Sistemas de navegación inercial para ADAS – Sistemas avanzados de asistencia al conductor

Los ADAS (Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor) mejoran la seguridad en la conducción al proporcionar funciones como el mantenimiento de carril, el control de crucero adaptativo y el frenado automático, pero requieren la supervisión activa del conductor. En cambio, los coches autónomos, equipados con sistemas de conducción autónoma, pretenden automatizar por completo el funcionamiento del vehículo sin intervención humana.

Mientras que los ADAS ayudan a los conductores asistiendo en las tareas y mejorando la seguridad, los coches autónomos están diseñados para gestionar todos los aspectos de la conducción autónoma, desde la navegación hasta la toma de decisiones, ofreciendo un mayor nivel de automatización (niveles SAE) y comodidad. Las características o funciones de los ADAS se atribuyen a los niveles SAE inferiores a 3 y los coches autónomos como tales corresponden al nivel 4 como mínimo.

Un giróscopo es un sensor que mide la velocidad angular —la velocidad a la que un objeto gira alrededor de uno o más ejes— y es uno de los pilares fundamentales de los sistemas de navegación inercial. Su propósito principal es proporcionar información precisa y en tiempo real sobre el movimiento de rotación para que un INS o una IMU puedan determinar cómo evoluciona la orientación de un objeto a lo largo del tiempo.

Los giroscopios modernos utilizados en navegación, especialmente en los sectores aeroespacial, de defensa, marino y robótico, suelen ser MEMS (Sistemas Micro-Electro-Mecánicos) o tecnologías ópticas como los FOG (Giroscopios de Fibra Óptica) y los RLG (Giroscopios Láser de Anillo). Aunque sus principios físicos difieren, todos explotan el mismo concepto fundamental: cuando un sistema gira, el sensor detecta el efecto inercial resultante y lo convierte en una señal eléctrica.

En un giroscopio MEMS, pequeñas estructuras vibratorias —a menudo masas de silicio impulsadas a frecuencias de resonancia específicas— experimentan fuerzas de Coriolis cuando el dispositivo gira. Estas fuerzas provocan cambios medibles en los patrones de vibración, que se traducen en información de velocidad angular. En los giroscopios ópticos, la luz que viaja en direcciones opuestas a lo largo de un bucle cerrado experimenta cambios de fase cuando el sistema gira; este efecto Sagnac permite mediciones de rotación extremadamente precisas y estables a la deriva sin piezas móviles.

Los giroscopios aportan datos cruciales a los algoritmos de un sistema de navegación inercial, permitiendo al sistema calcular la actitud (balanceo, cabeceo y guiñada). Cuando se combinan con acelerómetros, forman una IMU, que proporciona una capacidad integral de detección de movimiento. Los giroscopios de alta calidad reducen la deriva, mejoran la estabilidad y permiten que el sistema de navegación funcione de forma fiable incluso en entornos sin GPS. En aplicaciones como la guía de UAV, municiones merodeadoras, control de AUV, compensación de oleaje marítimo o navegación de vehículos autónomos, la precisión del giroscopio impacta directamente la capacidad del sistema para mantener una trayectoria precisa y estable.

Posición relativa se refiere al desplazamiento de una plataforma móvil medido con respecto a un punto de partida conocido, en lugar de un sistema de coordenadas geográficas absoluto. En lugar de expresar la ubicación en términos de latitud, longitud y altitud, la posición relativa describe la distancia y la dirección en que la plataforma se ha movido desde su marco de referencia inicial.

Un INS calcula esto integrando las aceleraciones y velocidades de rotación medidas a lo largo del tiempo: los acelerómetros determinan los cambios en la velocidad, y estas velocidades se integran de nuevo para obtener los cambios en la posición, todo ello expresado dentro de un sistema de coordenadas definido, como el sistema de referencia del cuerpo o un sistema de navegación local.

Dado que la posición relativa no depende de señales externas —GNSS, balizas de radio o puntos de referencia—, es extremadamente valiosa en entornos sin GPS, operaciones en interiores, navegación subacuática o en cualquier misión donde solo se requiera el movimiento desde el último punto conocido.

Sin embargo, la precisión de la posición relativa se degrada con el tiempo debido a la deriva causada por los sesgos y el ruido de los sensores, razón por la cual las soluciones INS a menudo combinan datos inerciales con fuentes de ayuda como GNSS, odómetros, DVLs o barómetros para limitar el crecimiento del error. En última instancia, la posición relativa proporciona una forma continua y autónoma de rastrear el movimiento, formando la columna vertebral de los sistemas de navegación por estima, guía y control en muchas aplicaciones aeroespaciales, marinas y robóticas.