Der ultimative Leitfaden zur Inertialmesseinheit (IMU)

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Was ist eine IMU?
Was sind die grundlegenden Komponenten einer IMU?
Was sind die gängigen Anwendungsgebiete von IMUs?
Warum IMU in Navigations- und Positionierungssystemen wichtig ist.

Sensortypen in einer IMU

MEMS-IMU : Überblick über MEMS-IMU und ihre Anwendungen.
FOG IMU : Faseroptische Gyroskop-IMU – Anwendungsfälle in hochpräzisen Anwendungen
MEMS- und FOG-Gyroskope – ein kurzer Vergleich

Erläuterung der IMU-Leistungsmerkmale

Bias-Instabilität
Anfangsbias
Bereich und Auflösung
Skalierungsfaktor und Skalierungsfehler
Lärm und Lärmdichte
Bandbreite und Abtastrate
Zufallspfad

Wie Sie die richtige IMU für Ihre Anwendung auswählen

Zu berücksichtigende Faktoren (Leistungsdaten, Umgebungsbedingungen, Größe, Kosten).
Die Anforderungen Ihrer Anwendung verstehen (z. B. Industrie, Unterhaltungselektronik, Automobilindustrie).
Häufige Fehler, die bei der Auswahl einer IMU vermieden werden sollten.

Einführung

Inertialmesseinheiten (IMUs) bilden das Rückgrat moderner Navigationssysteme. Ob in Flugzeugen, Raketen, autonomen Fahrzeugen oder sogar Smartphones – diese Sensoren spielen eine zentrale Rolle bei der Messung von Bewegung und Orientierung, ohne auf externe Referenzen wie GPS angewiesen zu sein. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Entwicklung der MEMS-Technologie ihre Größe und Kosten drastisch reduziert und sie damit in einer Vielzahl von Branchen unverzichtbar gemacht.

In diesem umfassenden Leitfaden erkläre ich Ihnen die Grundlagen von IMUs, einschließlich ihrer Funktionsweise, der verschiedenen Sensortypen und der Bedeutung ihrer Leistungskennzahlen. Von den neuesten Innovationen in der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Unterhaltungselektronik: Das Verständnis von IMUs und ihrer Funktionsweise ist für alle, die an der Entwicklung oder Optimierung von Hightech-Systemen beteiligt sind, unerlässlich. Nach dem Lesen dieses Artikels verfügen Sie über das nötige Wissen, um die richtige IMU für Ihr Projekt auszuwählen und selbst anspruchsvollste Anforderungen zu erfüllen.

Was ist eine Inertialmesseinheit (IMU)?

Eine Inertialmesseinheit (IMU) ist ein Sensorsystem, das Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und häufig auch Magnetfelder misst, um die Orientierung und Bewegung eines Objekts im Raum zu bestimmen. Sie umfasst typischerweise Beschleunigungsmesser, Gyroskope und mitunter Magnetometer. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um wichtige Daten für Navigation, Stabilisierung und Steuerung in einer Vielzahl von Anwendungen zu liefern – von der Luft- und Raumfahrt über die Robotik bis hin zu Smartphones und autonomen Fahrzeugen. IMUs sind unverzichtbar in Systemen, die präzise Bewegungs- und Orientierungsdaten erfordern.

Lasst uns die Welt der IMUs genauer erkunden.

Was sind IMU-Sensordaten?

Die IMU-Sensordaten setzen sich aus Signalen von drei primären Sensoren zusammen:

Beschleunigungsmesser : Messen die lineare Beschleunigung entlang der X-, Y- und Z-Achse.
Gyroskope : Messen die Rotationsgeschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit um dieselbe Achse.
Magnetometer (optional): Messen das Magnetfeld, um die Orientierung im Raum zu erleichtern und bieten eine kompassähnliche Funktionalität.

Jeder dieser IMU-Sensoren liefert einen Datenstrom, der, kombiniert und verarbeitet, ein vollständiges Bild der Bewegung und Ausrichtung eines Objekts ergibt. Typischerweise werden diese Daten verwendet, um wichtige Kennzahlen abzuleiten, wie zum Beispiel:

Beschleunigung : Lineare Geschwindigkeitsänderung.
Winkelgeschwindigkeit : Rotationsrate um eine Achse.
Orientierung : Die Drehposition eines Objekts im dreidimensionalen Raum.

Die Präzision und Genauigkeit der IMU-Sensordaten spielen eine entscheidende Rolle in Systemen, die Echtzeit-Tracking und -Navigation erfordern. In der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung oder in industriellen Anwendungen können die Daten Raumfahrzeuge, Flugzeuge oder Robotersysteme mit höchster Genauigkeit steuern.

Was sind die grundlegenden Komponenten einer IMU? / Was ist ein IMU-Sensor?

Wenn wir von einer Inertialmesseinheit (IMU) , meinen wir eigentlich eine Kombination mehrerer Kernsensoren, die jeweils eine wichtige Funktion bei der Messung von Bewegung und Orientierung erfüllen. Zu den primären IMU-Sensoren gehören Beschleunigungsmesser , Gyroskope und in vielen Fällen Magnetometer . Diese Sensoren arbeiten zusammen, um uns ein umfassendes Verständnis der Bewegung eines Objekts im Raum zu ermöglichen. Im Folgenden wird erläutert, wie jeder dieser Sensoren zur Gesamtfunktionalität der IMU beiträgt.

Die Kernfunktion der IMU ist einfach: Sie misst die Geschwindigkeit (lineare Beschleunigung) und die Rotation (Winkelgeschwindigkeit) eines Objekts. Aus diesen Daten werden Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung im Zeitverlauf berechnet. Man kann sie sich als internen „Gleichgewichtssinn“ von Maschinen vorstellen. Ob zur Steuerung einer Drohne, zur Navigation eines autonomen Fahrzeugs oder zur Stabilisierung eines Smartphone-Bildschirms – die IMU stellt sicher, dass Systeme ihre Bewegungen jederzeit erfassen.

IMU-Beschleunigungsmesser: Was misst ein Beschleunigungsmesser?

Der Beschleunigungsmesser misst die lineare Beschleunigung entlang einer oder mehrerer Achsen. Vereinfacht gesagt, zeigt er an, wie schnell etwas beschleunigt oder abbremst. Dies ist unerlässlich für die Berechnung von Geschwindigkeit und Positionsänderungen im Zeitverlauf. Beispielsweise misst der Beschleunigungsmesser in einem Auto die Kräfte, die beim Beschleunigen, Abbremsen oder bei scharfen Kurven wirken.

Meiner Erfahrung nach bilden Beschleunigungsmesser das Rückgrat der Bewegungserfassung in den meisten Systemen. Ob man mit unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), Smartphones oder Industrieanlagen arbeitet – Beschleunigungsmesser liefern die grundlegenden Daten, die zur Bewegungsberechnung notwendig sind.

IMU-Gyroskop: Was misst ein Gyroskop?

Das Gyroskop der IMU misst die Winkelgeschwindigkeit – also wie schnell sich ein Objekt um seine Achse dreht. Wenn Sie schon einmal einen Kreisel auf einem Tisch gesehen haben, dann ist das genau die Rotation, die ein Gyroskop erfasst. Dieser Sensor hilft uns, die Ausrichtung eines Geräts zu bestimmen, was besonders nützlich ist, um Systeme zu stabilisieren oder die exakte Drehbewegung eines Objekts zu verfolgen.

Ich habe erlebt, wie Gyroskope in Navigationssystemen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, eine entscheidende Rolle spielen. Wenn es auf Genauigkeit ankommt, gewährleistet ein hochwertiges Gyroskop die präzise Erfassung der Orientierung, selbst wenn äußere Einflüsse wie Turbulenzen auftreten.

IMU-Magnetometer: Was misst ein Magnetometer?

Schließlich misst das Magnetometer das Magnetfeld um das Gerät herum, typischerweise um die Richtung relativ zum Erdmagnetfeld zu bestimmen. Man kann es sich wie einen elektronischen Kompass vorstellen. Während Gyroskope und Beschleunigungsmesser die Bewegung erfassen, verbessert ein Magnetometer die Genauigkeit der Orientierung, indem es die Richtung relativ zu magnetisch Nord angibt.

Ich habe festgestellt, dass das Magnetometer besonders wichtig in Anwendungen ist, in denen GPS-Signale schwach oder nicht verfügbar sind. Beispielsweise ist in dicht bebauten Stadtgebieten, unterirdisch oder unter Wasser ein präziser Orientierungssinn entscheidend, und das Magnetometer sorgt dafür, dass man sich nie verirrt

Was sind die gängigen Anwendungsgebiete von IMUs?

IMUs sind nicht auf einen bestimmten Bereich beschränkt – sie werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Ihre Vielseitigkeit ist einer der Hauptgründe, warum sie so unverzichtbar für moderne Technologien geworden sind. In den letzten 20 Jahren habe ich IMUs in den unterschiedlichsten Bereichen gesehen, von der Luft- und die Automobilindustrie bis hin zu Unterhaltungselektronik , Robotik und Verteidigung/Militär . Im Folgenden erfahren Sie, wie sie die einzelnen Sektoren beeinflussen:

Verteidigung/Militär

In dieser Branche beweisen IMUs ihren wahren Wert. Im Verteidigungs- und Militärbereich sind präzise Navigation und Stabilität unerlässlich. Von Raketenleitsystemen über unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) bis hin zu am Körper getragenen Geräten von Soldaten spielen IMUs eine entscheidende Rolle für den präzisen und effektiven Ablauf von Operationen.

Ich war an mehreren Projekten im Verteidigungsbereich beteiligt und kann Ihnen aus erster Hand bestätigen, dass IMUs in Umgebungen, in denen Ausfälle inakzeptabel sind, von entscheidender Bedeutung sind. Beispielsweise liefert die IMU in Raketensystemen Echtzeit-Feedback zu Geschwindigkeit und Rotation und gewährleistet so einen präzisen Treffer des Ziels. Bei UAVs, wo GPS-Signale unzuverlässig oder gestört sein können, liefern IMUs die notwendige Trägheitsnavigation, um das Fluggerät auf Kurs zu halten.

Selbst auf der Ebene einzelner Soldaten sind IMUs in taktische Geräte integriert, um Bewegungen und Positionen auch ohne GPS zu erfassen und so die Lageerkennung in komplexem Gelände wie dicht bebauten Stadtgebieten oder unter Tage zu verbessern. IMUs sind ein Schlüsselfaktor für die zunehmende Nutzung autonomer und teilautonomer Systeme in der modernen Kriegsführung.

Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt ist die Bedeutung von IMUs nicht zu unterschätzen. Ob in Flugzeugen, Raumfahrzeugen oder Drohnen – IMUs liefern die entscheidenden Daten für Navigation, Steuerung und Stabilität. Sie bilden das Rückgrat von Autopilotsystemen und gewährleisten reibungslose Flugbahnen und präzise Landungen.

Bei der Zusammenarbeit mit Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie wurde mir häufig die Notwendigkeit leistungsstarker IMUs aufgezeigt, die auch unter extremen Bedingungen – wie in großen Höhen oder sogar im Weltraum – zuverlässig funktionieren. Die IMU hält Flugzeuge auf Kurs und gleicht Turbulenzen, Windscherungen und andere äußere Einflüsse aus. In der Weltraumforschung sind IMUs unerlässlich, um die Ausrichtung von Satelliten und Rovern zu gewährleisten, da dort kein GPS zur Verfügung steht.

Automobil

Mit dem Aufkommen autonomer Fahrzeuge sind IMUs (Inertial Measurement Units) in der Automobilindustrie unverzichtbar geworden. Selbstfahrende Autos nutzen IMUs, um ihre Position und Bewegung ohne menschliches Eingreifen zu erfassen. Die IMU unterstützt das Fahrzeug dabei, in Echtzeit wichtige Entscheidungen zu treffen – sei es das Erkennen des richtigen Zeitpunkts zum Abbremsen oder das sichere Durchfahren einer scharfen Kurve.

Bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen (ADAS) spielen IMUs eine zentrale Rolle, indem sie Daten an die Bordsysteme liefern. Ich habe IMUs im Bereich der Stabilitätskontrolle gesehen, wo sie helfen, Über- oder Untersteuern zu erkennen und zu korrigieren, sowie in automatischen Bremssystemen, wo eine schnelle Verzögerung entscheidend ist, um Unfälle zu vermeiden.

Unterhaltungselektronik

In der Unterhaltungselektronik spielen IMUs eine subtilere, aber nicht weniger wichtige Rolle. Sie sind in Smartphones verbaut und sorgen für eine flüssige Bildschirmdrehung oder ermöglichen bewegungsbasierte Spiele. In Fitness-Trackern und Smartwatches erfassen IMUs Bewegungen, überwachen Aktivitäten und berechnen Schritte oder verbrannte Kalorien.

In verschiedenen Projekten im Bereich tragbarer Technologie konnte ich aus erster Hand erleben, wie sehr eine IMU (Inertial Measurement Unit) das Nutzererlebnis verbessert. Die Sensoren in Fitnessgeräten nutzen Beschleunigungsmesser und Gyroskope, um Bewegungen präzise zu erfassen – egal ob Gehen, Laufen oder Schwimmen. IMUs gewährleisten den reibungslosen Betrieb dieser Geräte und liefern Nutzern die präzisen Daten, auf die sie sich täglich verlassen.

Robotik

Industrieroboter und autonome Roboter sind für präzise Navigation und Steuerung stark auf IMUs angewiesen. In der Industrie ermöglichen IMUs Robotern präzise Bewegungen an Montagelinien und die Handhabung empfindlicher Teile mit höchster Genauigkeit. Bei autonomen Robotern, ob in Lagerhallen oder Katastrophengebieten, sorgen IMUs für die nötige Balance und Kursstabilität.

Ich habe an mehreren autonomen Robotersystemen gearbeitet, bei denen IMUs für Balance und Bewegung unerlässlich waren. Ohne IMUs würden diesen Systemen die für kritische Aufgaben wie die Navigation in unebenem Gelände erforderliche Präzision fehlen, was ihre Effektivität und Zuverlässigkeit erheblich beeinträchtigen würde.

Warum ist die IMU in Navigations- und Positionierungssystemen wichtig?

In jedem System, das präzise Navigation oder Positionierung erfordert, ist die IMU ein unverzichtbares Werkzeug. Im Laufe der Jahre habe ich die entscheidende Rolle von IMUs bei der Navigation von Drohnen bis hin zu U-Booten miterlebt. Ihr größter Nutzen liegt in ihrer Fähigkeit, Bewegungen ohne externe Referenzpunkte zu messen .

GPS-freie Umgebungen

Einer der wichtigsten Aspekte einer IMU ist ihre Fähigkeit, auch in Umgebungen ohne GPS-Empfang . Ob tief unter Wasser, unterirdisch oder in einem dicht besiedelten Stadtgebiet, wo GPS-Signale unzuverlässig sind – eine IMU kann Bewegungen dennoch mit unglaublicher Genauigkeit erfassen. Ich habe Systeme gesehen, die dank der IMU, die kontinuierlich Geschwindigkeits- und Orientierungsänderungen misst, in solchen Umgebungen reibungslos funktionieren.

In der Luft- und Raumfahrt, insbesondere bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) oder Militärdrohnen, kann die alleinige Nutzung von GPS riskant sein. IMUs bieten zusätzliche Zuverlässigkeit, indem sie bei Ausfall oder Störung des GPS-Signals eine Trägheitsnavigation ermöglichen. Diese Redundanz ist sowohl für zivile als auch für militärische Anwendungen unerlässlich.

Positionierung und Stabilisierung

Stabilisierung ist ein weiterer Bereich, in dem IMUs ihre Stärken ausspielen. Viele Systeme, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie der Schifffahrt, benötigen Echtzeit-Anpassungen, um die Stabilität zu gewährleisten. Ob es darum geht, eine Drohne im Flug zu stabilisieren oder einen Kameragimbal während der Videoaufnahme ruhig zu halten – IMUs sind die Technologie im Hintergrund, die all dies ermöglicht.

Wir haben IMUs in vielen Systemen eingesetzt, in denen Echtzeitkorrekturen unerlässlich sind. Beispielsweise liefern IMUs in Hubschraubern oder Flugzeugen dem Autopiloten ständig Rückmeldungen und helfen so, Mikroanpassungen vorzunehmen, um Windböen oder Turbulenzen auszugleichen.

Präzision und Autonomie

In autonomen Systemen wie selbstfahrenden Autos oder Robotern ist präzise Navigation unerlässlich. IMUs helfen diesen Systemen, ihre Orientierung, Geschwindigkeit und Flugbahn zu bestimmen, selbst unter schwierigen äußeren Bedingungen. Indem sie Daten an Steuerungsalgorithmen liefern, ermöglicht die IMU diesen Maschinen, ihren genauen Standort und ihr Ziel zu kennen. Dieses Echtzeit-Erkennen ist die Grundlage für echte Autonomie.

In unserer Arbeit mit autonomen Systemen, insbesondere UAVs, haben wir gesehen, wie IMUs die Positionsbestimmung über die Zeit präzise unterstützen. In Kombination mit Sensorfusionstechnologien ermöglicht die IMU diesen Systemen, ihre Flugbahnen anzupassen und ohne menschliches Eingreifen auf Kurs zu bleiben.

Wie sieht eine IMU aus?

Eine Inertialmesseinheit (IMU) ist typischerweise ein kompaktes Gerät, das mehrere Sensoren integriert, um die Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und gegebenenfalls Magnetfelder eines Objekts zu messen. Obwohl das genaue Aussehen einer IMU je nach Hersteller, Modell und Verwendungszweck variieren kann, weisen die meisten IMUs einige gemeinsame Merkmale auf.

Hier ist eine Übersicht darüber, wie eine IMU typischerweise aussieht:

1. Größe und Form

Die meisten Inertialmesseinheiten (IMUs) sind relativ klein und oft rechteckig oder quaderförmig. Ihre Abmessungen variieren je nach Präzision und Anwendung, aber eine typische IMU für Unterhaltungselektronik hat etwa die Größe einer kleinen Münze oder einer dicken Streichholzschachtel. Industrielle oder in der Luft- und Raumfahrt eingesetzte IMUs können größer sein, manchmal so groß wie ein kleiner Laptop oder eine Festplatte, abhängig von der Komplexität des Systems.

2. Externes Gehäuse

IMUs sind üblicherweise in robusten, oft abgedichteten Gehäusen untergebracht, um die internen Sensoren vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub oder Stößen zu schützen. Das Gehäusematerial besteht typischerweise aus einer Metalllegierung oder einem hochfesten Kunststoff und gewährleistet so die Langlebigkeit auch unter rauen Bedingungen (z. B. in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich).

Industrielle und Luftfahrt-IMUs verfügen möglicherweise über ein robusteres, metallisches Gehäuse, um extremen Bedingungen standzuhalten.
IMUs für Endverbraucher (wie sie in Geräten wie Smartphones oder Drohnen verwendet werden) sind in der Regel in leichteren Kunststoffgehäusen untergebracht.

3. Anschlüsse und Ports

IMUs verfügen in der Regel über Anschlüsse für Stromversorgung, Datenausgabe und mitunter auch Kommunikationsschnittstellen (z. B. UART, I2C, SPI oder RS-232). Diese Anschlüsse ermöglichen die Kommunikation der IMU mit anderen Systemen, beispielsweise mit dem Flugregler einer Drohne, einem Roboter oder einem Flugzeugnavigationssystem.

Bei komplexeren Systemen mehrere Anschlüsse für verschiedene Signale sichtbar sein.
In einigen Fällen drahtlose IMUs verwendet, wodurch der Bedarf an sichtbaren Anschlüssen reduziert wird.

4. Sensorplatzierung

Die internen Komponenten einer IMU – Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Magnetometer – sind typischerweise im Gehäuse des Geräts integriert. Betrachtet man eine IMU unter einem Mikroskop oder in einer detaillierten schematischen Darstellung, erkennt man winzige Sensorchips (MEMS oder piezoelektrische Bauelemente), die im Inneren des Geräts verbaut sind.

Sensortypen in einer IMU

Bei Inertialmesseinheiten (IMUs) sind die darin verbauten Sensoren der entscheidende Faktor für die Leistungsfähigkeit. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Sensortypen in IMUs eingesetzt, wobei sich MEMS- und FOG -Technologien aufgrund ihrer breiten branchenübergreifenden Anwendung besonders hervorheben. Jeder Sensortyp weist je nach Anwendung und Einsatzumgebung spezifische Stärken und Schwächen auf. Im Folgenden werden MEMS-IMUs und FOG-IMUs und hinsichtlich Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit verglichen.

MEMS-IMU: Überblick über MEMS-IMU und ihre Anwendungen

Mikroelektromechanische Systeme ( MEMS) haben die Sensorik revolutioniert. Durch die Verwendung winziger mechanischer Komponenten auf Siliziumchips ermöglicht die MEMS-Technologie hochintegrierte IMUs, die Beschleunigungsmesser , Gyroskope und teilweise auch Magnetometer in einem kleinen, kostengünstigen Gehäuse vereinen. Daher finden sich MEMS-IMUs heute in nahezu jedem Endgerät, von Smartphones bis hin zu Fitness-Trackern. Tatsächlich sind sie so weit verbreitet, dass man sich moderne Elektronik ohne sie kaum noch vorstellen kann.

MEMS-Sensoren sind beliebt, weil sie ein optimales Verhältnis zwischen Leistung, Größe und Kosten bieten. Sie sind kompakt und energieeffizient und eignen sich daher ideal für Geräte mit begrenztem Platzangebot. Ich habe an mehreren Projekten mitgearbeitet, in denen MEMS-basierte IMUs in Unterhaltungselektronik , Wearables und Automobilsystemen – Bereiche, in denen eine gute Genauigkeit, aber nicht unbedingt die höchste am Markt verfügbare Präzision erforderlich ist.

MEMS-IMUs haben jedoch ihre Grenzen. Obwohl sie für viele Anwendungen effektiv sind, neigen sie mit der Zeit zu Drift und können durch Umwelteinflüsse wie Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden. Beispielsweise eignen sich MEMS-IMUs in automobilen Sicherheitssystemen gut für kurzfristige Aufgaben wie die Erkennung scharfer Kurven oder plötzlicher Bremsmanöver, stoßen aber in anspruchsvolleren Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt an ihre Grenzen, wo Präzision über lange Zeiträume entscheidend ist. Hier kommen andere Technologien wie FOG-IMUs ins Spiel, wenn eine höhere Präzision erforderlich ist.

FOG IMU: Faseroptische Gyroskop-IMU – Anwendungsfälle in hochpräzisen Anwendungen

Wenn MEMS hinsichtlich Leistung und Präzision übertroffen werden müssen, kommen faseroptische Gyroskope (FOG) der Luft- und Raumfahrt , der Verteidigung und anderen Bereichen verwendet, in denen selbst kleinste Messfehler schwerwiegende Folgen haben können. Diese Sensoren zeichnen sich durch ihre hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität aus – Eigenschaften, die in Umgebungen, in denen äußere Einflüsse wie Vibrationen oder Temperaturschwankungen die Leistung stark beeinträchtigen können, von entscheidender Bedeutung sind.

Im Gegensatz zu MEMS nutzen FOG-IMUs die Eigenschaften des Lichts, um Änderungen der Winkelgeschwindigkeit zu erfassen. Ein Lichtstrahl wird durch Spulen aus optischen Fasern geleitet. Dreht sich die IMU, ändert sich dieser Pfad, wodurch das System die Rotation mit höchster Präzision messen kann. Der entscheidende Vorteil der FOG-Technologie liegt darin, dass sie keine beweglichen Teile enthält. Dies bedeutet weniger Komponenten, die mit der Zeit verschleißen können. Daher sind FOG-IMUs äußerst zuverlässig und haben in der Regel eine längere Lebensdauer als MEMS-basierte Systeme.

FOG-IMUs eignen sich ideal für Raketenleitsysteme , unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) und sogar Satellitennavigation . In meiner Erfahrung mit hochpräzisen Luft- und Raumfahrtprojekten greifen wir häufig auf FOG-IMUs zurück, wenn wir ein System benötigen, das auch in GPS-freien Umgebungen oder unter extremen Bedingungen einwandfrei funktioniert. FOG-Systeme sind zwar teurer, aber für kritische Anwendungen, bei denen Ausfälle inakzeptabel sind, sind sie jeden Cent wert.

MEMS- und FOG-Gyroskope – Ein kurzer Vergleich

Schauen wir uns nun an, wie MEMS- und FOG-Gyroskope im Vergleich schlagen. Im Laufe der Jahre hatte ich die Gelegenheit, mit beiden Technologien zu arbeiten, und es ist klar, dass jede je nach Anwendungsfall ihre Berechtigung hat.

Präzision : Hier spielt FOG seine Stärken voll aus. FOG-Gyroskope sind deutlich genauer, insbesondere über lange Zeiträume. Sie weisen eine minimale Drift auf und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die dauerhaft hohe Präzision erfordern, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder im Verteidigungsbereich. MEMS-Gyroskope hingegen bieten zwar eine gute Genauigkeit, können aber mit der Zeit driften, was bedeutet, dass sie bei hochpräzisen Aufgaben häufiger neu kalibriert werden müssen.
Größe und Kosten : MEMS-IMUs sind deutlich kompakter und kostengünstiger als FOG-IMUs. Daher sind sie die naheliegende Wahl für Unterhaltungselektronik, Automobilindustrie und andere kommerzielle Anwendungen, bei denen Größe und Budget entscheidende Faktoren sind. FOG-Systeme sind zwar teurer und sperriger, werden aber bevorzugt, wenn absolute Genauigkeit erforderlich ist und die Leistung keine Kompromisse eingehen darf.
Langlebigkeit : FOG-Systeme sind in puncto Robustheit überlegen, insbesondere in rauen Umgebungen. Da sie keine beweglichen Teile besitzen, sind sie weniger verschleißanfällig und eignen sich daher ideal für Langzeiteinsätze unter anspruchsvollen Bedingungen. MEMS mit seinen mechanischen Komponenten ist zwar für die meisten Konsumgüter- und Industrieanwendungen ausreichend robust, neigt aber unter extremen Bedingungen zu schnellerem Verschleiß.
Stromverbrauch : MEMS-IMUs sind energieeffizienter und werden daher häufig in tragbaren Elektronikgeräten wie Smartphones und Fitness-Trackern eingesetzt. FOG-IMUs hingegen verbrauchen aufgrund ihrer optischen Systeme mehr Strom und eignen sich daher weniger für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. In Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Verteidigung, wo der Stromverbrauch weniger begrenzt ist, sind sie jedoch durchaus akzeptabel.

Erläuterung der IMU-Leistungsmerkmale

Bei der Auswahl der passenden Inertialmesseinheit (IMU) für eine bestimmte Anwendung ist das Verständnis ihrer Leistungsspezifikationen entscheidend. Diese Spezifikationen bestimmen die Leistungsfähigkeit der IMU unter realen Bedingungen, insbesondere wenn Genauigkeit und Stabilität von zentraler Bedeutung sind. Im Laufe der Jahre haben wir aus erster Hand erfahren, wie bestimmte Leistungsfaktoren, wie z. B. Bias-Instabilität oder Rauschdichte, über Erfolg oder Misserfolg eines Projekts entscheiden können – insbesondere in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Hochpräzisionsrobotik. Im Folgenden werden einige der wichtigsten Spezifikationen erläutert, die sorgfältig geprüft werden müssen.

1. Bias-Instabilität

Die Bias-Instabilität ist ein Faktor, der oft übersehen wird, aber in hochpräzisen Anwendungen . Im Wesentlichen bezeichnet Bias-Instabilität die kleinen, zufälligen Schwankungen des Sensorausgangssignals, wenn dieses eigentlich Null anzeigen sollte. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um die „Drift“ der IMU im Stillstand.

In praktischen Anwendungen ist die Bias-Instabilität von Bedeutung, da sie die Genauigkeit des Systems über längere Zeiträume beeinflusst. Man denke beispielsweise an ein Raketenleitsystem oder einen Satelliten im Weltraum. Beide benötigen über lange Zeiträume hinweg extrem präzise Daten. Jede durch Bias-Instabilität verursachte Abweichung kann zu schwerwiegenden, kumulativen Fehlern führen und das System vom Kurs abbringen. Deshalb legen wir bei der Zusammenarbeit mit Kunden aus der Luft- und Raumfahrt stets größten Wert auf eine geringe Bias-Instabilität – insbesondere bei Langzeitmissionen, bei denen selbst kleinste Fehler erhebliche Konsequenzen haben können.

2. Anfangsverzerrung

Die anfängliche Abweichung ist ein weiterer entscheidender Faktor, der die Langzeitgenauigkeit einer IMU direkt beeinflusst. Sie bezeichnet den Offset-Fehler des Sensors beim Start. Im Wesentlichen handelt es sich um den Basisfehler, der bereits vor der ersten Messung besteht. Ist die anfängliche Abweichung zu hoch, beeinträchtigt dies die Genauigkeit aller nachfolgenden Messwerte und macht das gesamte System fehleranfällig.

Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen die IMU über lange Zeiträume ohne Neukalibrierung betrieben werden muss. In Systemen wie autonomen Fahrzeugen oder Drohnen muss die IMU während der gesamten Betriebsdauer präzise Daten liefern. Selbst eine geringe anfängliche Abweichung kann im Laufe der Zeit zu erheblichen Fehlern führen, wenn sie nicht berücksichtigt wird. Daher empfehlen wir bei hochpräzisen Systemen stets, die IMU beim Start zu kalibrieren, um anfängliche Abweichungen zu korrigieren, bevor sie zu einem Problem werden.

3. Reichweite und Auflösung

Bei der Auswahl eines IMU müssen Messbereich und Auflösung Messbereich definiert die maximal messbare Beschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit, während die Auflösung die kleinste Änderung angibt, die der Sensor erfassen kann.

Bei Projekten, in denen die IMU hohen Kräften ausgesetzt ist, wie beispielsweise in einem Fahrzeug-Unfallerkennungssystem oder in Hochgeschwindigkeitsanwendungen der Luft- und Raumfahrt, ist ein Sensor mit großem Messbereich unerlässlich. Das System muss extreme Bedingungen bewältigen, ohne dass der Sensor überlastet wird. Wird die IMU hingegen in präzisionsgelenkten Geräten wie Operationsrobotern oder UAVs eingesetzt, ist eine hohe Auflösung erforderlich, um selbst kleinste Bewegungsänderungen zu erfassen.

Oftmals müssen wir je nach Anwendung das richtige Verhältnis zwischen Messbereich und Auflösung finden. In manchen Fällen geht ein größerer Messbereich auf Kosten der Auflösung, wodurch feine Details verloren gehen können. Bei Projekten, bei denen Präzision oberste Priorität hat, bevorzugen wir jedoch eine höhere Auflösung, selbst wenn dies bedeutet, mit einem eingeschränkteren Messbereich zu arbeiten.

4. Skalierungsfaktor und Skalierungsfehler

Der Skalierungsfaktor ist im Wesentlichen das Verhältnis zwischen dem IMU-Ausgangssignal und dem tatsächlichen physikalischen Eingangssignal. Idealerweise sollte dieses Verhältnis perfekt übereinstimmen, aber in der Realität weist jeder Sensor einen gewissen Skalierungsfehler , der die Abweichung von diesem idealen Verhältnis darstellt.

Warum ist das wichtig? Weil der Skalierungsfaktor die Messgenauigkeit . Ist der Skalierungsfehler zu groß, verfälscht er die Messwerte und führt zu ungenauen Daten im System. Beispielsweise könnte der Autopilot einer Drohne bei einem falschen Skalierungsfaktor fälschlicherweise annehmen, die Drohne fliege waagerecht, obwohl sie sich in Wirklichkeit langsam zur Seite neigt. Mit der Zeit summieren sich diese Fehler und lassen die Drohne vom Kurs abweichen.

Bei der Entwicklung von Systemen, bei denen Präzision höchste Priorität hat, achten wir darauf, dass die verwendeten IMUs einen geringen Skalenfehler und eine hohe Skalenfaktorstabilität aufweisen. So können wir sicher sein, dass die Messungen, auf die wir uns verlassen, auch über lange Betriebszeiten hinweg genau und konsistent sind.

5. Lärm und Lärmdichte

Rauschen ist eine systembedingte Eigenschaft jedes Sensors, und IMUs bilden da keine Ausnahme. Es bezeichnet die zufälligen Schwankungen im Sensorsignal, die das eigentliche Signal überlagern können. Die Rauschdichte misst den Pegel dieses Rauschens über eine bestimmte Bandbreite.

In hochpräzisen Anwendungen wie Robotik oder Satellitennavigation ist die Minimierung von Rauschen entscheidend. Ist der Rauschpegel zu hoch, wird es schwierig, kleine, reale Bewegungen von zufälligen Schwankungen in den Daten zu unterscheiden. Daher ist die Rauschdichte ein wichtiges Kriterium – insbesondere in dynamischen Umgebungen, in denen subtile Bewegungen präzise erfasst werden müssen.

Beispielsweise können hohe Rauschpegel bei chirurgischen Robotern, die auf submillimetergenaue Präzision angewiesen sind, Fehler verursachen, die den gesamten Eingriff gefährden. Erfahrungsgemäß können selbst scheinbar geringe Rauschmengen zu größeren Problemen führen, wenn es auf höchste Genauigkeit ankommt. Die Wahl eines IMU mit geringer Rauschdichte gewährleistet, dass der Sensor selbst kleinste Veränderungen störungsfrei erfassen kann.

6. Bandbreite und Abtastrate

Die Bandbreite bezeichnet den Frequenzbereich, den ein IMU präzise messen kann, während die Abtastrate angibt, wie häufig der IMU Messungen durchführt. Zusammen bestimmen diese Parameter, wie gut der Sensor schnelle, dynamische Ereignisse erfassen kann.

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen – wie Drohnen oder autonome Fahrzeuge in komplexen Umgebungen – sind höhere Abtastraten und größere Bandbreiten unerlässlich. Eine niedrige Abtastrate kann in schnelllebigen Situationen wichtige Details übersehen und zu verzögerten oder fehlerhaften Systemreaktionen führen. Stellen Sie sich ein selbstfahrendes Auto vor, das aufgrund einer niedrigen Abtastrate ein plötzliches Ausweichmanöver nicht erkennt – das könnte katastrophale Folgen haben.

Im Gegensatz dazu benötigen weniger dynamische Anwendungen, wie beispielsweise die Strukturüberwachung, keine so hohe Bandbreite und Abtastrate. Entscheidend ist hier, die Spezifikationen der IMU an die betrieblichen Anforderungen des Systems anzupassen. Erfahrungsgemäß führt eine zu niedrige Abtastrate zu Detailverlusten, während eine zu hohe Rate das System mit unnötigen Daten überlasten kann. Das richtige Gleichgewicht zu finden, ist daher unerlässlich.

7. Zufallswanderung

Der Begriff „Random Walk“ beschreibt die kleinen, zufälligen Fehler, die sich im Laufe der Zeit in den IMU-Ausgabedaten ansammeln. Auch wenn jeder einzelne Fehler unbedeutend erscheinen mag, können sie in ihrer Gesamtheit das System von seiner tatsächlichen Position oder Ausrichtung abweichen lassen.

Bei Langzeitmissionen, beispielsweise mit UAVs oder Satelliten , kann die zufällige Positionsabweichung erhebliche Positionsfehler verursachen. Ich habe Fälle erlebt, in denen eine geringe zufällige Positionsabweichung in einem IMU-Sensor dazu führte, dass Navigationssysteme bereits nach wenigen Betriebsstunden stark vom Kurs abwichen. Bei solchen Projekten ist die Auswahl eines IMU mit geringer zufälliger Positionsabweichung entscheidend für die langfristige Genauigkeit.

Random Walk wird besonders in Umgebungen ohne GPS-Empfang problematisch, da die IMU dort keine externen Referenzen zur Korrektur ihrer Drift nutzen kann. Daher empfehlen wir stets, die Random-Walk-Performance einer IMU zu testen und zu bewerten, bevor sie in hochpräzisen Systemen mit langer Laufzeit eingesetzt wird.

Wie Sie die richtige IMU für Ihre Anwendung auswählen

Die Auswahl der richtigen Inertialmesseinheit (IMU) kann knifflig sein. Wir haben im Laufe der Jahre immer wieder erlebt, wie die falsche Wahl zu erheblichen Projektverzögerungen, Kostenüberschreitungen oder gar zum Scheitern führen kann. Entscheidend ist, die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung zu verstehen und diese mit den Leistungsspezifikationen der IMU abzugleichen. Es gibt keine Universallösung – jedes Projekt erfordert die sorgfältige Abwägung verschiedener Faktoren. Im Folgenden erläutern wir, worauf Sie bei der Auswahl der optimalen IMU für Ihre Bedürfnisse achten sollten.

Zu berücksichtigende Faktoren: Leistungsmerkmale, Umgebungsbedingungen, Größe, Kosten

Als Erstes prüfen wir immer die Leistungsspezifikationen . Nicht alle IMUs sind gleich, und das Verständnis der Spezifikationen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die IMU die Anforderungen Ihres Projekts erfüllt. Wichtige Spezifikationen wie Bias-Instabilität , Rauschdichte , Abtastrate und Reichweite müssen den Anforderungen Ihrer Anwendung entsprechen. Wenn Sie beispielsweise an einem hochpräzisen Luft- und Raumfahrtprojekt , benötigen Sie eine IMU mit minimaler Bias-Drift und hoher Stabilität. Soll die IMU hingegen in ein Unterhaltungselektronikgerät integriert werden, priorisieren Sie möglicherweise Kosten und Größe gegenüber höchster Genauigkeit.

Ebenso wichtig ist die Einsatzumgebung der IMU. Wird sie extremen Temperaturen, Vibrationen oder Feuchtigkeit ausgesetzt sein? In Anwendungen der Verteidigungs- oder Luftfahrtindustrie, wo die IMU unter rauen oder unvorhersehbaren Bedingungen eingesetzt werden kann, ist Robustheit ein entscheidender Faktor. Robuste IMUs sind für diese Bedingungen ausgelegt, haben aber höhere Kosten und benötigen mehr Platz. In kontrollierteren Umgebungen, wie beispielsweise in Fabriken oder Endgeräten, kann hingegen eine leichtere und kostengünstigere IMU eingesetzt werden, ohne dass die Leistung beeinträchtigt wird.

Größe und Kosten sind ebenfalls entscheidende Faktoren, insbesondere bei kompakten oder kostensensiblen Anwendungen. Bei der Entwicklung von Wearables oder kompakten Drohnen beispielsweise sind Größe und Stromverbrauch der IMU von zentraler Bedeutung. Wir haben bereits an zahlreichen Projekten gearbeitet, bei denen der Platzbedarf nicht verhandelbar war, und die Wahl einer kleineren, MEMS-basierten IMU erwies sich als richtig. Man sollte jedoch bedenken, dass kleinere, günstigere IMUs oft mit Leistungseinbußen einhergehen – insbesondere hinsichtlich Langzeitstabilität und Präzision.

Auch die Kosten spielen eine wichtige Rolle. Hochwertige faseroptische Gyroskop-IMUs (FOG) bieten zwar unübertroffene Präzision, sind aber deutlich teurer als MEMS-basierte Systeme. Daher ist es entscheidend, das Kosten-Nutzen-Verhältnis . Wenn Ihre Anwendung eine gewisse Drift toleriert oder regelmäßig eine Neukalibrierung erfordert, kann eine kostengünstigere MEMS-IMU ausreichend sein. Entwickeln Sie hingegen beispielsweise ein Raketenleitsystem oder einen Satelliten, sollten Sie in die leistungsstärkste IMU , die Sie sich leisten können.

Die Anforderungen Ihrer Bewerbung verstehen

Anforderungen Ihrer Anwendung genau zu analysieren . Jede Branche und jeder Anwendungsfall hat seine eigenen Anforderungen, und die IMU sollte entsprechend ausgewählt werden. Hier ein kurzer Überblick darüber, worauf Sie in verschiedenen Branchen achten sollten:

Industrielle Anwendungen : In industriellen Umgebungen sind Robustheit und Langlebigkeit oft entscheidend. IMUs, die in Maschinen, der Fertigung oder schweren Anlagen eingesetzt werden, müssen Vibrationen, Staub und einem breiten Temperaturbereich standhalten. Zudem ist eine IMU erforderlich, die hochpräzise Echtzeitdaten liefert, um Automatisierungs- und Steuerungssysteme zu optimieren. Unsere Erfahrung zeigt, dass eine MEMS-IMU der Mittelklasse für die meisten Industrieprojekte ein optimales Verhältnis von Langlebigkeit und Leistung bietet.
Unterhaltungselektronik : Bei Endgeräten wie Smartphones, Fitness-Trackern oder VR-Headsets liegt der Fokus meist auf Kosten, Größe und Stromverbrauch . Diese Anwendungen benötigen keine Präzision auf Militärniveau, aber kleine, energieeffiziente IMUs, die zuverlässig funktionieren. MEMS-IMUs dominieren diesen Bereich, da sie kostengünstig und energieeffizient sind und sich daher ideal für batteriebetriebene Geräte eignen. Wir haben mit einer Reihe von Herstellern in diesem Sektor zusammengearbeitet und können mit Sicherheit sagen, dass die größten Herausforderungen für die meisten Unterhaltungselektronikgeräte im Energiemanagement und der Integration liegen – nicht unbedingt in extremer Genauigkeit.
Automobilindustrie : In der Automobilbranche gewinnen IMUs zunehmend an Bedeutung für Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und autonome Fahrzeuge. Präzision und Zuverlässigkeit sind hier von größter Wichtigkeit, angesichts der Größe der Branche jedoch auch Kosteneffizienz. Für diese Anwendungen benötigen Sie eine IMU, die Temperaturschwankungen und Vibrationen durch die Straße standhält und gleichzeitig stabile Echtzeitdaten liefert. Wir empfehlen häufig MEMS-IMUs in Automobilqualität, die speziell für diese Bedingungen entwickelt wurden und ein optimales Verhältnis zwischen Kosten und Zuverlässigkeit bieten.
Luft- und Raumfahrt/Verteidigung : In der Luft- und Raumfahrt/Verteidigung ist kein Platz für Fehler. Ob es um die Lenkung einer Rakete, die Stabilisierung eines Satelliten oder die Navigation einer Drohne in GPS-freien Umgebungen geht – Sie benötigen leistungsstarke IMUs , die über lange Zeiträume Daten mit minimaler Drift liefern. Faseroptische Gyroskope (FOG) oder Ringlasergyroskope (RLG) werden aufgrund ihrer Präzision und Langzeitstabilität typischerweise in diesen Anwendungen eingesetzt. Diese Systeme sind zwar teurer und sperriger, aber in sicherheitskritischen Umgebungen ist die Investition es wert.

Häufige Fehler, die Sie bei der Auswahl eines IMU vermeiden sollten

Im Laufe der Jahre haben wir einige häufige Fehler bei der Auswahl einer IMU beobachtet. Wer diese Fehler vermeidet, kann langfristig Zeit und Geld sparen.

Über- oder Unterdimensionierung der IMU : Eines der häufigsten Probleme, denen wir begegnen, ist die Tendenz, die IMU für das Projekt entweder zu über- oder zu unterdimensionieren. Manche Teams entscheiden sich für die teuerste IMU auf dem Markt, in der Annahme, damit alle Anforderungen zu erfüllen. Dies führt jedoch oft zu unnötigen Kosten und Komplexität. Andererseits kann die Wahl der billigsten Option insbesondere in anspruchsvollen Umgebungen zu Leistungsproblemen führen. Es ist entscheidend, die Spezifikationen der IMU an die tatsächlichen Anforderungen der Anwendung anzupassen, anstatt Extreme zu wählen.
Umwelteinflüsse werden vernachlässigt : Wir haben erlebt, wie Projekte scheiterten, weil die Teams die Betriebsumgebung nicht berücksichtigten. IMUs reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen, Vibrationen und andere äußere Einflüsse. Die Auswahl einer IMU, die nicht für den Betrieb in Ihrer spezifischen Umgebung ausgelegt ist, kann zu Kalibrierungsabweichungen, Ausfällen oder ungenauen Daten führen. Stellen Sie daher stets sicher, dass die IMU für die Bedingungen im realen Einsatz geeignet ist.
Zukünftige Skalierbarkeit wird oft vernachlässigt : Es ist verständlich, sich auf die unmittelbaren Projektanforderungen zu konzentrieren. Ist die Anwendung jedoch Teil eines größeren Systems oder einer Produktlinie, sollte die Skalierbarkeit berücksichtigt werden. Ob Sie nun auf präzisere Aufgaben expandieren oder die Integration in komplexere Steuerungssysteme planen – die Wahl einer IMU, die mit zukünftigen Anforderungen skalierbar ist, spart später Zeit und Ressourcen.
Fehlende Anforderungen an die Datenverarbeitung : Ein häufiger Fehler ist die Nichtberücksichtigung des Rechenaufwands für die Verarbeitung der IMU-Daten. Hochleistungs-IMUs erzeugen große Datenmengen, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen. Sind die Rechenressourcen des Systems dafür nicht ausgelegt, kann das volle Potenzial der IMU nicht ausgeschöpft werden. Stellen Sie sicher, dass Ihre Anwendung über die notwendige Rechenleistung und die entsprechenden Algorithmen zur Verarbeitung der eingehenden Daten verfügt.