Implementación de una unidad de medición inercial dentro de un sólido esférico para su uso en ensayos de dinámica

Abstract

Los sensores inerciales tienen una gran importancia en la tecnología que nos rodea así como un rango de aplicaciones muy externos. Tras plantear la idea de medir la fuerza con que un objeto impacta contra una superficie, se decidió emplear esta tecnología para poder, además, calcular parámetros adicionales que permitiesen medir, estudiar y entender el movimiento del cuerpo durante su uso en un ensayo. Para ello se diseñó un sistema autónomo que permitiera la adquisición y procesado de datos para la obtención de aceleración, velocidad angular, velocidad lineal y fuerza del centro de masa. Comenzando con la elección de los componentes electrónicos adecuados para el trabajo, seguido por el diseño físico de una esfera de ensayo capaz de resistir impactos y estar equilibrada dentro de las centésimas de milímetro, se llegó al desarrollo cinemático que haría posible la obtención de datos cualitativos. El desarrollo realizado conllevó la parametrización del campo rotacional en el que se encuentra la esfera para poder traducir las mediciones del acelerómetro y giroscopio que lleva en su interior desde su marco de referencia no inercial a uno fijo inercial. En otras palabras, la idea era trasladar las mediciones obtenidas de los sensores, las cuales están en referencia a su propio sistema de coordenadas, a un sistema de coordenadas fijo en el espacio. La importancia de realizar esto se debe a la necesidad de poder saber el movimiento en relación a unos ejes XYZ conocidos. Para poder implementar lo anteriormente dicho, se programó un microcontrolador y se desarrolló un sistema de adquisición/procesado de datos en MATLAB. La función principal del software hecho en MATLAB se encarga de establecer la comunicación con el microcontrolador (la esfera) para que éste le envíe los datos que tome de la unidad de medición inercial, los cuales se obtienen a una frecuencia de muestreo suficientemente alta como para caracterizar correctamente el movimiento. Una vez obtenidos, se corta la comunicación para ahorrar energía y se procesan automáticamente los datos. Este proceso incluye el calibrado, filtrado y cálculo de los parámetros mencionados anteriormente. Finalmente, una vez calculados, los datos son graficados en función del tiempo y guardados para su análisis. Una vez obtenido un sistema fiable y consistente, se realizaron pruebas experimentales para validarlo. Estos ensayos permitieron comprender y comparar los resultados con respecto a las referencias correspondientes, obteniendo conclusiones positivas en cuanto a la fiabilidad y precisión del sistema diseñado. El trabajo llevado a cabo permitió profundizar en los campos de la cinemática y la dinámica así como adentrarse en otros campos de la ingeniería, resultando en un proyecto muy completo, interesante y variado.