Giroscopio de estructura vibratoria

Este tipo de giroscopio fue desarrollado por GEC-Marconi y Ferranti en la década de 1980, utilizando aleaciones metálicas con elementos piezoeléctricos incorporados y un diseño piezocerámico de una sola pieza. En la década de 1990, la empresa estadounidense Inertial Engineering, Inc., con sede en California, produjo giroscopios de referencia con excitación y lectura magnetoeléctrica, y Watson Industries fabricó variantes piezocerámicas. Una variante recientemente patentada por Innalabs utiliza un resonador cilíndrico fabricado con aleación de Elinvar , con elementos piezocerámicos para la excitación y la detección en su base.

Esta tecnología proporcionó una vida útil del producto sustancialmente mayor ( MTBF > 500 000 horas); su resistencia a los golpes (>300 g ) debería hacerlo apto para aplicaciones tácticas (de precisión media).

El resonador opera en su modo resonante de segundo orden. El factor Q suele ser de aproximadamente 20 000; esto predetermina su ruido y sus oscilaciones angulares aleatorias . Las ondas estacionarias son oscilaciones de forma elíptica con cuatro antinodos y cuatro nodos ubicados circunferencialmente a lo largo del borde.

El ángulo entre dos pares de antinodos y nodos adyacentes es de 45 grados. Uno de los modos resonantes elípticos se excita con una amplitud predefinida . Cuando el dispositivo gira sobre su eje sensible (a lo largo de su vástago interno), las fuerzas de Coriolis resultantes que actúan sobre los elementos de masa vibrantes del resonador excitan el segundo modo resonante. El ángulo entre los ejes principales de ambos modos también es de 45 grados.

Un bucle cerrado lleva el segundo modo resonante a cero, y la fuerza necesaria para anular este modo es proporcional a la velocidad de rotación de entrada. Este bucle de control se denomina modo de reequilibrio de fuerza .

Los elementos piezoeléctricos del resonador generan fuerzas y detectan los movimientos inducidos. Este sistema electromecánico proporciona el bajo nivel de ruido de salida y el amplio rango dinámico que requieren las aplicaciones más exigentes, pero presenta un elevado nivel de ruido acústico y altas sobrecargas.

Se puede inducir la vibración de un material piezoeléctrico y medir el movimiento lateral debido a la fuerza de Coriolis para producir una señal relacionada con la velocidad de rotación. ^{[ 2 ]}

Este tipo de giroscopio utiliza un par de masas de prueba que entran en resonancia. Se mide su desplazamiento respecto al plano de oscilación para generar una señal relacionada con la velocidad de rotación del sistema.

Frederick William Meredith registró una patente para un dispositivo de este tipo en 1942 mientras trabajaba en el Royal Aircraft Establishment (RAE). El desarrollo posterior fue llevado a cabo en el RAE en 1958 por GH Hunt y AEW Hobbs, quienes demostraron una deriva de menos de un grado por hora, o (2,78 × 10⁻⁴ )°/s. ^{[ 3 ]}

Las variantes modernas de giroscopios tácticos utilizan diapasones dobles como los producidos por el fabricante estadounidense Systron Donner en California y el fabricante francés Safran . ^{[ 4 ]}

También llamado giroscopio resonador hemisférico o HRG, un resonador de copa de vino utiliza un hemisferio delgado de estado sólido anclado por un vástago grueso. El hemisferio con su vástago se lleva a resonancia flexional y se miden los puntos nodales para detectar la rotación. Existen dos variantes básicas de este sistema: una basada en un régimen de operación de velocidad ( modo de fuerza para reequilibrar ) y otra basada en un régimen de operación integrador ( modo de ángulo completo ). Generalmente, esta última se utiliza en combinación con una excitación paramétrica controlada. Es posible utilizar ambos regímenes con el mismo hardware, una característica única de estos giroscopios.

Para un diseño de una sola pieza (es decir, la copa hemisférica y el/los tallo(s) forman una parte monolítica) hecha de vidrio de cuarzo de alta pureza , es posible alcanzar un factor Q mayor de 30–50 millones en el vacío , por lo que los paseos aleatorios correspondientes son extremadamente bajos. El factor Q está limitado por el recubrimiento, una película extremadamente delgada de oro o platino , y por las pérdidas de fijación. ^{[ 5 ]} Dichos resonadores deben ajustarse con precisión mediante microerosión del vidrio con haz de iones o mediante ablación láser . Ingenieros e investigadores de varios países han estado trabajando en mejoras adicionales de estas sofisticadas tecnologías de vanguardia. ^{[ 6 ]}

Safran y Northrop Grumman son importantes fabricantes de HRG. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Se hace girar una rueda una fracción de vuelta completa sobre su eje. Se mide la inclinación de la rueda para producir una señal relacionada con la velocidad de rotación. ^{[ 9 ]}

Los sensores de guiñada para automóviles pueden construirse alrededor de giroscopios de estructura vibratoria. Estos se utilizan para detectar estados de error en la guiñada en comparación con una respuesta prevista cuando se conectan como entrada a sistemas de control electrónico de estabilidad junto con un sensor de volante. ^{[ 12 ]} Los sistemas avanzados podrían ofrecer detección de vuelco basada en un segundo VSG, pero es más económico agregar acelerómetros longitudinales y verticales al lateral existente para este fin.

El juego WarioWare: Twisted! de Nintendo Game Boy Advance utiliza un giroscopio piezoeléctrico para detectar el movimiento de rotación. El controlador Sony Sixaxis de PS3 utiliza un único giroscopio MEMS para medir el sexto eje (guiñada). El accesorio Nintendo Wii MotionPlus utiliza giroscopios MEMS multieje proporcionados por InvenSense para ampliar las capacidades de detección de movimiento del mando de Wii . ^{[ 13 ]} La mayoría de los smartphones y dispositivos de juego modernos también incorporan giroscopios MEMS.

Los giroscopios de estructura vibratoria se utilizan habitualmente en helicópteros radiocontrolados para controlar el rotor de cola y en aviones radiocontrolados para mantener la estabilidad durante el vuelo. También se emplean en controladores de vuelo de multirrotores , dado que estos son inherentemente inestables aerodinámicamente y no pueden mantenerse en el aire sin estabilización electrónica.

Epson Robots utiliza un giroscopio MEMS de cuarzo, denominado QMEMS, para detectar y controlar las vibraciones en sus robots. Esto permite que los robots posicionen el efector final con gran precisión en movimientos de alta velocidad y rápida desaceleración. ^{[ 14 ]}

Muchos sistemas de estabilización de imagen en cámaras de vídeo y fotográficas emplean giroscopios de estructura vibratoria.

La oscilación también puede ser inducida y controlada en giroscopios de estructura vibrante para el posicionamiento de naves espaciales como Cassini-Huygens . ^{[ 15 ]} Estos pequeños giroscopios resonadores hemisféricos hechos de vidrio de cuarzo operan en el vacío. También hay prototipos de giroscopios resonadores cilíndricos desacoplados elásticamente (CRG) ^{[ 16 ] [ 17 ]} hechos de zafiro monocristalino de alta pureza . El zafiro leuco de alta pureza tiene un factor Q un orden de magnitud mayor que el vidrio de cuarzo utilizado para HRG, pero este material es duro y tiene anisotropía . Proporcionan un posicionamiento preciso en tres ejes de la nave espacial y son altamente confiables a lo largo de los años, ya que no tienen partes móviles.

El Segway utiliza un giroscopio de estructura vibratoria fabricado por Silicon Sensing Systems para estabilizar la plataforma del operador. ^{[ 18 ]}