En teoría, la doble integración de los datos del acelerómetro con el tiempo debería dar lugar al desplazamiento. Sin embargo, esto no se practica ampliamente debido a lo susceptible que es el acelerómetro al ruido (y otras razones), y generalmente recurrimos a enfoques basados en la visión o de señalización.
¿Cuáles son las barreras técnicas que nos impiden crear un acelerómetro digital que sea lo suficientemente preciso para determinar el desplazamiento?
se utilizan con frecuencia para determinar el desplazamiento. Por supuesto, la precisión ( desviación y desviación de desviación y errores de ganancia y no linealidad ) lleva a acumular errores a lo largo del tiempo. Es perfectamente adecuado proporcionar una guía de cómputo muerto durante un corto período de tiempo (como lo puede requerir un ICBM). La precisión extrema cuesta mucho dinero y una IMU aeroespacial de rango medio puede costar tanto como un automóvil pequeño. No es de forma remota en la misma clase que los acelerómetros baratos en un teléfono inteligente.
Si tiene aceleraciones pequeñas o altamente variables y necesita tener un bajo error acumulado durante un período de tiempo relativamente largo, necesita alguna forma de reducir el error acumulado, al tiempo que permite que la guía inercial se ocupe de movimientos pequeños y rápidos. El resultado de este requisito es la fusión de sensores con algo como GPS, visión o seguimiento de estrellas. Esto normalmente implica un filtro de Kalman.
Editar: Para abordar la pregunta específica como comentarios de @PDuarte, no existe un "acelerómetro digital", al menos que yo sepa, solo acelerómetros analógicos con alguna forma de digitalización. Un acelerómetro generalmente involucra una masa de prueba restringida de alguna manera (típicamente por algún tipo de flexión) y con la posición medida o la fuerza requerida para devolverlo a una posición neutral medida (lo cual, por supuesto, también implica medir el desplazamiento de la masa de prueba a una posición nula). Las imprecisiones mecánicas afectan la orientación del eje, térmica y mecánicamente la orientación del eje no será completamente estable, la medición de la posición está sujeta a ruido, en el nivel más elemental existe un ruido mecánico irreductible relacionado con el amortiguamiento mecánico análogo al ruido de Johnson-Nyquist en resistencias Hacer que la masa y la estructura sean físicamente más grandes y pesadas reduce el ruido, pero reduce la respuesta de frecuencia, por lo que hay una compensación.
Si es un tipo de balance de fuerza, hay ruido relacionado con la medición de la fuerza y la inestabilidad de la temperatura en la medición. Los acelerómetros de alto rendimiento tienden a ser relativamente grandes, por lo que existirán gradientes de temperatura dentro de su estructura. Los cambios de polarización a largo plazo pueden ocurrir por razones metalúrgicas o desconocidas, histéresis térmica, cambios en (por ejemplo) circuitos magnéticos. Otros factores externos a la temperatura, como los campos magnéticos, los voltajes de suministro, el envejecimiento de los componentes, la radiación, etc., afectan la polarización y ganan estabilidad. Todos los acelerómetros reales tienen no linealidad de medición y mecánica y otros errores, por lo que la vibración y la aceleración fuera del eje pueden ser indistinguibles de la aceleración real en el supuesto eje de medición. Esos errores se integran y acumulan a lo largo del tiempo de integración. Y, finalmente, la conversión de analógico a digital tiene sus propias contribuciones de deriva, linealidad y ruido, incluida la deriva de referencia.
El costo es alto debido a la extrema precisión mecánica, el diseño complejo y los materiales exóticos necesarios para obtener errores muy bajos. Una referencia de voltaje muy estable, por ejemplo, podría costar 1000x más para obtener solo la última mejora de 10: 1 en precisión y estabilidad. Para aplicaciones de gama más baja, los acelerómetros "digitales" de MEMS se pueden hacer con procesos de IC modificados y han ido mejorando a lo largo de los años desde que ADI introdujo los primeros sensores analógicos de alto volumen para airbags hace décadas. Creo que tienden a usar estructuras en voladizo con medición y actuación capacitiva. Hay numerosos artículos científicos con detalles horripilantes sobre el diseño de estas cosas, y se están topando con los límites físicos debido al pequeño tamaño y otras limitaciones físicas. Para ver ejemplos de acelerómetros verdaderos de alta precisión (no MEMS), puede ver algunos de los instrumentos criogénicos y basados en el espacio. Resulta que estoy involucrado en algunas de estas áreas, y es extremadamente difícil y muy costoso exprimir el último orden de magnitud de rendimiento.
Cualquiera de las dos cosas:
El acelerómetro perfecto con una precisión perfecta, totalmente lineal con desviación y desviación cero (eso no va a suceder). Si hay algún error, se integrará dos veces en la posición (sin mencionar que debe proporcionar dos condiciones iniciales para el integrador doble).
Fusión de sensores. Sensores adicionales para proporcionar las dos condiciones iniciales y para detectar y corregir los errores inevitables que se acumularán en su integración de los acelerómetros. Sin embargo, la mayoría de los sensores que son capaces de esto también son capaces de reemplazar completamente los acelerómetros para la determinación de la posición.
Los acelerómetros no son muy buenos para la velocidad o la posición. Pero los acelerómetros sobresalen en la aceleración.
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