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DoF – Grados de libertad
Un modelo de grados de libertad (DoF) describe el número de variables independientes necesarias para definir completamente el movimiento de un cuerpo. En la navegación inercial, los modelos DoF establecen el marco matemático utilizado para representar la traslación, la rotación y el comportamiento dinámico de una plataforma. Influyen directamente en las ecuaciones de movimiento, los algoritmos de fusión de sensores, la estimación de estado y la precisión de la navegación.
Los modelos más sencillos describen el movimiento a lo largo de un único eje. Un modelo de 1 DoF representa un movimiento de traslación o uno de rotación, y se utiliza habitualmente para el análisis de vibraciones o la estabilización en un solo eje. Los modelos de 2 y 3 DoF amplían este concepto al introducir múltiples ejes de traslación o rotación. Un modelo rotacional de 3 grados de libertad (3-DoF) estima el balanceo, el cabeceo y el guiñada mediante giroscopios, acelerómetros y, opcionalmente, magnetómetros, lo que lo hace adecuado para la estimación de la actitud en AHRS .
El modelo de cuerpo rígido de 6 grados de libertad (6-DoF) es el estándar del sector para la navegación inercial. Combina tres movimientos de traslación (avance, balanceo y cabeceo) con tres movimientos de rotación (balance, cabeceo y guiñada), lo que permite una representación completa del movimiento tridimensional. Las IMU modernas miden la velocidad angular y la fuerza específica a lo largo de estos seis ejes, mientras que INS integran estas mediciones para estimar la posición, la velocidad y la actitud mediante técnicas de fusión de sensores, como el filtro de Kalman extendido (EKF).
Las aplicaciones más avanzadas utilizan modelos de 7 a 15 grados de libertad. Estos modelos incluyen estados dinámicos adicionales o cuerpos articulados. También representan sistemas de suspensión, mecanismos de dirección y cuerpos rígidos acoplados. Los ingenieros los utilizan en simulaciones de robótica, automoción, aeroespacial y marítimas. Mejoran el realismo dinámico, pero aumentan la complejidad computacional. También requieren algoritmos de estimación más avanzados.
La selección del modelo de grados de libertad (DoF) adecuado depende de los requisitos de la aplicación. La dinámica del vehículo y los sensores disponibles también influyen en la elección. Los ingenieros deben encontrar un equilibrio entre la eficiencia computacional y la precisión de la navegación. Los modelos con más grados de libertad proporcionan una mayor fidelidad. Sin embargo, requieren suficiente información de los sensores y modelos físicos precisos.
