Los AHRS con electrónica MEMS y NEMS

Los sistema de referencia de actitud y rumbo o AHRS por sus siglas en inglés, son modernos sensores capaces de calcular la posición en los tres ejes de una aeronave y su rumbo en relación con el norte (magnético/verdadero). Estos sistemas de referencia se componen de giroscopios, acelerómetros y un magnetómetro. Todo de muy pequeñas dimensiones. 

Existen muchas versiones de este sistema. El más moderno AHRS está dotado de la nueva electrónica MEMS. Esta nueva electrónica reemplaza la adquisición de datos de grandes instrumentos electromecánicos, en particular los giroscopios y brújulas mediante sistemas miroelectrónicos y de estado sólido. Los sistemas MEMS son capaces de determinar información en cualquier configuración con una precisión y rapidez muy altas. El acrónimo MEMS significa Micro Electro-Mechanical Systems. Estamos hablando de sistemas electrónicos que se encuentran en el rango de los micrómetros (una millonésima de un milímetro o 10 elevado a menos 6), pero con el avance de la ciencia y de la técnica ya se empieza a hablar de Nano Electro-Mechanical Systems o NEMS. estamos hablando de nanómetros o 10 elevado a menos 9 (la mil millonésima parte de un milímetro). Nos adentramos así en las fronteras de lo que es físicamente posible en electrónica tal como la conocemos hoy en día.

Los AHRS viene  a sustituir a los conocidos INS e IRS. Como se sabe, estos sistemas utilizan giróscopos para hacer mediciones angulares de la aeronave alrededor de los tres ejes. También llevan acelerómetros, que son los encargados de medir la aceleración en los tres ejes. Una vez medida la aceleración se aplica un cálculo integral doble del que se obtiene velocidad y distancia (ver posts dedicados a ellos). Con estos datos el avión puede navegar y fijar su posición a lo largo de cualquier ruta. Debajo se puede ver un esquema de un acelerómetro de péndulo convencional. Cuando el péndulo está centrado ambos elementos de recogida (condensadores) están igualados. 

Cuando se produce una aceleración el péndulo se desplaza, entonces la capacitancia se incrementa en uno de los condensadores y disminuye en el otro. Esta señal se utiliza para reposicionar el péndulo otra vez en la posición central (igual capacitancia) por medio de las bobinas. Es precisamente esta fuerza que se utiliza para devolver al péndulo a su posición central la que se utiliza como valor de la aceleración percibida. El líquido en el interior posibilita que el desplazamiento sea progresivo, amortiguando el desplazamiento.

Los AHRS miden los mismos datos que los INS/IRS, pero tienen el mismo problema que estos, es decir, deben de mantenerse nivelados con la superficie de la Tierra. En los antiguos INS se mantenían los acelerómetros nivelados por medio de una plataforma mecánica giroestabilizada. Los más modernos IRS prescindían de la plataforma y los datos de nivelación se aplicaban directamente a los datos recibidos por los sensores por medio de un ordenador. En los modernos AHRS se ha optado por incorporar una combinación de acelerómetros y sensores de nivel líquido.  

Los sensores MEMS están construidos a partir de obleas de silicio como las que se utilizan para los microprocesadores de los ordenadores; pero son elementos como decimos de dimensiones muy reducidas. Las aceleraciones en los MEMS se miden de forma similar a la de los sensores clásicos. Se aplica una aceleración (movimiento del avión) al sensor. La masa dentro del sensor, gracias a las fuerzas generadas por retroalimentación, hacen que esta permanezca en reposo, aunque las fuerzas exteriores en el avión actúan sobre ella. 

El movimiento de la carcasa en relación con su masa en el interior se puede medir mediante una forma de adecuada. La idea detrás del MEMS es que una masa no tiene por qué ser muy pesada para medir aceleraciones en caso de un acelerómetro ni para medir movimientos angulares en caso de giroscopios. Esta pequeña estructura es apropiada para medir valores de inercia, como aceleraciones o rotaciones con una precisión asombrosa.

Sensor de aceleración MEMS

La masa en la figura de debajo se desvía en relación con la cubierta de cristal por las aceleraciones aplicadas (en este ejemplo arriba/abajo). Al doblarse el piezoresistor cambia su resistencia, siendo su valor dependiente de la desviación sufrida. El cambio de resistividad, que se mide, corresponde a la aceleración aplicada y puede procesarse posteriormente en un sistema conectado como el AHRS antes mencionado. De la misma forma que los acelerómetros convencionales, para aumentar la linealidad y la precisión de la señal medida, se aplica una fuerza de retroalimentación a la señal generada. Dicha fuerza es generalmente una tensión aplicada al piezoresistor, que cambia la forma de nuevo para mantener el sensor lo más estable posible en su posición neutral. Ambas señales juntas, el cambio de piezoresistencia y el voltaje que es necesario para estabilizar la masa representa la aceleración percibida.

Existen otros tipos de sensores que utilizan el efecto piezoeléctrico. El efecto piezorresistivo es un cambio en la resistividad eléctrica de un semiconductor o metal cuando se aplica una tensión mecánica. En contraste con el efecto piezoeléctrico, el efecto piezorresistor provoca un cambio solo en la resistencia eléctrica, no en el potencial eléctrico.

La tecnología MEMS no es tan desconocida para los aficionados, después de todo esa tecnología es la que llevamos en nuestros bolsillos. Nuestros smartphones la utilizan desde hace años. Gracias a ella podemos girar nuestros dispositivos, jugar, fijar nuestra posición, etc, etc. Ahora que la tecnología está lo suficientemente madura es cuando se aplica a los aviones de verdad.