Il sensore inerziale

Conoscenza di base del
sensore inerziale- sensore giroscopico, accelerometro

Cos’è un sensore giroscopico?

Al giorno d’oggi, innumerevoli sensori sono utilizzati nelle automobili per perseguire la guida autonoma, il miglioramento della sicurezza e il miglioramento del comfort.
Tra questi, i sensori inerziali come i sensori giroscopici e gli accelerometri stanno attirando molta attenzione.

Un sensore giroscopico, chiamato anche sensore di velocità angolare, è un sensore che utilizza la forza di Coriolis per rilevare i cambiamenti nella rotazione o nell’orientamento di un oggetto come velocità angolare e lo emette come segnale elettrico.

La velocità angolare è l’angolo di rotazione per unità di tempo.
In altre parole, la velocità angolare è l’angolo diviso per il tempo e l’unità è dps (gradi al secondo).
Ad esempio, la velocità angolare di un oggetto che compie un giro in 60 secondi è 360deg ÷ 60sec = 6 dps.

Esistono tipi di sensori giroscopici meccanici, ottici e di vibrazione, ma il più comune è il sensore giroscopico di tipo a vibrazione.

Sulla forza di Coriolis

Per capire il sensore giroscopico, devi prima conoscere la forza di Coriolis.

La forza di Coriolis è la forza apparente che agisce su un oggetto in movimento in un sistema rotante.
Come esempio per spiegare cos’è questa forza di Coriolis, spiegheremo la traiettoria della palla quando lanci la palla dal punto A al punto B nella figura a destra.

Primo, se entrambi i punti A e B sono fissi, la palla volerà dritta dal punto A al punto B.

Supponiamo ora che le coordinate che connettono i punti A e B ruotino. In questo caso la pallina volerà dritta nella direzione di emissione dal punto A indipendentemente dalla rotazione delle coordinate, quindi volerà lontano dal punto B.

A questo punto, guardando le coordinate di rotazione come riferimento, sembra che una forza laterale sia stata applicata alla palla e sia andata via.
Questa forza apparente applicata lateralmente è chiamata forza di Coriolis.

La seguente formula vale per la forza di Coriolis.
F = 2mvω

Da questa relazione, la velocità angolare è la seguente.
ω = F / 2mvF: forza di Coriolis (N)m: Massa dell’oggetto (kg)v: Velocità di movimento (m/s)?: Velocità angolare (dps)

In altre parole, se si può misurare la forza di Coriolis, si può ottenere la velocità angolare.

Come funziona il sensore di vibrazione giroscopico

Successivamente, spiegheremo come funziona il sensore giroscopico di tipo a vibrazione, che è il tipo più comune di sensore giroscopico.
Il sensore giroscopico del tipo a vibrazione rileva la forza di Coriolis generata dalla rotazione del vibratore mentre il vibratore vibra e ottiene la velocità angolare.
I metodi di rilevamento includono il metodo piezoelettrico e il metodo della capacità.

1. Metodo piezoelettrico
   Innanzitutto, spiegherò come funziona il metodo piezoelettrico.
   Innanzitutto, vibrare l’oscillatore nella direzione dell’asse X a intervalli regolari in uno stato non rotante come in a). Si può dire che questo è lo stato in cui la palla viene lanciata nei punti A e B nella sezione precedente.
   Quando viene applicata la rotazione come mostrato in b), viene generata una forza di Coriolis nella direzione dell’asse Y, il vibratore si piega nella direzione dell’asse Y e viene generata una tensione a causa dell’effetto piezoelettrico.
   Misurando questa tensione si rileva la forza di Coriolis e si ottiene la velocità angolare.

Metodo della capacità
Successivamente, spiegheremo come funziona il metodo della capacità.
Innanzitutto, in uno stato non rotante come mostrato in c), viene applicata una tensione ad onda rettangolare all’elettrodo di azionamento per far vibrare il vibratore nella direzione dell’asse X a intervalli regolari. A questo punto, si presume che le capacità C1 e C2 tra l’elettrodo di rilevamento e l’oscillatore siano uguali.
Quando viene applicata la rotazione come in d), la forza di Coriolis viene generata nella direzione dell’asse Y e il vibratore si sposta nella direzione dell’asse Y.
In questo momento, c’è una differenza tra le capacità C1 e C2 tra l’elettrodo di rilevamento e l’oscillatore e C1 ≠ C2.
Misurando questa differenza di capacità, viene rilevata la forza di Coriolis e si ottiene la velocità angolare.

Come usare il sensore giroscopico

Il sensore giroscopico viene utilizzato allo scopo di rilevare il movimento (rotazione) di un oggetto, visualizzare il movimento, correggerlo e fare un altro movimento in base al movimento.
Gli esempi di utilizzo di ciascuno sono descritti di seguito.

1. Mostra movimento:
   rileva e visualizza la direzione in cui l’auto gira in un luogo dove le onde radio non raggiungono, come la navigazione per auto .
2. Correzione del movimento: correzione del movimento della fotocamera, ecc.
   Rileva il movimento della fotocamera (cambiamento dell’angolo) durante lo scatto, corregge l’angolo dell’obiettivo e annulla la distorsione dell’immagine.
3. Eseguire un’altra operazione in base al movimento: Airbag laterale dell’auto, antislittamento (ESC), ecc.
   Rileva il ribaltamento del veicolo e attiva l’airbag laterale.
   Rileva lo slittamento del veicolo e controlla i freni delle quattro ruote per mantenere stabile la postura del veicolo.

Sensore di accelerazione

Cos’è un accelerometro?

Un accelerometro è un sensore che rileva la forza d’inerzia generata quando la velocità di movimento di un oggetto cambia e la emette come segnale elettrico come accelerazione.

L’accelerazione è il tasso di variazione della velocità per unità di tempo.
La formula più semplice per l’accelerazione è:
a = (v2-v1) / tun: Accelerazione (m / s ² )v1: Velocità al punto 1 (m/s)v2: Velocità al punto 2 (m/s)T: Tempo di percorrenza da a a b(s)

Ciò significa che l’accelerazione a è (v2-v1) / t quando l’oggetto della velocità v1 si sposta nel punto 2 nel tempo t e raggiunge la velocità di v2 nel punto 1.
(In questo caso, si assume che l’accelerazione dal punto 1 al punto 2 sia costante.)

Questa accelerazione è correlata alla forza d’inerzia.
Ad esempio, quando sei in macchina e inizi (acceleri), senti che il tuo corpo viene spinto all’indietro, e quando ti fermi (decelerazione), senti di essere spinto in avanti.
Questo perché la forza d’inerzia agisce quando la velocità di un oggetto cambia (accelera, decelera).

Forza d’inerzia e accelerazione hanno la seguente relazione.
F = m × a

Quando questo viene convertito, diventa come segue.
a = F / mF: Forza d’inerzia (N)m: Peso oggetto (kg)un: Accelerazione (m / s ² )

In altre parole, se si può misurare questa forza d’inerzia F, si può ottenere l’accelerazione.
Tuttavia, il valore effettivo dell’uscita è spesso espresso come accelerazione gravitazionale (G).
1,0 G = 9,8 m/s ^{2 Gli}
accelerometri possono ottenere non solo l’accelerazione (movimento) ma anche informazioni come gravità, vibrazione e impatto mediante l’elaborazione del segnale.

Come funziona l’accelerometro

La struttura di base dell’accelerometro è simile a quella del sensore giroscopico descritto nella sezione precedente.Come il sensore giroscopico, esistono metodi piezoelettrici e capacitivi, ma qui usiamo il metodo capacitivo per semplificare il meccanismo.Ti spiego.

Introduzione Poiché il peso è al centro tra gli elettrodi di rilevamento nello stato di accelerazione 0 come in a), le capacità C1 e C2 tra l’elettrodo di rilevamento e il peso sono uguali.
Quando viene applicata l’accelerazione come in b), viene generata una forza d’inerzia nella direzione opposta e il peso si sposta nella direzione dell’asse Y.
In questo momento, c’è una differenza tra le capacità C1 e C2 tra l’elettrodo di rilevamento e il peso, e C1> C2.
Misurando questa differenza di capacità, viene rilevata la forza d’inerzia e si ottiene l’accelerazione.

Come usare l’accelerometro

Gli accelerometri possono rilevare “movimento”, “gravità”, “vibrazione” e “impatto” e possono essere utilizzati in vari modi utilizzando queste informazioni.

1. Rilevamento del movimento:
   rileva e visualizza la distanza percorsa dai cambiamenti nell’accelerazione del veicolo in luoghi in cui le onde radio non raggiungono, come la navigazione in auto .
2. Rileva gravità: modifica l’orientamento dello schermo dello
   smartphone Rileva i cambiamenti nell’accelerazione gravitazionale, riconosce l’inclinazione dello smartphone e modifica il display in verticale o orizzontale.
3. Rilevamento delle vibrazioni: sismometro, ecc.
   Visualizza e registra l’ampiezza e la forza di scuotimento di un terremoto dalle variazioni di accelerazione nella direzione della vibrazione.
4. Rilevamento impatto: Airbag Rileva
   la forza dell’impatto da variazioni di accelerazione come airbag e attiva l’airbag dell’auto.

Sensore giroscopico + accelerometro

Finora abbiamo descritto separatamente il sensore giroscopico e l’accelerometro, ma non è possibile rilevare da soli i movimenti complessi di un oggetto.
Ad esempio, nella navigazione in auto, il sensore giroscopico rileva la direzione del movimento e l’accelerometro rileva la distanza percorsa, in modo che la posizione corrente possa essere visualizzata correttamente anche in luoghi dove le onde radio non raggiungono.
In questo modo, un numero crescente di dispositivi è dotato sia di sensori giroscopici che di accelerometri.

Inoltre, la direzione di rilevamento non è limitata a 1 asse, ma i sensori sono disposti su 2 assi (direzione x, y) e 3 assi (direzione x, y, z) per spostare l’oggetto con elevata precisione da ulteriori informazioni. rilevato.

Tuttavia, se un sensore giroscopico e un accelerometro sono montati su tre assi, il numero massimo di parti sarà di sei, rendendo difficile l’adozione in termini di spazio e costi.
Inoltre, si teme che la precisione dei dati diminuisca a causa delle variazioni nella posizione di montaggio di ciascun sensore.

Pertanto, negli ultimi anni sono stati commercializzati anche sensori giroscopici e accelerometri integrati multiasse e sensori inerziali multiasse che integrano sensori giroscopici e accelerometri.

Panasonic risponde anche alle richieste del mercato di compattezza e alta precisione con un sensore inerziale a 6 assi di bordo (sensore 6in1) che integra un sensore giroscopico a 3 assi e un accelerometro a 3 assi in un singolo chip.

Fonte PANASONIC

I sensori inerziali nell’analisi del cammino

I sensori inerziali sono un’ottima opzione nella biomeccanica del movimento umano

La misurazione del movimento umano è largamente utilizzata sia nel campo clinico che della ricerca sia per valutare movimenti normali che patologici, quantificando il grado di disfunzione al fine di pianificare le strategie di riabilitazione e valutare l’effetto di vari interventi.

I sistemi di analisi del movimento umano (gait analysis) sono spesso veloci e semplici da utilizzare, tuttavia tali sistemi spesso mancano di dati cinematici preziosi e accurati. Infatti:

• Nastri da misurazione e goniometri forniscono informazioni su singoli piani e solo per posizioni statiche.
• Elettrogoniometri e inclinometri possono offrire più soluzioni che ad esempio la misurazione su un solo piano e dare anche dati in dinamica tuttavia il disegno fisico di ogni sensore può influenzare il movimento.

Pertanto, rimane difficile per il clinico ottenere informazioni sui movimenti tridimensionali dinamici.

Al contrario, i sistemi di laboratorio sono complessi e non economici, ma sono capaci di analizzare il movimento tridimensionale del cammino umano.

Sistemi elettromagnetici e i sistemi optoelettronici

Due sistemi di laboratorio comunemente utilizzati negli studi di letteratura di biomeccanica del movimento umano, sono i sistemi elettromagnetici e i sistemi video optoelettronici.

I devices elettromagnetici constano di una sorgente che emette un campo elettromagnetico, il quale è usato per determinare la localizzazione e l’orientamento dei sensori.

Tale sistema si è mostrato essere altamente ripetibile e accurato [1-2-3].

La limitazione del sistema elettromagnetico è che può essere influenzato dalla presenza di metalli [3] e che il soggetto è costretto a muoversi entro il campo di acquisizione del sistema limitando il movimento.

I sistemi optoelettronici sono considerati il gold-standard dell’analisi del movimento umano. Questi sistemi utilizzano markers retro-riflettenti visualizzati da multiple video camere. Tuttavia come limitazioni il sistema optoelettronico ha la sua relativa complessità e il tempo operativo per l’utilizzo che risulta abbastanza elevato [4].

Cosa sono i Sensori Inerziali?

Recentemente nuove tecnologie derivanti dall’industria aerospaziale e dall’ingegneria robotica hanno fornito sistemi promettenti nel campo dell’analisi del movimento umano.

Questi sistemi sono sensori inerziali che usano tecnologie come accelerometri, magnetometri e giroscopi e possono essere un ponte tra sistemi complessi presenti nei laboratori di analisi del movimento a sistemi clinici con varie limitazioni, fornendo le potenzialità per un’analisi tridimensionale dinamica del movimento senza i vari vincoli delineati sopra.

Numerosi studi hanno riportato l’uso di sistemi basati su diversi tipi di sensori inerziali, compresi (ma non limitati a) quelli basati su accelerometri [5-6] o giroscopi [7-8-9] tuttavia, comunemente questi due tipi di sensori (accelerometri e giroscopi) sono combinati per lo studio del movimenti umano, con conseguente aumento dell’accuratezza [2-3-10,11-12,13,-15,16].

Grazie alle loro dimensioni ridotte e alla loro portabilità, questi sensori inerziali potrebbero essere un’opzione ottimale per l’analisi del movimento umano (analisi del cammino)

Tuttavia, prima che tale tecnologia possa essere utilizzata di routine, l’affidabilità e la validità devono essere riviste per confrontare le sue prestazioni rispetto al gold standard.

I sensori inerziali: review scientifiche

Alcune revisioni scientifiche si sono concentrate sulla discussione dei vantaggi e degli svantaggi di una varietà di sistemi di analisi del movimento [18] o hanno fornito una discussione sulle possibili applicazioni cliniche [4].

In una review di Vargas et al, sono stati identificati 14 studi i quali hanno comparato direttamente i sensori inerziali a vari sistemi tra cui quelli considerati gold standard (es. elettrogoniometri, sistemi optoelettronici).

Sembra che i sensori inerziali possano essere applicati a molte regioni del corpo in modo accurato e affidabile.

Il grado di accuratezza e affidabilità mostrato suggerisce che i sensori inerziali possono essere usati per misurare movimenti ripetuti specifici in diversi contesti. L’effettivo grado di affidabilità è specifico del sito ma è evidente che i sensori inerziali offrono un’opzione percorribile per l’analisi del movimento umano [18].

Secondo McGinley at al, nelle principali situazioni cliniche di analisi un errore di 2° o meno è considerato accettabile, in quanto tali errori sono probabilmente troppo piccoli per richiedere una considerazione esplicita durante l’interpretazione dei dati.

Anche gli errori tra 2° e 5° possono essere considerati ragionevoli, ma potrebbero richiedere una considerazione nell’interpretazione dei dati. Gli errori superiori a 5° dovrebbero destare preoccupazione e potrebbero essere abbastanza grandi da indurre in errore l’interpretazione clinica [19].

I dati della maggior parte degli studi analizzati hanno rivelato che la maggior parte di essi mostra errori compresi tra 2° e 5°.

Il tronco e la zona lombare mostrava chiaramente l’errore più alto, va notato che alcuni studi riportavano un errore inferiore di 2° per la stessa variabile, suggerendo che l’errore inferiore a 2° è attualmente realizzabile [2-10-11-20].

I vantaggi nell’uso dei sensori inerziali

I vantaggi di tale sistema per i gli operatori nell’ambito della riabilitazione e dello sport e per i ricercatori risiedono nella sua intrinseca portabilità, accuratezza e affidabilità nel contesto dell’uso proposto.

I sensori inerziali sono solitamente collegati a un personal computer, possono essere gestiti in modalità wireless fornendo un’ampia varietà di applicazioni.

Questa libertà consente di utilizzare il sistema in qualsiasi ambiente. Inoltre, questi sistemi optoelettronici possono essere utilizzati su una gamma di frequenze di campionamento che consente di studiare compiti di lunga durata, come sedersi a una scrivania al lavoro o eseguire un salto [21].

Possono essere studiati anche movimenti rapidi come lo swing nel golf. Gli algoritmi possono essere creati per fornire un feedback in tempo reale all’utente fornendo uno strumento istantaneo per osservare e correggere il movimento [22].

Con il progresso della tecnologia questi strumenti si sono resi disponibili per tutti, basti pensare che ogni smartphone è provvisto di un’unità di misurazione inerziale (IMU). Per questo si sono moltiplicati i software e le applicazioni che riescono a produrre dati nell’ambito valutativo a costo irrisorio.

Bisogna però prestare attenzione a questo utilizzo con gli smartphone perché non sempre l’applicazione del sensore, l’estrazione del dato e la sua analisi sono eseguite in maniera giusta e i risultati che ne conseguono sono di scarsa validità [23].

In questo ambito sembra più adatto l’uso dello smartphone per monitorare l’attività nel lungo periodo [24] o in un’applicazione utile per monitorare un soggetto a rischio, come il rilevamento della caduta nell’anziano, anche se è stata dimostrata una bassa affidabilità di questi dati, [25] rendendone buono l’utilizzo solo per un approccio approssimativo e non per la clinica o la ricerca.

In questi ambiti devono essere usati strumenti dedicati, come i sensori inerziali professionali che possono offrire un accurato e affidabile metodo di studio del movimento umano correlato comunque al sito di applicazione e al compito motorio (task) specifico [18].

di LucaBarni