Funcionalidad de los acelerómetros

Question

¿Es posible hacer un velocímetro con un acelerómetro? Estoy trabajando con el hardware Arduino.

Answer 1

TL;DR Básicamente, no, para la mayoría de las situaciones.

Dado que la aceleración es la derivada de la velocidad, la integración de la salida de un acelerómetro debería darte la velocidad, sin embargo hay varios defectos en ese ungüento(sic).

En primer lugar, si recuerdas tu cálculo, la integración deja una constante arbitraria por lo que debes conocer la velocidad inicial para determinar una nueva velocidad. Para decirlo de otra manera, un objeto que se mueve a velocidad constante no tiene aceleración.

En segundo lugar, los acelerómetros MEMS utilizados en los típicos acelerómetros de consumo tienen mucho desplazamiento y deriva. El offset también se integra y, por tanto, tiende a aumentar sin límite con el tiempo. Otros errores, como la histéresis y los errores de escala, también afectan a los resultados del cálculo.

En tercer lugar, el acelerómetro responderá a la fuerza de gravedad de 1g. Desde el punto de vista del acelerómetro, un acelerómetro sentado en la mesa parece estar acelerando Edición: hacia arriba a unos 10m/s^2. Incluso si se intenta ignorar ese eje, la fuerza de gravedad puede introducirse en los otros ejes. Un objeto en caída libre parecerá no tener aceleración, ya sea que esté cayendo hacia el suelo, en órbita o en algún lugar del espacio. Para aplicaciones normales, eso significa que la orientación del acelerómetro debe conocerse con gran precisión: un error de sólo uno o dos grados provocará un gran error en la estimación de la velocidad en segundos.

Por lo tanto, un acelerómetro barato sólo es útil en un subconjunto muy limitado de aplicaciones de estimación de la velocidad: el "cálculo muerto" no es muy útil con acelerómetros de bajo coste. Sin embargo, si la señal del acelerómetro pudiera combinarse de alguna manera con algún tipo de medición precisa pero lenta de la posición (por ejemplo, GNSS como GPS o GLONASS), se podría tener una estimación de la velocidad de respuesta rápida que no se desvíe. Esto puede hacerse con un algoritmo que tenga en cuenta los errores de las dos mediciones y los pondere adecuadamente (normalmente con un filtro de Kalman).

Es posible utilizar acelerómetros muy precisos en combinación con giroscopios precisos y muy caros para determinar la velocidad y la posición bastante bien durante períodos de tiempo relativamente cortos. Esto es útil en caso de que se quiera entregar algo, por ejemplo un "paquete" importante de algún tipo, a la gente en una parte distante de la tierra muy rápidamente (minutos) y no se pueda depender de una medición de posición absoluta (digamos ver una estrella brillante o GNSS) para todo el viaje (probablemente se conoce la posición inicial). La combinación de acelerómetros y giroscopios se llama IMU (unidad de medición inercial). Cuando se combinan con el GNSS se denominan sistemas de navegación inercial asistidos por el GNSS).

Answer 2

Depende. Lo que quieres hacer es algo llamado "dead-reckoning", en el que calculas la velocidad integrando la aceleración. El problema de hacer esto es que también se integran los errores y el ruido, por lo que con el tiempo la velocidad calculada se vuelve cada vez más inexacta. Por desgracia, todos los acelerómetros comerciales de bajo coste que se pueden comprar funcionan muy mal en este aspecto.

Sin embargo, he visto un rendimiento razonable (dependiendo de tus necesidades) al integrar un sensor de bajo coste sentado en el asiento del pasajero de un vehículo. En recorridos cortos (<500m) ciertamente daba una indicación razonable de la velocidad. Pero si después de este tiempo no tienes nada que permita al sistema obtener una referencia absoluta, entonces los resultados se vuelven rápidamente inutilizables.

Answer 3

La aceleración es la derivada de la velocidad, por lo que podrías integrar la aceleración de tu acelerómetro a lo largo del tiempo para obtener tu velocidad actual si conoces la velocidad en un momento dado, por ejemplo, tienes que estar parado (v=0) cuando empiezas a medir.

Sin embargo, esto será muy inexacto, ya que integrará todo el error de su acelerómetro también.