El giroscopio es un dispositivo que mide o mantiene el movimiento rotacional. Los giroscopios MEMS (sistema micro electromecánico) son sensores pequeños y baratos que miden la velocidad angular. Las unidades de velocidad angular se miden en grados por segundo (°/s) o revoluciones por segundo (RPS). La velocidad angular es simplemente la medición de la velocidad de rotación.
Los giroscopios, similares al anterior, se pueden utilizar para determinar la orientación y se encuentran en la mayoría de los sistemas de navegación autónoma. Por ejemplo, si quieres balancear un robot, el giroscopio se puede utilizar para medir la rotación de la posición balanceada y enviar las correcciones a un motor.
Conceptos que encontraras en este tutorial
Antes de comenzar con este tutorial, puede que quieras leer sobre estos conceptos si no estas familiarizado con ellos.
- Niveles Lógicos
- Comunicación SPI
- Comunicación I2C
- Conversión Análoga Digital
¿Cómo Funciona un Giroscopio?
Cuando las cosas rotan alrededor de un eje, adquieren lo que se llama velocidad angular. La rotación de una rueda se puede medir en revoluciones por segundo (RPS) o grados por segundo (°/s).
Fíjate que el eje z del giroscopio, que se muestra en la figura de abajo, se alinea con el eje de rotación de la rueda.
Si unes el sensor a la rueda que se muestra arriba, puede medir la velocidad angular del eje Z del giroscopio. Los otros dos ejes no medirían ningún tipo de rotación.
Imagínate que la rueda da vuelta una vez por segundo. Tendría una velocidad angular de 360 grados por segundo. La dirección de rotación también es importante. ¿Es en sentido con las manijas del reloj alrededor del eje, o es en sentido contrario a las manijas del reloj alrededor del eje?
Un giroscopio MEMS de tres ejes, similar al de la foto anterior (ITG-3200), puede medir la rotación alrededor de tres ejes: x, y, z. Algunos giroscopios vienen en variedades de uno y de dos ejes, pero el giroscopio de tres ejes en un solo chip se está volviendo más pequeño, más barato, y más popular.
Los giroscopios son a menudo utilizados en objetos que no rotan muy rápido. Los aviones (por suerte) no giran. En vez rotan algunos grados en cada eje. Al detectar estos pequeños cambios, los giroscopios ayudan a estabilizar el vuelo del avión. También, observe que la aceleración o la velocidad lineal del avión no afectan la medición del giroscopio. Los giroscopios solo miden velocidad angular.
¿Cómo detecta la velocidad angular el giroscopio MEMS?
El sensor giroscopio, dentro de la categoría MEMS, es bastante pequeño (entre 1 a 100 micrómetros, el tamaño de un pelo humano). Cuando se hace girar el giroscopio, una pequeña masa se desplaza a medida que cambia la velocidad angular. Este movimiento se convierte en señales eléctricas de muy baja corriente que pueden ser amplificadas y leídas por un microcontrolador.
¿Cómo conectar un giroscopio?
Las principales conexiones de hardware para utilizar un giroscopio son una interfaz de poder y una interfaz de comunicación. Como siempre, debes de revisar el datasheet del sensor para obtener mayor información sobre las especificaciones y conexiones de ejemplo.
Interfaz de Comunicación
Los giroscopios pueden tener una interfaz de comunicación digital o análoga.
- Los giroscopios con un interfaz digital generalmente utilizan protocolos de comunicación SPI o I2C. Utilizar estas interfaces permite una fácil conexión al microcontrolador. Una de las limitaciones de una interfaz digital es la tasa de muestreo máxima. I2C tiene una tasa de muestreo máxima de 400Hz. SPI, por el otro lado, puede tener una tasa de muestreo mucho más alta.
- Los giroscopios con una interfaz análoga, representan la velocidad rotacional mediante una variación de voltaje, generalmente entre la tierra y el voltaje de la fuente de alimentación. Un ADC en un microcontrolador puede ser utilizado para leer la señal. Los giroscopios análogos pueden ser más baratos y a veces más precisos, dependiendo de cómo se lea la señal análoga.
Potencia
Los giroscopios MEMS son generalmente dispositivos de menos potencia. Las corrientes de operación están en el orden de los mili Ampere y a veces los micro Ampere. El voltaje de fuente de los giroscopios es generalmente de 5V o menos. Los giroscopios digitales pueden tener voltajes lógicos seleccionables u operan en el voltaje de fuente. Para cualquier interfaz digital, recuerde conectar los 5V a líneas de 5V y los 3.3V a las líneas de 3.3V. También, los giroscopios con interfaz digital tienen modos de bajo consumo de energía y de espera (sleep), que les permiten ser utilizados en aplicaciones alimentadas por baterías. A veces esto es una ventaja con respecto al giroscopio análogo.
¿Cómo seleccionar un giroscopio?
Hay muchas especificaciones que se deben considerar cuando se trata de descifrar que tipo de giroscopio utilizar. Aquí hay algunos de los más importantes y útiles.
Rango
El rango de medición o el rango de escala completa, es la máxima velocidad angular que un giroscopio puede leer. Piense en lo que vas a medir. ¿Necesitas medir la rotación de un tocador de disco, la cual es muy lenta, o la rotación de una rueda, la cual podría ser muy rápida.
Sensibilidad
La sensibilidad se mide en mV por grado por segundo (mV/°/s). No dejes que la extraña dimensión de este valor te asuste. Determina cuanto cambia el voltaje para una velocidad angular dada. Por ejemplo, si un giroscopio se especifica con una sensibilidad de 30mV/°/s y ve un cambio de 300mV en la salida, has rotado el giroscopio 10°/s.
Una buena regla para recordar: a medida que sube la sensibilidad, el rango disminuye. Por ejemplo, ve el datasheet del giroscopio LPY503 o cualquier giroscopio con un rango seleccionable:
Fíjate que con un mayor rango, la sensibilidad sufre y se obtiene menor resolución.
Voltaje de Polarización
Como con cualquier sensor, los valores que se miden pueden contener alguna cantidad de error o de voltaje de polarización. Puede ver el voltaje de polarización del giroscopio al medir la salida cuando el giroscopio este quieto. Aunque uno pensaría que vería 0° cuando el giroscopio este quieto, siempre va a ver un pequeño error en la salida. Estos errores a veces se llaman polarización de desviación o inestabilidad de polarización. La temperatura del sensor afecta en gran medida el voltaje de polarización. Para ayudar a minimizar la fuente de este error, la mayoría de los giroscopios tienen un sensor de temperatura integrado. Por lo tanto, se puede leer la temperatura del sensor y corregir cualquier cambio que dependa de la temperatura. Para corregir estos errores, el giroscopio debe estar calibrado. Esto se hace generalmente al mantener quieto el giroscopio y reducir a cero todas las lecturas en su código.