Magnetómetros e sensores de campo magnético

Os magnetómetros e sensores de campo magnético são amplamente utilizados em veículos aéreos não tripulados (UAVs), veículos subaquáticos não tripulados e outros sistemas robóticos para aplicações como navegação, levantamentos geofísicos e investigação científica. Eles fornecem dados precisos para tarefas que vão desde a navegação precisa até a deteção de anomalias magnéticas e permitem que os sistemas operem de forma eficaz em ambientes sensíveis ao campo magnético.

O que é um magnetómetro?

Um magnetómetro é um sensor projetado para medir a força, a direção ou as flutuações dos campos magnéticos. Eles são normalmente usados por plataformas de drones e robótica para garantir uma navegação robusta em áreas sem GPS, bem como para aplicações de levantamento, como monitoramento de interferência magnética e realização de pesquisas científicas.

Os magnetómetros estão disponíveis em várias formas, desde modelos básicos usados em dispositivos de consumo até sistemas altamente sensíveis projetados para aplicações industriais, militares ou científicas. Eles são frequentemente usados em conjunto com outros sensores, como unidades de medição inercial (IMUs) e recetores GNSS, para fornecer dados abrangentes para controle e navegação precisos. Sua capacidade de medir campos magnéticos com extrema precisão também os torna indispensáveis para aplicações avançadas, como mapeamento magnético, exploração mineral e detecção de objetos subterrâneos.

Como funciona um magnetómetro?

Os magnetómetros funcionam detectando alterações nos campos magnéticos e convertendo essas medições em dados legíveis. Eles dependem de princípios diferentes, dependendo do seu tipo. Os designs comuns incluem magnetómetros fluxgate, de efeito Hall e bombeados opticamente, cada um com as suas próprias características operacionais e benefícios.

• 

  Magnetómetro MG01 para drones da UAV Navigation

  Magnetómetros Fluxgate: São amplamente utilizados em plataformas não tripuladas devido ao seu tamanho compacto, alta sensibilidade e consumo de energia relativamente baixo. Um magnetómetro fluxgate mede campos magnéticos detectando alterações no fluxo magnético que passa pelo seu núcleo.

• Magnetómetros de efeito Hall: Baseados no efeito Hall, estes dispositivos medem a tensão gerada quando um condutor é exposto a um campo magnético. São populares em robótica e UAVs para aplicações que requerem sensibilidade moderada e designs económicos.
• Magnetómetros bombeados opticamente: Estes sensores avançados utilizam técnicas óticas para medir campos magnéticos com extrema precisão. São usados principalmente em investigação científica ou aplicações de defesa, onde a precisão é de particular importância.

Os magnetómetros normalmente fornecem dados brutos que devem ser processados para corrigir interferências causadas por componentes eletrónicos ou fatores ambientais. Algoritmos avançados são usados para filtrar e calibrar esses dados, garantindo medições confiáveis do campo magnético, mesmo em condições operacionais desafiadoras.

Tipos de magnetómetros

Existem vários tipos de magnetómetros, cada um adequado a diferentes aplicações e requisitos operacionais. A seleção do magnetómetro certo depende de fatores como sensibilidade, precisão e condições ambientais. Abaixo estão os tipos mais comuns de magnetómetros usados em sistemas não tripulados:

Magnetómetros escalares

Estes sensores medem a intensidade total do campo magnético sem detectar a direção. São comumente usados em levantamentos geofísicos, onde é necessária alta sensibilidade às mudanças de campo para detectar depósitos minerais ou mapear estruturas subterrâneas.

Magnetómetros vetoriais

Estes medem tanto a direção quanto a intensidade dos campos magnéticos, tornando-os ideais para UAVs, drones e robótica que exigem informações precisas de orientação e direção.

Magnetómetros de 3 eixos

Estes sensores versáteis medem campos magnéticos ao longo de três eixos, fornecendo dados de campo abrangentes para mapeamento, navegação e análise científica.

Para sistemas não tripulados, os magnetómetros de 3 eixos são particularmente valiosos, pois medem campos magnéticos em todas as três dimensões, permitindo que as plataformas determinem com precisão a orientação e detectem variações magnéticas sutis. Estes sensores são essenciais para plataformas que operam em ambientes dinâmicos, como drones que realizam levantamentos magnéticos ou veículos subaquáticos que detectam objetos submersos.

Para que serve um magnetómetro em drones e robótica?

Algumas das aplicações mais significativas dos magnetómetros nos setores de drones e sistemas não tripulados incluem:

Navegação e orientação

Magnetómetro de 3 eixos Veronte MEX da Embention

Para UAVs e drones, os magnetómetros podem ser usados para fornecer dados precisos de direção e são particularmente críticos em ambientes onde os sinais de GPS são degradados ou indisponíveis, como canyons urbanos, florestas ou túneis subterrâneos. As medições do campo magnético são combinadas por meio da fusão de sensores com dados de giroscópios e acelerômetros para obter resultados de direção robustos.

Na maioria das plataformas de UAV e robóticas, esse processo de fusão de sensores é tratado por um Sistema de Referência de Atitude e Rumo (AHRS), que integra dados de magnetômetro, giroscópio e acelerômetro para fornecer estimativas contínuas de rumo, rotação e inclinação.

Os magnetómetros também podem ser usados para determinar a orientação do drone em relação ao norte magnético e, assim, fornecer uma estimativa do ângulo de guinada.

Levantamentos geofísicos e magnéticos

A magnetometria é amplamente utilizada em levantamentos geológicos para detectar depósitos minerais, mapear linhas de falha e monitorizar a atividade vulcânica. Os UAVs equipados com magnetómetros de 3 eixos podem recolher rapidamente dados de campo magnético de alta resolução em grandes áreas, oferecendo uma alternativa económica e eficiente aos métodos de levantamento tradicionais. Estes drones também são utilizados na monitorização ambiental para avaliar perturbações do campo magnético causadas por atividades humanas ou eventos naturais.

Detecção de objetos subterrâneos

Em robótica e sistemas subaquáticos, os magnetómetros são usados para localizar objetos metálicos enterrados no subsolo ou sob o leito marinho. As aplicações incluem a detecção de munições não detonadas (UXO), tubulações subaquáticas, naufrágios e outras infraestruturas submersas. Veículos subaquáticos autônomos (AUVs) equipados com magnetómetros podem realizar detecção e mapeamento precisos em ambientes subaquáticos desafiadores.

Defesa e segurança

Em aplicações militares, os magnetómetros de drones são usados para vigilância, reconhecimento e deteção de objetos ocultos ou camuflados. Os magnetómetros podem detectar a presença de materiais ferromagnéticos, tornando-os úteis para identificar veículos, armas ou outros objetos metálicos no terreno. Eles também são empregados na guerra eletrônica para monitorar e analisar perturbações do campo magnético causadas por sistemas hostis.

Investigação científica e análise do campo magnético

Os magnetómetros desempenham um papel vital na investigação científica, particularmente no estudo das propriedades geomagnéticas da Terra e no rastreamento de fenómenos meteorológicos espaciais. Os UAVs e outros sistemas não tripulados equipados com sensores magnetómetros podem realizar estudos de longo prazo sobre as alterações do campo magnético, permitindo avanços em áreas como a sismologia, a climatologia e a astrofísica.

Considerações sobre magnetómetros para sistemas não tripulados

A integração de magnetómetros em plataformas não tripuladas apresenta desafios de engenharia únicos. A interferência magnética dos componentes eletrónicos, motores e baterias a bordo pode distorcer as leituras, exigindo um posicionamento cuidadoso dos sensores e blindagem. Técnicas avançadas de calibração e algoritmos de compensação baseados em software são essenciais para garantir medições precisas do campo magnético em ambientes reais.

As plataformas não tripuladas operam frequentemente em condições adversas, exigindo que os magnetómetros sejam robustos. Ser leve e eficiente em termos de energia também são requisitos críticos para plataformas com SWaP limitado. Os engenheiros devem equilibrar cuidadosamente esses fatores ao projetar sistemas para aplicações específicas. Por exemplo, um UAV que realiza levantamentos em alta altitude precisa de um magnetómetro leve e de baixa potência, enquanto um AUV que opera em ambientes de águas profundas pode exigir um sensor altamente sensível e resistente à pressão.