Un giróscopo es un sensor que mide la velocidad de rotación con respecto a un marco inercial. En consecuencia, captura todos los cambios posteriores en la orientación cuando se gira. Además, dado que el propio marco de coordenadas de la Tierra está girando, un giróscopo situado en el suelo también detectará la velocidad de rotación de la Tierra, aproximadamente 15° por hora. Los giróscopos suelen expresar la salida en grados por segundo (°/s) o radianes por segundo (rad/s).
¿Cómo funciona?
En aplicaciones prácticas, los sistemas integran las velocidades de rotación a alta frecuencia para determinar la orientación del sensor con gran precisión. Por lo tanto, este principio constituye la base de todos los sensores inerciales, incluidos los giroscopios verticales, los sistemas de referencia de actitud y rumbo (AHRS), las unidades de referencia de movimiento (MRU) y los sistemas de navegación inercial (INS).
Además, estos desempeñan un papel fundamental en la determinación de la posición y la velocidad dentro de los marcos INS. Además, los giroscopios de mayor rendimiento —normalmente giroscopios de fibra óptica de bucle cerrado (FOG)— miden directamente la rotación de la Tierra sin necesidad de estimar el sesgo. Como resultado, estos sensores pueden determinar el rumbo sin depender de ninguna referencia externa, una funcionalidad conocida como girocompás. Sin embargo, también existen técnicas alternativas para determinar el rumbo, lo que ayuda a reducir las estrictas limitaciones de esta tecnología.
Los efectos Coriolis y Sagnac en los giroscopios
En cuanto a su principio de funcionamiento, los giroscopios de SBG Systems utilizan dos efectos físicos básicos para medir la rotación: el efecto Coriolis y el efecto Sagnac. En concreto, el efecto Coriolis es utilizado por los giroscopios MEMS. Cuando una masa de prueba vibra en la dirección X, una rotación alrededor del eje Z perpendicular genera una fuerza que provoca el movimiento a lo largo del eje Y.
En consecuencia, varias arquitecturas MEMS implementan este principio, utilizando normalmente vigas o anillos vibratorios. En particular, el rendimiento real de estos giróscopos varía en función de factores como el tamaño y la calidad del elemento MEMS, el encapsulado del sensor y las técnicas de procesamiento mecánico y de señales.
Los giróscopos ópticos, como los FOG, emplean el efecto Sagnac para medir la rotación. En este método, dos fuentes de luz se desplazan en bucle en direcciones opuestas: una en el sentido de las agujas del reloj y la otra en el sentido contrario. Cuando no hay rotación, las ondas de luz llegan simultáneamente; sin embargo, durante la rotación, una trayectoria se alarga mientras que la otra se acorta. En consecuencia, esto genera interferencias, que pueden medirse para deducir la velocidad angular.
Aplicaciones de los giróscopos en la navegación inercial
En conjunto, estos principios permiten a los giroscopios ofrecer datos de movimiento precisos y fiables en una amplia gama de aplicaciones.
Aviación
En la aviación, estos son críticos para la navegación y la estabilidad de la aeronave. Se utilizan en los siguientes sistemas:
- Indicadores de actitud: Estos instrumentos muestran la orientación de la aeronave con respecto al horizonte, lo que ayuda a los pilotos a mantener los ángulos de cabeceo y alabeo adecuados.
- Sistemas de piloto automático: Los giroscopios proporcionan retroalimentación a los sistemas de piloto automático, lo que permite el control automático del rumbo, la altitud y el curso de la aeronave.
- Sistemas de Navegación Inercial (INS): Los INS se basan en giróscopos para rastrear el movimiento y la orientación de la aeronave, proporcionando información de posicionamiento precisa incluso cuando las señales GPS no están disponibles.
Navegación marítima
En lo que respecta a la navegación marítima, los giróscopos ayudan a mantener la estabilidad y el rumbo de los buques y submarinos:
- Girocompases: Los girocompases proporcionan información direccional precisa, independientemente del campo magnético de la Tierra, lo que ayuda a los navegantes a mantener un rumbo estable.
- Los sistemas de estabilización utilizan estos sensores para reducir el balanceo y el cabeceo, mejorando la comodidad de los pasajeros y garantizando la seguridad.
Espacio
Para naves espaciales y satélites, los giroscopios son esenciales para la orientación y el control:
- Sistemas de control de actitud: Los giroscopios ayudan a controlar la orientación de las naves espaciales proporcionando mediciones precisas de los movimientos de rotación, cruciales para tareas como el acoplamiento, el posicionamiento y las maniobras.
- Unidades de Medición Inercial (IMU): Las IMU, que incluyen giroscopios, proporcionan navegación y estabilización para garantizar un posicionamiento y control precisos en el espacio.