Auf dem heutigen Stand der Technik ist es nicht länger hinnehmbar oder notwendig, in Sachen Standortbestimmung im Dunkeln zu tappen und orientierungslos durch die Gegend zu irren.
Heutzutage können Sie dank MEMS-basierter Bewegungssensoren, meist kombiniert mit GPS-Modulen, Ihr Ziel nicht mehr so leicht aus den Augen verlieren, und das zu günstigen Preisen und mit geringem Platzbedarf und Energieverbrauch. Kurz gesagt: Die damals beachtliche Herausforderung der Navigation wurde stark vereinfacht und für viele ältere Anwendungen extrem kontrollierbar gemacht, und zugleich werden innovative neue Anwendungen ermöglicht.
In der Vergangenheit war eine genaue und erschwingliche Erfassung von Bewegungen und ihren verschiedenen Faktoren eher schwierig. Gyroskope, Magnetkompasse, Sternfinder und Beschleunigungsmesser waren die gängigsten verfügbaren Komponenten und Subsysteme und erforderten nicht selten erhebliche manuelle Unterstützung bei der Einstellung und Berechnung. Als Ergebnis war der verbreitete Einsatz elektronischer Bewegungserfassung auf moderne Anwendungen in See-, Luft- und Raumfahrt beschränkt. Die Verfügbarkeit einer einfachen Bewegungserfassung für kostengünstige Drohnen, autonome Fahrzeuge oder gar die Navigation über Smartphones überstieg jegliche Vorstellungskraft.
Heute machen MEMS-basierte Sensoren die Erfassung von Bewegung und Orientierung zur alltäglichen Routine. Genau das hat unsere Denkweise über die Vorteile der Geschwindigkeitsmessung verändert, die eine erstaunlich aufschlussreiche und allgegenwärtige Technik darstellt.
Bedenken Sie, dass MEMS-basierte Beschleunigungsmesser völlig andersartig als einfache Miniaturversionen von Kreiseln sind, die als Spielzeuge verkauft, aber auch in präzisen Leitsystemen eingesetzt wurden. Stattdessen setzen MEMS-Einheiten vibrierende Stimmgabelstrukturen sowie die Messung der Parameterveränderung aufgrund von Bewegung ein. Behalten Sie ebenso im Hinterkopf, dass manche Anwendungen nur die relative Bewegung und Position erfassen müssen, da sie über eine feste Bezugsbasis verfügen (denken Sie an den Aufbau von Roboterarmen in Produktionsstätten), während andere Anwendungen durchaus den exakten Standort kennen müssen (z. B. Drohnen und unbemannte Fahrzeuge).
Überprüfen der Grundlagen
Der Begriff „Bewegungserfassung“ umfasst tatsächlich eine Reihe an Besonderheiten und Zielsetzungen. Die grundlegenden Parameter bilden eine Hierarchie aus drei Vektoren: Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die grundlegende Physik definiert Geschwindigkeit als die von Position x abgeleitete Zeit (Veränderungsrate) (v = dx/dt) und Beschleunigung als die von Geschwindigkeit v abgeleitete Zeit (a = dv/dt).
Die zusätzlichen Abläufe sind natürlich auch wahr – Geschwindigkeit ist das Zeitintegral von Beschleunigung, während Position das Zeitintegral von Geschwindigkeit ist. Wenn Sie im Prinzip einen der drei Werte kennen und Zeitintervalle messen, können Sie Bezüge und Differenzen zur Ermittlung der anderen Werte herstellen. (Sie müssen weiterhin Ihren Startpunkt für die richtige Navigation kennen, natürlich auch, wenn Sie einen oder mehrere der anderen drei Werte bestimmen)
Einige Systeme beruhen allein auf Präzisionsbeschleunigungsmessern im Zusammenhang mit analoger oder digitaler Integration zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Position. Die Herausforderung besteht darin, dass selbst kleine Fehler im erfassten Beschleunigungssignal aufgrund von Ungenauigkeiten des Transducer oder Rauschen zu schweren, inakzeptablen Fehler im Ergebnis führen können, egal ob beim Integrieren oder Differenzieren. Daher wird für viele Systeme die Verwendung einer Sensorkombination gewählt, um diese entscheidenden Parameter unabhängig voneinander bestimmen zu können.
Bewegungserfassung besteht jedoch nicht nur aus diesen drei Faktoren. Je nach Anwendung kann ein bewegungserfassendes Subsystem auch ein- oder vielachsige Gyroskope oder einen elektronischen Kompass zur Bestimmung der Ausrichtung sowie ein GPS zur Bestimmung des Standorts enthalten (bedenken Sie jedoch, dass GPS-Signale nicht überall empfangen werden können). Ein auf einem Gyroskop basierendes Bewegungserfassungssystem, welches ein Trio aus orthogonalen Beschleunigungsmessern und Gyroskopen (für die x-, y- und z-Achse) umfasst, wird häufig als Trägheitsmesseinheit (Inertial Measurement Unit, IMU) bezeichnet, da es Ausrichtung und Beschleunigung ohne jegliche externe Referenz oder empfangenes Signal bestimmt (Abbildung 1).
Abbildung 1: Die klassische Architektur einer Trägheitsmesseinheit (IMU) ist vollkommen unabhängig und bietet einen Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop für jede orthogonale Achse, so dass es sowohl Bewegung als aus Ausrichtung vollständig bestimmen kann, ohne Erfordernis jeglicher externer Referenz wie GPS, Anvisierung (Sterne oder Orientierungspunkte) oder Beacons zur Ortsbestimmung (Funksignal).
Das macht es zur idealen Lösung für Anwendungen wie Unterwasserfahrzeuge, Fahrzeuge in Tunneln oder Raumschiffe, wo weder GPS-Signale noch Erdmagnetfelder verfügbar sind, oder wo diese zu ungenau sind. Selbst bei deren Vorhandensein kann eine IMU zusammen mit einem anderen bewegungserfassenden Subsystem zum Gegenprüfen der Ergebnisse eingesetzt werden.
Es gibt eine Vielzahl an bewegungserfassenden Anwendungen, die nicht die gesamten Funktionen einer IMU oder die Messung von Distanz, Geschwindigkeit und Beschleunigung erfordern. Ein Airbagsensor z. B. muss lediglich die Beschleunigung messen, um ermitteln zu können, ob ein plötzlicher Geschwindigkeitswechsel des Fahrzeugs auf einen Aufprall hindeutet. Wo das Fahrzeug sich zu diesem Zeitpunkt befindet, und wie es dort angelangt ist, spielt keine Rolle. Gleichermaßen benötigt die Vibrationserfassung für die Rotation nur einen Geschwindigkeitsmesser, um übermäßige Vibration und einen möglichen Lagerschaden erkennen zu können. Ebenso muss ein Überdrehzahlbegrenzer in einem Fahrzeug nur diesen einen Parameter messen, ohne die Position oder Beschleunigung zu erfassen.
Bewegungssensoren umfassen interessante Parameter
Der Magnetkompass mit seiner rotierenden Nadel zählt zu den ältesten Navigationsinstrumenten. Mit seiner mittelmäßigen Genauigkeit benötigt er keine Energiezufuhr und ist ziemlich zuverlässig. Dennoch ist er nicht mit Elektroniksystemen kompatibel und eine Kalibrierung sowie ein Ausgleichen von Fehlern gestaltet sich aufgrund von in der Nähe befindlichen Metallgegenständen eher schwierig.
Es gibt ein elektronisches Pendant zum Magnetkompass: der Magnetfeldmesser. Er verwendet einen Magnetkern mit Wicklung und diese Wicklung wird mittels Wechselstrom stimuliert, was bekannte Veränderungen im Magnetfeld und Ausgabesignal des Kerns hervorruft. Jedes externe Magnetfeld führt zu Abweichungen dieser erwarteten Veränderungen. Diese Abweichungen können erkannt und verstärkt werden, um die Stärke des Magnetfelds mit hoher Präzision zu erfassen.
Während die Konzeption und Funktion eines Magnetfeldmessers offensichtlich komplizierter ist als das Erfassen einer Kompassnadel oder eines ähnlichen Systems, weist er jedoch keine beweglichen Teile auf, ist klein und empfindlich zugleich und kann so verwendet werden, dass er die Effekte externer Streufelder durch in der Nähe befindliche Objekte minimiert. Er erfordert allerdings eine etwas ausgefallene elektrische Schnittstelle. Der DRV421 von Texas Instruments wurde für diese Art von Anwendung entwickelt (Abbildung 2). Er kombiniert Magnetfeldsonde, Signalanpassung und einen Kompensationswicklungsantrieb in einem einzelnen IC und bietet eine Messgenauigkeit von über 0,1 Prozent. Um Linearität beizubehalten (ein weiterer entscheidender Leistungsparameter), vereinfacht der IC die Aufgabe der Reduzierung einer Überkopplung zwischen dem Magnetfeldsensor selbst und der externen Kompensationswicklung sowie unerwünschter Emissionen von der Erregung des Magnetfeldmessers selbst.
Abbildung 2: Der DRV421 IC von Texas Instruments in einem 4 x 4-mm-Gehäuse bietet eine präzise kontaktlose Magnetfeldmessung über seine Kombination aus Magnetfeldsonde, Signalanpassung und Kompensationswicklungsantrieb. (Quelle: Texas Instruments)
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Moderne Fahrzeuge von heute nutzen Geschwindigkeitsmesser nicht nur für Airbags. Sie werden als Teil der Überrollerkennung/des Präventionssystems, der Diebstahlsicherung (bei Anrempeln oder Anheben des Fahrzeugs) sowie der Fahrstabilisierung und des Fahrkomforts eingesetzt. Einachsige Einheiten wie Freescale MMA2201KEG (Abbildung 3) sind Teil einer Serie von MEMS-Beschleunigungsmessern, die Signalanpassung, einen 4-poligen Tiefpassfilter sowie einen Temperaturausgleich für verbesserte Leistung umfasst. Zero-g-Offset, Endspanne und Filtergrenzfrequenz sind werksmäßig voreingestellt und erfordern daher keine aktiven oder passiven Bauteile, während eine komplette Selbsttestfunktion die Systemfunktionalität prüft. Der IC arbeitet über eine 5V-Versorgung und bietet einen nominellen Empfindlichkeitswert von 50 mV/g.
Abbildung 3: Der Freescale MMA2201KEG ist ein einfacher einachsiger Beschleunigungsmesser mit analoger Ausgabe von 50 mV/g über einen Bereich von ±40 g, der sich optimal für zahlreiche Beschleunigungs- und Bewegungsanwendungen ohne Navigation eignet. (Quelle: Freescale Semiconductor)
Die Anwendungen von Beschleunigungsmessern wie in dieses winzige Gerät mit einem Bereich von ±40 g in einem 7,5 × 10 mm großen SOIC-Gehäuse mit 16 Leitungen gehen weit über Airbags oder Navigationssituationen hinaus. Sie können zur Überwachung und Erfassung von Vibrationen, Gerätesteuerung, für den PC-Festplattenschutz (wenn die Beschleunigung plötzlich auf null fällt, verlangsamt sich das Laufwerk und seine Köpfe müssen unmittelbar eingefahren werden), Computermäuse und -Joysticks, Virtual-Reality-Eingabegeräte und sogar Sportdiagnosegeräte eingesetzt werden, um nur einige wenige Beispiele zu nennen, die zeigen, dass sich über die einachsige Beschleunigung sowohl Offensichtliches als auch schwer Messbares zugleich erfassen lässt.
Ein repräsentativer Gyroskop-IC zeigt, wie radikal die MEMS-Technologie den Kreiselansatz des „sich drehenden Rotors“ verändert hat. Das energiesparende ADIS16250 Gyroskop von Analog Devices (Abbildung 4) ist ein vollständiges Winkelmesssystem, das werkseitig kalibrierte 14-bit-Digitalsensordaten über eine einfache serielle SPI-Schnittstelle an einen Prozessor überträgt. Der Gerätebereich kann digital auf drei verschiedene Werte eingestellt werden: ±80°/Sek., ±160°/Sek. und ±320°/Sek. Es benötigt eine einfache 5V-Versorgung, ist in einer 11 mm x 11 mm x 5,5 mm LGA-Ausführung erhältlich und bietet eine Stoßfestigkeit von bis zu 2000 g, selbst in eingeschaltetem Zustand.
Abbildung 4: Das energiesparende ADIS16250 Gyroskop von Analog Devices ist ein MEMS-Gerät mit internem A/D-Wandler, das eine Auflösung von 14 Bit und eine SPI-Schnittstelle für eine einfachere Verbindung mit dem Systemprozessor sowie weitere leistungssteigernde Funktionen bietet. (Quelle: Analog Devices)
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Es ist auf eine breite Palette an bewegungsabhängigen Anwendungen wie Messteuerung, Plattformsteuerung und -stabilisierung, Navigation und Robotik ausgerichtet. Wie viele bewegungsabhängige MEMS-ICs, ist es mit erweiterter Leistung im Hinblick auf den Temperaturbereich erhältlich und erfüllt strenge Automobilnormen bezüglich Robustheit, die Temperatur, Vibration, thermische Schocks und Spannungstransienten abdecken.
Das Messen bewegungsabhängiger Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Richtung, Position und Beschleunigung stellt seit jeher eine Herausforderung dar, die große, stromfressende und komplexe Sensoren erfordert. Diese Situation hat sich seit der Verfügbarkeit von MEMS-basierten Sensoren wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope sowie Hochleistungs-Schnittstellenschaltungen, die Sensorschwachpunkte ausgleichen können, radikal verändert. Als Ergebnis können Systemdesigner nunmehr eine Vielzahl neuer Einblicke in Anwendungen und Designmöglichkeiten anvisieren.