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Acelerómetros MEMS para ROV, AUV y sistemas marinos y marítimos

Summer James

Resumen por Summer James

Actualizado:

Los acelerómetros MEMS son sensores compactos que detectan la aceleración. En ROVs, AUVs y ASVs, permiten un seguimiento preciso del movimiento, control e integración con sistemas de navegación inercial (INS).

Los acelerómetros MEMS utilizan estructuras micromecanizadas, como voladizos o masas de prueba, grabadas en obleas de silicio para detectar fuerzas de aceleración. Cuando un conjunto experimenta movimiento o fuerzas gravitatorias, la masa de prueba se desplaza ligeramente. Este desplazamiento se convierte en una señal eléctrica mediante transducción capacitiva, piezoresistiva o piezoeléctrica.

Acelerómetro MEMS de SDI

Acelerómetro MEMS 1522 de SDI

Debido a su construcción a microescala, los acelerómetros MEMS ofrecen ventajas clave sobre los acelerómetros tradicionales:

  • Compactos y ligeros: ideales cuando el espacio es reducido, como en el interior de los bastidores de los ROV o los fuselajes de los AUV.
  • Bajo consumo: adecuados para plataformas alimentadas por baterías con presupuestos de energía limitados.
  • Rentabilidad: ampliamente disponibles y más baratos que los sensores tácticos de gama alta.
  • Medición multieje escalable: Los acelerómetros de 3 ejes vienen en paquetes pequeños.

En el contexto marítimo, los acelerómetros MEMS suelen combinarse con giroscopios MEMS para formar unidades de medición inercial (IMU) MEMS. Cuando se integran con sistemas de navegación inercial (INS), estos componentes permiten una estimación continua de la posición y la actitud incluso cuando no se dispone de GPS.

Tipos de acelerómetros MEMS

Existen varios tipos de acelerómetros MEMS que merece la pena conocer:

  • Acelerómetros capacitivos: utilizan placas capacitivas para detectar el movimiento de la masa de prueba. Ofrecen buena resolución, estabilidad y un amplio rango de temperaturas, lo que los hace ideales para diseños marinos.
  • Acelerómetros piezoresistivos y piezoeléctricos: más adecuados para mediciones de alta frecuencia o de choque. Los de tipo piezoeléctrico, habituales en los acelerómetros piezoeléctricos, son robustos y prácticos para la supervisión de vibraciones en cascos o maquinaria.
  • Acelerómetros digitales: integran ADC a bordo para emitir señales digitales a través de I²C o SPI, lo que reduce la susceptibilidad al ruido analógico y facilita la integración, especialmente en pilas de electrónica marina.
  • Variantes de 3 ejes y multieje: permiten una detección completa del movimiento, cabeceo, balanceo y guiñada; necesarios para la navegación y la estabilización en entornos acuáticos dinámicos.

Acelerómetros MEMS en ROVs, AUVs y ASVs

ROVs

  • Control de actitud: los acelerómetros de 3 ejes detectan el cabeceo y el balanceo, lo que ayuda a los sistemas de control a mantener la estabilidad y mejorar la maniobrabilidad cerca del fondo marino o de estructuras.
  • Control de choques/vibraciones: los sensores de tipo piezoeléctrico miden los impactos o las vibraciones mecánicas, garantizando la fiabilidad y reduciendo las necesidades de mantenimiento.
  • Navegación inercial: combinados en IMU, los acelerómetros alimentan el INS para mantener el rumbo y la profundidad cuando el posicionamiento acústico anclado es inestable o no está disponible.

AUVs

  • Navegación a estima: Los datos del acelerómetro y el giroscopio MEMS permiten estimar la posición entre los puntos GPS de superficie.
  • Estabilización: los datos de aceleración en tiempo real permiten el control adaptativo de la profundidad, la altitud y la velocidad.
  • Evitación de colisiones: la detección rápida de la desaceleración permite a los sistemas detectar el contacto o los obstáculos cercanos.

ASVs

  • Apoyo a la navegación: los acelerómetros de las IMU de los buques de superficie complementan al GNSS para fijar la posición con precisión en mares agitados o zonas sin GNSS.
  • Compensación del movimiento: los datos precisos de aceleración permiten la compensación dinámica de cargas útiles como sonares, sensores o antenas.
  • Sistemas de seguridad: detectan movimientos bruscos que indican colisiones, inundaciones o fallos de los equipos.

Integración en sistemas de navegación inercial

Acelerómetro de Tronics Microsystems

Acelerómetro AXO®315 de Tronics Microsystems

Un INS combina acelerómetros y giroscopios en una IMU, alimentando datos de movimiento a algoritmos que calculan la posición, la velocidad y la orientación a lo largo del tiempo. El INS desempeña estas funciones:

  • Supervivencia: mantiene la navegación cuando no se dispone de ayudas externas como el GPS.
  • Sinergia del sistema: se integra con registros de velocidad Doppler (DVL), sensores de profundidad, brújulas magnéticas y GNSS mediante la fusión de sensores.
  • Cartografía de precisión del fondo marino: esencial para los AUV de prospección geofísica o los ROV de sonar de barrido lateral.

Los acelerómetros MEMS mejoran notablemente el rendimiento de los sistemas de navegación inercial al proporcionar una detección de la aceleración rentable y fiable. Las unidades MEMS de gama alta presentan baja deriva de polarización, alta resolución y respuesta estable a la temperatura, características necesarias para una navegación marítima precisa.

Otras aplicaciones marítimas de los acelerómetros MEMS

Más allá de los sistemas basados en vehículos, los acelerómetros MEMS están siendo ampliamente adoptados en otras aplicaciones marítimas. Su pequeño tamaño, fiabilidad y capacidad de respuesta los hacen idóneos para la supervisión, el control y el diagnóstico en entornos marinos estáticos y dinámicos. Entre los principales casos de uso figuran:

  • Control del estado estructural: los acelerómetros instalados en cascos de buques, plataformas marinas y estructuras submarinas detectan señales de vibración indicativas de fatiga, bioincrustaciones o anomalías estructurales.
  • Control de estado: control de sistemas mecánicos a bordo de buques y embarcaciones para detectar rotores desequilibrados, desalineaciones o fallos en los cojinetes.
  • Vehículos submarinos más allá de los AUV: planeadores, flotadores de perfilado y planeadores de olas utilizan acelerómetros MEMS para el seguimiento y control del movimiento.
  • Sistemas de amarre y boyas: seguimiento de las aceleraciones inducidas por la inclinación o el oleaje en boyas, estaciones de control meteorológico o plataformas de teledetección.

Cómo elegir el sensor de acelerómetro MEMS adecuado

Entre los factores importantes a la hora de seleccionar se incluyen:

  • Rango de medición: ±2 g para movimientos suaves frente a ±200 g+ para impactos/vibraciones.
  • Ancho de banda: los anchos de banda bajos (≤100 Hz) son adecuados para la navegación; los anchos de banda altos (>1 kHz) son adecuados para la supervisión de vibraciones.
  • Densidad de ruido y resolución: determinan la capacidad del sensor para detectar pequeños cambios de aceleración, esenciales en la navegación inercial.
  • Estabilidad del sesgo/deriva: importante para la longevidad del sistema de navegación inercial entre correcciones del GNSS.
  • Tolerancia ambiental: garantizar la capacidad de soportar presión, salinidad y temperaturas extremas; tener en cuenta el embalaje y el revestimiento de conformidad.
  • Tipo de interfaz: elija analógica o digital (I²C/SPI) en función de la arquitectura electrónica marina.
  • Certificación/cumplimiento: busque productos marinos o de defensa con cualificación para golpes/vibraciones (MIL-STD, clasificaciones IP/ATEX).

Avances y tendencias del sector

Entre los avances emergentes se incluyen:

  • MEMS ultraestables: los acelerómetros MEMS de deriva de bajo sesgo se acercan ahora al rendimiento de las unidades de grado táctico.
  • Tecnologías de fusión de sensores: Filtrado en tiempo real basado en inteligencia artificial que ajusta dinámicamente los parámetros del filtro de Kalman para optimizar la deriva.
  • Miniaturización del sistema: Las IMU MEMS ya están disponibles en paquetes robustos muy compactos (<10 cm³) adecuados para plataformas compactas.
  • Convergencia de la monitorización del estado: los acelerómetros se utilizan simultáneamente para la navegación y la monitorización del estado estructural en plataformas compartidas.

Los acelerómetros MEMS son indispensables en la tecnología marina. Desempeñan funciones críticas en ROV, AUV y ASV, permitiendo un control preciso, la compensación del movimiento y la integración en sistemas de navegación inercial. Además de la navegación de vehículos, sirven de apoyo a la monitorización estructural y de estado, a los sistemas de boyas y a las plataformas de planeadores de olas. Los acelerómetros MEMS ofrecen un equilibrio entre prestaciones, tamaño, coste y consumo energético que no tienen parangón con los sensores tradicionales, y los avances en curso siguen ampliando su importancia en las aplicaciones marinas y marítimas.

Summer James

Por Summer James