Arduino UNO o equivalente

Hasta ahora básicamente hemos ido viendo componentes sencillos que nos permitieran crear pequeños prototipos con nuestro Arduino uno o Arduino mega, pero ahora ha llegado la hora de empezar a jugar en el patio de los mayores.

Vamos a empezar a jugar con uno de los dispositivos más impresionantes y versátiles que la moderna tecnología pone a nuestra disposición a un precio ridículo: Los sistemas de medida inercial o IMUs por sus siglas en Ingles (Inercial Measurement Units).

No hace mucho tiempo, los giróscopos eran mecánicos y solamente los militares podían permitirse el lujo de usarlos, porque no solo eran complicados y tendían a desajustarse, sino que además su precio era disparatado (Y para aplicación civil había que justificar su utilización)

Pero hoy con el abaratamiento de los dispositivos electrónicos integrados, los chips digitales con giróscopo y acelerómetros se han vuelto no solo cotidianos, sino además de precio ridículo, gracias a los teléfonos móviles y a toda la industria que se ha desarrollado alrededor.

 
Vamos a presentar  un componente muy frecuente en el mundo Arduino, el MPU650 tanto por su potencia, como por lo extendido de su uso y documentación que lo convierten en una referencia imprescindible para infinidad de proyectos, que van desde drones, quadricópteros y robots 4×4 a multitud de otros inventos. Es uno de esos componentes que cuando lo conoces se te empiezan a ocurrir cosas que podrías hacer.

No son especialmente sencillos (Aunque procuraremos que lo parezcan) y esperamos poder demostraros que podéis incluirlos en vuestros proyectos con un poco de ayuda en el arranque.

Ha llegado el momento de que empecemos a jugar en el frontón grande, así que ataros los machos, poned cara de que sabéis lo que estáis haciendo y dad un paso al frente que los Sistema de medida inercial quedaran a vuestras órdenes en breve.

Pero antes de empezar a hablar de los giróscopos y acelerómetros, necesitamos dar un rodeo (Si, lo siento, es necesario) y tendremos que hablar de sistemas de coordenadas, velocidades angulares y otras zarandajas, para fijar algunas ideas básicas, sin las cuales no podremos avanzar.

Sí, yo sé que lo de las mates es como mentaros la bicha, pero necesitamos un marco de referencia común básico para asegurarnos de que hablamos el mismo lenguaje, porque de lo contrario no podréis entender la función y las medidas que estos estos aparatitos producen en grandes cantidades, así que a callar.

Hace mucho, pero que mucho, en una época en que íbamos primero al colegio y después a la universidad, nos machacaban con los sistemas cartesianos de coordenadas y recuerdo unos aburrimientos memorables con niveles de tedio insuperables,

En aquel momento no parecía posible que aquella pesadez  plúmbea sirviera para algo, claro, pero mira, con el tiempo acabas dándote cuenta de que sí que podía servir para algo, aunque quien te lo explicaba, usaba uno de esos tonos monocordes de profesor viejo, que aburría hasta a las ovejas.

Me imagino que los que sois de ciencias, recordareis con similar cariño esas lejanas clases (Porque no sé qué iba a hacer aquí nadie de letras, claro) pero por si acaso vamos a hacer un resumen rápido de la cuestión.
 

 Para localizar un punto en un sistema de coordenadas, lo primero es definir un sistema de referencia claro y a ser posible común entre los diferentes observadores. El más habitual en nuestra cultura es el llamado sistema cartesiano de referencia (Que no es el único posible como pronto veremos)

Para definir un punto en un espacio de 3 dimensiones como este que percibimos (Aunque no faltan físicos diciendo que hay 11) necesitamos 3 números, que pueden ser la proyección del punto en tres ejes ortogonales (Forma pija de decir perpendiculares entre sí).

De este modo, una vez definida la unidad de medida, la posición de cualquier punto del espacio queda definido mediante las 3 coordenadas que llamamos  x, y, z, con respecto a nuestro sistema de referencia. No creo que haga falta insistir mucho en esto, que es con lo que nos amargaron nuestra más tierna adolescencia.

Pero es importante comprender que no existe un sistema de referencia privilegiado con respecto a otros, sino que son todos equivalentes y mas importante aun, se puede convertir la posición de un sistema e referencia a las coordenadas de otro sistema arbitrario.

Hasta aquí todo bien, pero imaginaros un avión. ¿Cómo definimos su posición en el espacio? Con un único punto, de 3 coordenadas en el espacio, podemos fijar por ejemplo su centro de gravedad, pero resulta evidente de que necesitamos además especificar otros parámetros para saber si el avión vuela boca arriba o boca abajo, o si tiene un Angulo ascendente o descendente.

Por eso para reflejar la situación y orientación de un avión o barco necesitamos más información: Los ángulos que cada uno de los ejes del aparato marca con respecto a la nuestra referencia. Estos ángulos de desviación respecto los ejes de referencia se llaman en ingles Yaw, Pitch y Roll, y en castellano corresponden a  Guiñada, Cabeceo y Balanceo. Y son fáciles de imaginar.

Suponed un barco proa a las olas que va subiendo y bajando de proa al ritmo. Este movimiento es el cabeceo, pero con olas laterales harán que el barco se balancee lateralmente siguiendo su ritmo. La guiñada es el ángulo que se desvía la dirección del barco con respecto al curso deseado (llamado de derrota según creo recordar) causado por olas y viento y que debe ser corregido periódicamente (Aunque de eso se encargan hoy los sistemas automáticos de navegación GPS)

Por eso para definir la posición de un avión necesitamos tres coordenadas para fijar la posición y 3 ángulos que definan la orientación del avión con respecto a los ejes del sistema de referencia.

La posición de un barco en ruta se puede fijar con dos coordenadas, llamadas latitud y longitud con respecto a una referencia arbitraria, que en este caso son dos ángulos, y es lo que nos ofrecen los sistemas GPS de los que hablaremos dentro de no mucho.

Podemos fijar la localización de un barco que flota mediante su posición GPS, latitud y longitud porque lleva implícito que la altura sobre el globo es cero (Flota). Pero en el caso de un avión para situarlo se requiere además, la altitud a la que vuela que es la tercera coordenada.

Pero en los sistemas móviles, como barcos aviones y robots en equilibrio, no basta con saber la posición en el espacio, sino que queremos saber las fuerzas que actúan sobre nuestra nave, porque si no las controlamos será relativamente sencillo que el tema acabe en compañías de seguros revisando muy despacio la letra pequeña de las pólizas.

Para controlar esas fuerzas se requieren sensores que nos den información temprana de cualquier fuerza que actúe sobre nuestra nave, para corregirla si se puede y estabilizarla. Y hay dos tipos de sensores que se usan para esto: Acelerómetros y Giróscopos.

¿Por qué dos? Pues porque hay dos tipos de fuerzas que puede sentir una nave, las de empuje lateral por el viento racheado por ejemplo, y una fuerza centrífuga, si por cualquier causa una diferencia de los vientos entre las alas provoca un giro del avión ( O pisar un bordillo con solo una rueda en un robot móvil)

El principio de funcionamiento de giróscopos y acelerómetros se funda en otro viejo terror de los malos estudiantes: La primera ley de Newton o ley de la inercia. Establece que todo objeto en movimiento tiene a mantener su estado (Inercia) hasta que una fuerza externa lo perturbe.

 
Aquí empiezan las cosas raras: A un sistema de referencia que no está sometido a ninguna fuerza externa se le llama un sistema de referencia inercial.

Si aplicamos una fuerza externa (Como una frenada en el coche en que viajamos) nuestro sistema de referencia, el coche, deja de ser inercial por definición y percibimos unas fuerza opuestas a las aplicadas que tienden a mantener nuestro movimiento previo. Para detectar este tipo de fuerzas usamos los acelerómetros.