Sistemas inerciais para acelerometria e uso em medições de VCI

Abstract

A medição de grandezas de esforços físicos a que estão expostos os seres humanos durante suas atividades do dia a dia é de grande interesse quando se deseja avaliar se estas podem trazer algum dano ou prejuízo à saúde ou mesmo apenas causar desconforto. Especificamente, referente à aceleração, esta pode trazer prejuízos que são desde moderados a severos. Sistemas de medição para acelerações e posições angulares possuem um elevado custo e muitas vezes são limitados a apenas leituras resumidas de dados com uma portabilidade que é questionável. Baseado na necessidade de sistemas portáteis para medição de vibração, neste trabalho desenvolve-se um protótipo de sistema de aquisição de dados para acelerações em três direções, além das posições angulares, totalizando 6 graus de liberdade. A correta medição das acelerações em referência a um sistema cartesiano, quando o ser humano, que carrega os sensores, está em movimento, deve levar em conta este movimento translacional e rotacional. Caso contrário, erros relativamente grandes serão percebidos nas componentes de aceleração. O sistema proposto é montado com o uso do Arduino, uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e placa única, e um acelerômetro digital de precisão e baixo custo. O trabalho é motivado pela constatação de que o uso de acelerômetros com três eixos é, quase sempre, feito sem a devida correção das componentes de giro existentes quando o sistema está em movimento, levando a leituras erradas para as acelerações. Desta forma, o equacionamento para a correção das acelerações translacionais em virtude do movimento e rotações sofridas pelo acelerômetro foi adequado através do uso dos vetores quadridimensionais, os quaternions. Este trabalho descreve o protótipo desenvolvido, assim como as equações necessárias à programação das correções das leituras. Ensaios experimentais são feitos com o objetivo de calibrar o sistema em relação a acelerômetros comerciais e de comparar medições com e sem as correções propostas. Posteriormente, o sistema é aplicado a um caso real de ser humano caminhando, onde a importância destas correções é ressaltada e é possível, ainda, identificar e analisar o padrão de caminhada.

The measurement of physical quantity agents human beings are exposed during their workday has great interest when one wants to assess whether these can bring any harm, damage to health, or even just cause discomfort. Specifically, regarding the acceleration magnitude, it may cause damages that are from mild to severe. Measuring systems for acceleration and angular positions have a high cost, are often restricted to only limited data and have a questionable portability. Based on the need for portable vibration measuring systems, it is developed in this work a prototype for data acquisition that measures accelerations in three directions and in three angular positions, leading to a six degrees of freedom system. The correct measurement of acceleration in reference to a global Cartesian system, should take into account this translational and rotational motion when the human being that carries the sensors is in motion. Otherwise, relatively large errors will be perceived in the acceleration components. The proposed system is assembled using the Arduino device, an electronic prototyping platform hardware and free single board along with an accurate and low cost digital accelerometer. The work is motivated by the fact that the use of accelerometers with three axes is always done without proper correction of existing rotating components when the system is in motion, leading to erroneous readings for acceleration. Thus, the equation for correction of the translational accelerations due to movement and rotations experienced by the accelerometer is adequately addressed using four-dimensional vectors, quaternions. This paper describes the prototype as well as the equations necessary for the programming of the corrections of the readings. Experimental tests are performed in order to calibrate the system with commercial accelerometers and compare measurements using the proposed corrections. Later, the system is applied to a real case of a human walking in which the importance of these corrections are highlighted and it is even possible to identify and analyze the human gait.