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Hoy vengo a hablaros de la máquina de guerra perfecta, y en la que, por casualidades de la vida, me estoy especilizando: Las IMUs.
Unidades de Medición Inercial. Ni explosivos incendiarios, ni bacterias letales, ni reacciones nucleares. Aquí tenéis al bichito letal.
Unos dispositivos minúsculos, compuestos mayormente por un montaje de una masa, 2 muelles, unas placas y un sistema de adquisición de datos no especialmente complejo. Dependiendo de la configuración espacial, forman acelerómetros o giróscopos, lo que nos da cuenta de la aceleración lineal o de la velocidad angular con la que giran y se desplazan los objetos a los que están unidos. También se les pueden añadir magnetómetros, para mejorar su noción de la orientación (esto hace de brújula).
Si estás leyendo esto en un dispositivo móvil, lo más seguro es que incorpore una IMU de 9 DOF (3 ejes de acelerómetro + 3 ejes de giróscopo + 3 ejes de magnetómetro) para saber de qué lado está la pantalla y adaptar el contenido.
Conocer esto es tan sencillo como ver en cual de los ejes del acelerómetro, y en qué dirección se proyecta el vector de la gravedad. Gracias al magnetómetro, también sabe hacia qué calle estás mirando cuando miras el maps, y te lo enseña a través de la pantalla para que vayas a tiro fijo, aunque luego falle más que una escopeta de feria. Incluso puede que alguna vez hayas probado alguna aplicación de brújula o nivel, que no hacen otra cosa que dar las lecturas en limpio.
Pero por qué habría de ser un chisme tan simple como, repito, una masa suspendida entre 2 muelles, un elemento vital de la industria de la guerra?
Para buscar esa respuesta hay que viajar a la Rumanía de 1923, donde el físico Austro-Húngaro Hermann Oberth publicó su tesis doctoral con el título de "Die Rakete zu den Planetenräumen" (el cohete hacia el espacio interplanetario).
Este libro sirvió de inspiración a científicos, ingenieros e industriales, entre los que se encontraban Fritz Opel y un joven Wernher von Braun.
El primero comenzó a probar a ponerles cobetes a sus coches, alcanzando una velocidad de 238km/h en carretera y 254km/h en ferrocarril, y llegó a probar a propulsar un avión con uno en 1929.
El segundo... bueno... se le daban bien los cobetes. Escribió una tesis. Su investigación la pagaba el ejército. Por lo que fuera fue material clasificado hasta 1960.
1934. Su equipo ya ha conseguido lanzar un par de cobetes A2 por encima de 2 km de altura.
1942. El A4 está terminado. Se le pone un nombre más comercial: El V2. Un tal Führer ordena su producción masiva. Por alguna razón, empiezan a caer sobre Londres.
1944. Uno de estos cobetes sobrepasa la línea Kárman (100km de altura), siendo el primer objeto que lo hace.
Y después de esta divagación, qué tiene que ver todo esto con las IMUs?
Aquí entra Helmüt Hölzer.
Dentro de las complicaciones que implica fabricar un cohete, especialmente cuando hablamos del primero, que incluyen evitar que explote, que se congele, el bombeo correcto del combustible... mantener la estabilidad y la dirección del cohete en ruta es de las tareas más complicadas.
El trabajo de Hölzer consistió en desarrollar un dispositivo electrónico anaglógico (en la época no había más) que corrigiera la desviación de los cohetes en su camino hasta el objetivo. Como las IMUs no proporcionan medidas de la posición y orientación, sino sus derivados, Hölzer utilizó condensadores para integrar esas señales. El ingenio fue bautizado como "Mischgerät" (Máquina de mezclar. Se conoce que no tenían batidoras).
Sin mucho que ver con las IMUs, también creó un ordenador capaz de simular las trayectorias de los cohetes, para que los generales nazis apuntaran bien.
Y así nació la guerra moderna, donde ya no es necesario que un soldado arriesgue su vida para quitar una vida. Ahora lo puede hacer cómodamente desde lejos gracias a los sistemas de control. Fuera remordimientos!
Pero el V2 no sólo cambió la forma de matarnos entre nosostros. También dio el pistoletazo de salida de la carrera espacial.
Tanto Hölzer como von Braun pasaron de ser asquerosos nazis a valientes luchadores por la libertad de la noche a la mañana (como los muhaidines de Al Quaeda, peor al revés).
La URSS empezó a hacer cositas mientras tanto: que si Sputnik, que si Laika, que si Gagarin... 5 días después el faro de occidente cayó derrotado en Bahía de Cochinos, y en Vietnam las cosas no iban mejor.
Era momento de dar un golpe en la mesa. Y el golpe llegó el 12 de Septiembre de 1962. JFK anunciaba su intención de poner a un yanki en la Luna.
Para llevar a un hombre a la Luna la máquina de mezclas de Hölzer se quedaba muy corta. Hacía falta un algoritmo para fusionar los datos para obtener unos datos de orientación fiables.
Y en esto que está el ingeniero de la NASA Stanley F. Schmidt leyendo papers y se encuentra uno titulado "A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems" escrito por un viejo conocido, un inmigrante húngaro llamado Rudolf Kálmán.
El paper de Rudolph Kálman proponía un filtro que con el tiempo ha acabado adoptando su nombre. Este se basa en la realización de predicciones que sobre el estado futuro del sistema que son comparadas con los datos que recogen los sensores en la siguiente ronda. Dependiendo de la cercanía de lo que el filtro considera la estimación más posible, el filtro da un peso mayor o menor a la predicción anterior o a los sensores.
Gracias a este filtro, además de obtener una estimación muy parecida a la realidad, se pueden combinar distintos tipos de sensores.
Schmidt sólo encontró un problema: El filtro de Kalman estaba diseñado para sistemas lineales, y en ingeniería, los sistemas lineales no abundan. Había, pues, que buscar una solución para poder aplicar los filtros de Kalman a problemas no-lineales, e hizo lo que casi siempre hacemos en estos casos: Linearizar el problema en ese punto (obtener una aproximación que sólo es válida para puntos más cercanos). Es una práctica muy habitual.
Este nuevo fork del algoritmo se bautizó como Filtro de Kalman Extendido (EKF) y se programó en el ordenador de las naves Apolo. Su simpleza hizo que pudiera entrar en un ordenador de 4KB de RAM, 32KB de disco, y un procesador compuesto de ICs a menos de 100MHz.
Hoy en día este algoritmo se utiliza sin cambios en casi cualquier bicho con IMU y GNSS para obtener estimaciones casi perfectas de la ubicación, orientación y trayectoria de cualquier vehículo, avión, misil...
To be continued con una nueva aplicación de las IMUs para el mal
A todo esto: las IMUs nos permiten navegar por estima, o por decirlo de una manera más burda, "contando pasos". Desde que saliste de casa diste 5 para delante, 2 a la izquierda... no hay referencias, y esto hace que se acumule error a lo largo del tiempo, porque es así: somos torpes.
Para corregir este error, están los sistemas de posicionamiento globales, que de vez en cuando nos recolocan. Antaño había que mirar las estrellas. Ahora, tenemos nuestras propias estrellas.
Y TAMBIÉN TIENEN UN HILO!