las cinco direcciones del movimiento.

Innovadores como Analog Devices, con su iMEMS^® Procesamiento de la señal de movimiento^™ están liderando la creación de los acelerómetros y giroscopios necesarios para ofrecer esta nueva ola de procesamiento de señales. Una creciente gama de aplicaciones de detección de movimiento se beneficiará del pequeño tamaño, la alta resolución, el bajo consumo de energía, la alta fiabilidad, los circuitos de acondicionamiento de la señal y la funcionalidad integrada que proporcionan estas soluciones de CI.

Referencias

Knivett, Vanessa "Acelerómetros MEMS: ¿una vía rápida para el éxito del diseño?" Planeta analógico. 11 de febrero de 2009.