Es un dispositivo electrónico que mide e informa acerca de la velocidad, orientación y fuerzas gravitacionales de un aparato, usando
una combinación de acelerometros y giroscopios.
Son normalmente usadas para maniobrar aviones,
y en este caso lo usamos para maniobrar nuestro Drone.
El MPU-9150 es una IMU de 9DOF (“9 Degrees Of Freedom“). Se
trata de un dispositivo capaz de mesurar la fuerza (aceleración) y la
velocidad. Genéricamente consta de un Acelerómetro, Giroscopio y un
magnetómetro ambos de 3 ejes (3 + 3 + 3= 9DOF). por lo tanto: una IMU no mesura
ángulos. Por lo menos no directamente, requiere
algunos cálculos, opera con 3.3 voltios, utiliza el protocolo de
comunicación I2C.
El
acelerómetro
El acelerómetro mide la aceleración en 3 ejes: X, Y y Z, las tres dimensiones del
espacio. Por ejemplo, si se mueve hacia
arriba, el eje Z marcará un cierto valor. Si es hacia delante, marcará el eje
X, etc.
Como
sabemos que la gravedad de la Tierra tiene una
aceleración de aprox. 9.8 m/s², perpendicular al suelo. Así pues, la IMU
también detecta la aceleración de la gravedad terrestre.
Gracias
a la gravedad terrestre puedes usar las lecturas del acelerómetro para saber cuál
es el ángulo de inclinación respecto al eje X o eje Y.
Supongamos
que la IMU esté perfectamente alineada con el suelo. Entonces, como puedes ver
en la imagen, el eje Z marcará 9.8, y los otros dos ejes marcarán 0. Ahora
supongamos que giramos la IMU 90
grados. Ahora es el eje X el que está perpendicular al suelo, por lo tanto
marcará la aceleración de la gravedad.
Si
sabemos que la gravedad es 9.8 m/s², y sabemos que mesura dan los tres ejes del
acelerometro, por trigonometría es posible calcular el ángulo de inclinación de
la IMU. Una buena fórmula para calcular el ángulo es:
El
eje Z se suele ignorar.
Hay
otras fórmulas equivalentes, pero yo prefiero la tangente.
El
Giroscopio
En
un principio, los giroscopios eléctricos eran unos voluminosos artefactos que
valían la mayor parte del presupuesto militar de un estado. Más tarde, durante
la segunda guerra mundial se emplearon para dirigir cohetes y torpedos. Por
suerte, gracias la revolución digital y la miniaturización de circuitos, hoy en
día cualquier aficionado a la electrónica puede permitirse uno. Aunque no para
construir misiles.
El giroscopio mide la velocidad angular. Si no tienes muy
frescas tus lecciones de física del instituto voy a recordarte que la velocidad
angular es el número de grados
que se gira en un segundo.
Sólo
que en vez de mesurarse en grados por segundo, suele mesurarse en otra unidad
que son radianes por segundo (1rad/s
= 180/PI grados/s)
Si
sabemos el ángulo inicial de la IMU, podemos sumarle el valor
que marca el giroscopio para saber el nuevo ángulo a cada momento. Supongamos que
iniciamos la IMU a 0º. Si el giroscopio realiza una medida cada segundo, y
marca 3 en el eje X, tendremos el ángulo con esta sencilla fórmula:
Dónde Δt es el tiempo
que transcurre cada vez que se
calcula esta fórmula.
Y lo
mismo pasa con los ejes X, Z. Sólo que al igual que con el acelerómetro se
suele ignorar el eje Z.
Ya
tenemos las lecturas. ¿Simple, verdad? Pues en realidad no tanto.
El Magnetometro
Es un sensor que mide la intensidad de campo magnético en 3 ejes. Gracias a estas 3
medidas se obtiene un vector de campo que da información del ángulo de azimut* del móvil o de su posición. Vendría a ser la versión ampliada a 3 dimensiones de la brújula,
El campo se mide a través unas magneto-resistencias que cambian su valor en
función del campo que las atraviesa en su dirección.
La Tierra actúa como un dipolo, pero no está alineado con sus ejes de rotación (7 grados aprox). Por eso siempre aparece un término de Declinación, que es la separación entre el sur magnético y el norte geográfico. Por Norte y sur magnético se entiende aquella región
de la tierra donde las líneas de campo son perpendiculares a la superficie terrestre, En los polos este ángulo tiene 90°, en el ecuador 0° y en Europa alrededor de unos 60°. Por eso las agujas de las brújulas magnéticas siempre son balanceadas, y este balanceo solo sirve para una region de tierra.
Gracias a las medidas en los 3 ejes del campo magnético, se puede calcular la orientación relativa de un objeto (drone) haciendo con ello una brújula electrónica.
*Acimut o azimut, que es el plural de samt 'dirección', se refiere a un ángulo de la orientación sobre la superficie de una esfera real o virtual.
