Sistema de navegación inercial (INS)

«En la guerra, la dirección táctica precisa es tan vital como la elección de armas; aquellos que navegan con astucia logran influir en el curso de la historia.»

Anónimo

El sistema de navegación inercial es como su propia palabra indica un sistema compuesto por un conjunto de dispositivos y programas algorítmicos que tiene la capacidad de determinar la velocidad, posición y orientación de un vehículo (También se da en misiles) en movimiento, sin hacer uso de fuentes de información externas como el GPS.

Este sistema se compone de sensores como acelerómetros, giroscopios y barómetros, también se pueden incorporar magnetómetros o sensores de temperatura.

Acelerómetro

El acelerómetro es un sensor diseñado para medir la aceleración de un objeto en movimiento. La aceleración se refiere a la tasa de cambio de la velocidad de un objeto en función del tiempo. Estos sensores son ampliamente utilizados en diversos dispositivos y sistemas para medir la aceleración expresada en fuerzas, en diferentes direcciones. Su importancia se destaca especialmente en sistemas de vuelo, donde la precisión en la medición de la aceleración es crucial para el control y la estabilidad. En aeronaves que no llevan motor como es en el caso de los planeadores, los acelerómetros son útiles para proporcionar datos de movimiento y ayudar en el control de vuelo manual, pues detectan la orientación de la aeronave respecto de los ejes longitudinal, lateral y vertical.

Estos dispositivos también son capaces de detectar situaciones de estol. El estol es un fenómeno aerodinámico que aparece en una aeronave cuando pierde su capacidad de mantenerse estable en vuelo de forma controlada al perder excesivamente su fuerza de sustentación.

Siempre que se vayan a incorporar acelerómetros en una aeronave, es esencial que estos sean confiables y precisos para garantizar seguridad y eficiencia. Por ello, a continuación, se van a mostrar algunos fabricantes de los modelos de acelerómetros más utilizados en aplicaciones en aeronaves. Algunos de estos son:

• Analog Devices ADXL Series
• STMicroelectronics LIS Series
• InvenSense MPU Series
• Honeywell HGuide Series

En cuanto a la producción de estos componentes, es relevante señalar que los sensores en la actualidad tienden a emplear tecnología MEMS (Sistemas Microelectromecánicos).

Estos sensores constan de una masa suspendida mediante muelles flexibles, lo que permite su movimiento en respuesta a las fuerzas de aceleración. Alrededor de esta masa se ubican condensadores, compuestos por placas fijas y móviles. La distancia entre estas placas varía con el movimiento de la masa, alterando los valores de los condensadores y posibilitando así la medición precisa de la aceleración. El rango de medición y la sensibilidad del acelerómetro son determinados por el diseño de la masa suspendida y la geometría de los condensadores.

Estos componentes se encuentran dentro de un encapsulado el cual no solo los protege de fuerzas mecánicas, también los aporta hermetismo, resistencia a altas temperaturas, resistencia a radiaciones y compatibilidad electromagnética.

Algunos tipos de encapsulados pueden ser: encapsulados LGA (Land Grid Array), encapsulado QFN (Quad Flat No-leads) o encapsulado TO (Transistor Outline).

Es común el uso de filtros para eliminar el ruido no deseado y obtener la información únicamente de las frecuencias relevantes, algunos tipos de filtros son filtros analógicos, digitales, adaptativos o filtro Kalman.

El filtro Kalman es uno de los filtros más utilizados en sistemas de navegación inercial pues trabaja con un enfoque estadístico apto para señales con cambios abruptos como es el caso.

Giroscopio

Un giroscopio es un instrumento de medición que permite medir o mantener la orientación angular de un objeto. Tiene como funciones principales proporcionar información sobre velocidad de rotación y la orientación del objeto en el espacio.

Hay multitud de tipos de giroscopios según sus características, como son los giroscopios de fibra óptica, los cuales miden las interferencias de las ondas de luz que viajan a través de las fibras provocadas por la rotación del sensor. También existen los giroscopios de resonancia magnética nuclear, los cuales son precisos y utilizados para aplicaciones especiales por ello.

En general los giroscopios utilizados en sistemas electrónicos en aeronaves son tipo MEMS, al igual que pasaba con los acelerómetros. En este caso estos, se suelen basar en detectar la fuerza de Coriolis que actúa sobre un elemento vibratorio cuando rota. El resultado de esta fuerza permite determinar la velocidad angular del objeto al que se encuentra fijado el giroscopio.

Este dispositivo es esencial en el conjunto de sensores de una aeronave, desempeñando un papel fundamental en la navegación y control de la misma. Realiza mediciones de la velocidad angular (en radianes por segundo), lo que proporciona información sobre la rapidez con la que un objeto gira alrededor de un eje específico. Además, mide el ángulo de inclinación, indicando la orientación del objeto en el espacio, así como la aceleración angular y el momento angular en relación con el eje alrededor del cual está diseñado para medir la rotación.

El giroscopio es utilizado en una aeronave para varios sistemas como, el sistema de navegación inercial al igual que el acelerómetro, también es usado para los sistemas de control de vuelo, pues, estos sistemas pueden ajustar automáticamente los controles para contrarrestar turbulencias y cambios en la condición de vuelo. Además, ayudan al sistema de aterrizaje automático en el caso de que el piloto lo requiera, especialmente en condiciones de baja visibilidad.

Barómetro

El barómetro es un sensor capaz de medir la presión atmosférica del lugar donde se encuentra, es decir de medir la fuerza que ejerce la columna de aire que se sitúa sobre el dispositivo, por ello el valor de la medición cambiará con la altitud.

Antiguamente estos sensores estaban compuestos por una columna de mercurio en un tubo de vidrio cerrado al vacío, esta columna indicaba la presión atmosférica. Hoy en día la toxicidad del mercurio ha hecho que este tipo de sensores caiga en desuso, dando paso a los barómetros que utilizan una cápsula aneroide sellada al vacío, la cual indica en un dial la presión atmosférica, en la siguiente figura se muestra un ejemplo de barómetro aneroide.  

Hay varios tipos de barómetros en el mercado, pero, en sistemas de navegación inercial (INS), los cuales requieren una medición precisa de la presión atmosférica no cualquier barómetro es válido.

Por lo general en sistemas sofisticados como puede ser el INS de una aeronave se utilizan barómetros piezoeléctricos y barómetros capacitivos.

Un barómetro piezoeléctrico se basa en un cristal piezoeléctrico sensible a la presión atmosférica. Cuando hay cambios en la altitud, este cristal experimenta una deformación mecánica que genera de manera estable una carga eléctrica. Este proceso es diferente de la respuesta que típicamente asociamos a los cristales, ya que en este caso no se producen oscilaciones continuas, sino una respuesta lineal a la variación de la presión atmosférica por deformación.

El barómetro capacitivo tiene la capacidad de medir la presión atmosférica a través de cambios en la capacitancia del sensor. Este cambio se produce al variar la distancia que existe entre las placas internas del condensador.

Para obtener una señal realmente útil para su posterior procesado no es posible conectar directamente el ADC (Convertidor Analógico-Digital) a la salida del sensor pues este es pasivo y no obtendrá ninguna señal. Por tanto, deberá ir acompañado de una tensión alterna para que el componente sea alimentado y un medio determinado para detectar las variaciones que produzcan en el tiempo de la medición.

Se pueden utilizar puentes como el puente Wien o el puente Schering, ambos utilizados para medir capacitancias de condensadores además de poder obtener información de otras características como algunas propiedades de aislamiento.

Magnetómetro

El magnetómetro es el sensor capaz de identificar la orientación de la aeronave o el misil que lo portan, haciendo posible la comparación respecto del campo magnético terrestre.

El funcionamiento del magnetómetro varia respecto de su diseño de fabricación, pues existen varios tipos, algunos son, los magnetómetros de efecto Hall, de estado sólido, de superconducción, de protones, etc.

El magnetómetro de estado sólido es más utilizado en sistemas de navegación inercial, pues tienen las características de ser ligeros, compactos y de alta precisión, además de un consumo escaso, presentan oposición a interferencias magnéticas externas (También pueden incluir técnicas de calibración). Sus mediciones son realizadas aprovechando el efecto hall, el cual genera un voltaje de salida en función de la perpendicularidad de un campo magnético externo.

Estos sensores son clave en la corrección de la deriva de los giroscopios producida por el paso del tiempo. El filtrado de la señal proveniente de este sensor se realiza comúnmente mediante algoritmos como el filtro de Kalman, el cual integra las señales de los demás sensores para una estimación más precisa.

Gracias por su atención y un saludo del equipo de ElectroBlindado.com