Mit über 15 Jahren Erfahrung im Bereich der Trägheitsnavigation weiß ich, wie schwierig die Auswahl des richtigen Sensors für Ihre Anwendung sein kann. In diesem Artikel erkläre ich Ihnen alles Wissenswerte über MEMS-IMUs – was sie sind, wie sie funktionieren und warum sie für die präzise Navigation in modernen Technologien so wichtig sind.
Eine MEMS-IMU (Mikroelektromechanische Inertialmesseinheit) vereint Beschleunigungsmesser, Gyroskope und mitunter Magnetometer in einem einzigen Gerät zur Messung von Bewegung und Orientierung. Diese winzigen, aber leistungsstarken Einheiten liefern entscheidende Daten für unzählige Anwendungen, von Drohnen bis hin zu Industrierobotern, und sind daher unverzichtbar für Unternehmen, die präzise Navigation und Steuerung in ihre Systeme integrieren möchten.
Lesen Sie weiter, während ich die Kernelemente von MEMS-IMUs erläutere und zeige, wie sie Ihre Projekte verbessern können.
Inhaltsverzeichnis
Wie funktioniert ein MEMS-IMU?
Ein MEMS-IMU misst mithilfe winziger mechanischer Bauteile sowohl Beschleunigung als auch Drehbewegung. Stellen Sie sich vor: Sie halten Ihr Smartphone in der Hand, und beim Neigen dreht sich der Bildschirm automatisch. Das ist dem MEMS-IMU in Ihrem Smartphone zu verdanken. Es erfasst die Bewegung des Geräts im Raum mithilfe von Beschleunigungsmessern , die lineare Bewegungen messen, und Gyroskopen , die die Drehung erfassen. Durch die Kombination dieser beiden Sensortypen kann das Gerät seine Ausrichtung und Position in Echtzeit überwachen.
In einigen Fällen verfügen MEMS-IMUs auch über ein Magnetometer , das das Erdmagnetfeld misst, um die Richtung zu bestimmen. Dies ist besonders nützlich in Anwendungen, die eine Ausrichtung relativ zu den Erdpolen erfordern, wie beispielsweise Kompasse oder Navigationssysteme.
Wenn all diese Elemente zusammenwirken, entsteht ein stimmiges Bild davon, wie sich ein Objekt bewegt – sei es eine Drohne, die durch die Luft fliegt, oder ein Roboter, der sich in einer Fabrikhalle bewegt.
Was sind die Hauptkomponenten einer MEMS-IMU?
Wenn wir eine MEMS-IMU analysieren, betrachten wir im Wesentlichen drei Kernkomponenten:
- Beschleunigungsmesser – Dieser Sensor misst Geschwindigkeitsänderungen. Er kann lineare Beschleunigung erfassen und hilft so, die Geschwindigkeit eines Objekts in einer bestimmten Richtung zu bestimmen.
- Gyroskop – Das Gyroskop misst die Rotationsgeschwindigkeit und gibt somit an, wie schnell sich ein Objekt um seine Achse dreht. Dies ist unerlässlich für Anwendungen, bei denen die Kenntnis der Ausrichtung entscheidend ist, wie beispielsweise die Stabilisierung von Drohnen oder die Verwacklungsfreiheit einer Kamera.
- Magnetometer (optional) – Dieser Sensor misst Magnetfelder und wird häufig zur Bestimmung von Nord verwendet. Er ist besonders nützlich in Navigationssystemen, wo die Kenntnis der Ausrichtung relativ zum Erdmagnetfeld unerlässlich ist.
Jeder dieser Sensoren spielt eine entscheidende Rolle bei der genauen Messung von Bewegungen, und wenn sie in ein einziges System wie eine IMU integriert werden, arbeiten sie zusammen, um umfassende Bewegungsdaten zu liefern.
Drohne beispielsweise misst der Beschleunigungsmesser die Vorwärtsbeschleunigung, während das Gyroskop die Neigung nach oben erfasst. Mithilfe dieser Daten kann die Drohne ihre Rotoren anpassen, um ihre Flugbahn zu stabilisieren.
Können MEMS-IMUs in Verteidigungsanwendungen eingesetzt werden?
Absolut. MEMS-IMUs sind nicht nur für kommerzielle Anwendungen geeignet – sie sind auch im Verteidigungsbereich von großem Wert. Während herkömmliche, hochmoderne IMUs für militärische Zwecke oft auf teurere Technologien wie Faseroptikgyroskope ( FOGs RLGs ) setzen, haben Fortschritte in der MEMS-Technologie diese Sensoren für Verteidigungsanwendungen zunehmend attraktiv gemacht.
Einer der größten Vorteile von MEMS-IMUs im Verteidigungsbereich ist ihre kompakte Größe und ihr geringer Stromverbrauch , wodurch sie sich ideal für Anwendungen wie die folgenden eignen:
- Lenkflugkörper : MEMS-IMUs können die Bewegung von Lenkwaffen verfolgen und steuern, wodurch die Präzision verbessert und gleichzeitig das Gesamtgewicht und der Energiebedarf des Systems reduziert werden.
- Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) : Drohnen, die für Aufklärungs- oder andere militärische Operationen eingesetzt werden, profitieren von MEMS-IMUs zur Navigation und Stabilisierung, wodurch sichergestellt wird, dass sie auch in dynamischen Umgebungen effektiv operieren können.
- Soldatenortungssysteme : Bei abgesessenen Soldaten helfen MEMS-IMUs dabei, Bewegung und Orientierung zu verfolgen und so ein besseres Lagebewusstsein auf dem Schlachtfeld zu ermöglichen.
Obwohl MEMS-IMUs in einigen der anspruchsvollsten Verteidigungsanwendungen noch nicht die extreme Präzision von High-End-Sensoren erreichen, machen sie ihre rasanten Verbesserungen und ihre Vielseitigkeit für bestimmte militärische Einsatzszenarien äußerst wertvoll. Darüber hinaus die kostengünstige MEMS-Technologie Verteidigungsorganisationen den Einsatz dieser Sensoren in einer breiteren Palette von Geräten, von Handgeräten bis hin zu hochentwickelten Fahrzeugen.
Wie genau ist ein MEMS-IMU?
Eine der wichtigsten Fragen, die mir oft gestellt wird, lautet: Wie genau sind MEMS-IMUs? Die Wahrheit ist, dass die Genauigkeit von mehreren Faktoren abhängt, darunter die Qualität der Sensoren, die Kalibrierung und die Art und Weise, wie das System die Rohdaten verarbeitet.
MEMS-IMUs sind äußerst präzise, weisen aber dennoch Einschränkungen auf, insbesondere im Vergleich zu anderen IMU-Typen wie faseroptischen Gyroskopen (FOGs). MEMS-basierte Systeme können Drift , d. h. einen allmählichen Genauigkeitsverlust im Laufe der Zeit, wenn die Daten nicht korrigiert oder gefiltert werden. Mithilfe fortschrittlicher Algorithmen wie dem Kalman-Filter lassen sich diese Fehler jedoch minimieren, sodass die Zuverlässigkeit der Messwerte gewährleistet bleibt.
Obwohl sie in Umgebungen mit höchsten Präzisionsanforderungen wie der Luft- und Raumfahrt oder der militärischen Navigation möglicherweise nicht so genau sind wie FOG-IMUs, bieten die von Unternehmen wie GuideNav hergestellten MEMS-IMUs mehr als genug Präzision, um selbst mit Einsteiger- und Mittelklasse-Faseroptikgyroskopen (FOGs) mithalten zu können. Darüber hinaus sind sie deutlich günstiger und viel kleiner, wodurch sie sich ideal für platzsparende Anwendungen wie Drohnen eignen.
Bei der Klassifizierung von MEMS-IMUs werden diese im Allgemeinen anhand der Bias-Instabilität (Gyro-Bias in °/h) und der Präzision vier Hauptklassen : Consumer Grade , Industrial Grade , Tactical Grade und Strategic Grade . Hier ist eine detaillierte Aufschlüsselung dieser Klassifizierungen:
| MEMS IMU-Klasse | Typische Bias-Instabilität (Gyroskop, °/h) | Anwendungen |
|---|---|---|
| Verbraucherqualität | > 10°/h | Smartphones, Fitness-Tracker, Spielecontroller |
| Industriequalität | 1°/h bis 10°/h | Drohnen, Robotik, Automobilsysteme |
| Taktische Qualität | 0,1°/h bis 1°/h | Verteidigungssysteme, unbemannte Luftfahrzeuge, Präzisionswerkzeuge für die Industrie |
| Strategische Stufe | < 0,01°/h | Luft- und Raumfahrt, U-Boote, strategische Navigation |
Was sind gängige Anwendungsgebiete für MEMS-IMUs?
MEMS-IMUs sind allgegenwärtig, auch wenn man es nicht sofort bemerkt. Hier einige Beispiele:
- Drohnen und UAVs : MEMS-IMUs sind das Herzstück von Flugstabilisierungssystemen und gewährleisten, dass Drohnen auch unter turbulenten Bedingungen stabil fliegen. Sie erfassen die Bewegungen der Drohne und übermitteln diese Daten an das Steuerungssystem, um in Echtzeit feinste Anpassungen vorzunehmen.
- Smartphones : Wie bereits erwähnt, ermöglichen MEMS-IMUs den Wechsel vom Hoch- ins Querformat durch Neigen des Smartphones. Darüber hinaus werden sie auch in Augmented-Reality-Anwendungen (AR) eingesetzt, um die Bewegungen des Smartphones im Raum zu erfassen.
- Robotik : In industriellen Umgebungen werden MEMS-IMUs eingesetzt, um Robotern die Navigation in ihrer Umgebung zu erleichtern, Hindernissen auszuweichen und sich für Aufgaben wie Montage oder Materialhandhabung präzise zu positionieren.
- Wearable Devices : Fitness-Tracker nutzen MEMS-IMUs, um Ihre Aktivitätsniveaus zu überwachen und zu erfassen, wie viele Schritte Sie gemacht haben, wie schnell Sie laufen oder wie gut Sie schlafen, indem sie Ihre Bewegungen den ganzen Tag und die ganze Nacht über erkennen.
- Autonome Fahrzeuge : Bei selbstfahrenden Autos spielen MEMS-IMUs eine entscheidende Rolle, da sie dem Fahrzeug helfen, seine Position und Bewegung zu verstehen, insbesondere in Kombination mit anderen Sensoren wie GPS und LIDAR.
Kurz gesagt, MEMS-IMUs sind integraler Bestandteil vieler Technologien, die unsere moderne Welt prägen, von den Geräten, die wir in unseren Taschen tragen, bis hin zu den industriellen Systemen, die die Fertigung antreiben.
Worin besteht der Unterschied zwischen MEMS-IMUs und FOG-IMUs?
Ich werde oft nach den Unterschieden zwischen MEMS-IMUs und faseroptischen Gyroskopen (FOGs) gefragt, und im Grunde genommen ist es ein Kompromiss zwischen Größe, Kosten und Präzision .
MEMS-IMUs sind kompakt, leicht und relativ kostengünstig, wodurch sie sich für kommerzielle Anwendungen eignen, bei denen Platz und Kosten eine Rolle spielen. Allerdings bieten sie möglicherweise nicht die in bestimmten Anwendungen erforderliche ultrahohe Präzision.
FOG-IMUs hingegen bieten eine extrem hohe Genauigkeit und werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und anderen missionskritischen Anwendungen eingesetzt. Sie nutzen die Interferenz von Licht zur Rotationsmessung, was zwar deutlich präziser, aber auch wesentlich sperriger und teurer ist.
Wenn Ihr Projekt also höchste Genauigkeit erfordert und Sie über das entsprechende Budget verfügen, ist eine FOG-IMU möglicherweise die bessere Wahl. Für die meisten kommerziellen Anwendungen bieten MEMS-IMUs jedoch das optimale Verhältnis zwischen Leistung und Kosten.
| Besonderheit | MEMS IMU | Nebel-IMU |
|---|---|---|
| Technologie | Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) verwenden miniaturisierte mechanische Bauteile. | Das faseroptische Gyroskop (FOG) nutzt Lichtinterferenzen in Glasfasern zur Messung. |
| Größe und Gewicht | Kleiner und leichter, wodurch es sich ideal für platzsparende Anwendungen wie Drohnen und Handgeräte eignet. | Aufgrund der Verwendung von Glasfasern sind sie größer und schwerer und eignen sich daher besser für die Luft- und Raumfahrt oder industrielle Anwendungen. |
| Kosten | Preisgünstig, weit verbreitet auf Verbraucher- und Industriemärkten. | Höhere Kosten aufgrund fortschrittlicher Technologie und komplexerer Herstellungsverfahren. |
| Genauigkeit | Gute Genauigkeit für allgemeine Anwendungen, jedoch kann die Abweichung im Laufe der Zeit in Umgebungen mit hohen Präzisionsanforderungen erheblich sein. | Extrem hohe Genauigkeit bei sehr geringer Drift, wodurch es sich ideal für Navigations- und Luft- und Raumfahrtanwendungen eignet. |
| Stromverbrauch | Geringer Stromverbrauch, geeignet für batteriebetriebene Geräte. | Höherer Stromverbrauch aufgrund optischer Komponenten, besser geeignet für Systeme mit verfügbaren Energieressourcen. |
| Haltbarkeit | Generell widerstandsfähiger gegen Stöße und Vibrationen, daher häufig in rauen Umgebungen eingesetzt. | Im Vergleich zu MEMS ist es empfindlich; erfordert daher eine sorgfältige Handhabung und wird häufig in vibrationsgedämpften Umgebungen installiert. |
| Anwendungen | Unterhaltungselektronik, UAVs, Automobilindustrie, tragbare Geräte, Verteidigung und allgemeine industrielle Anwendungen. | Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, U-Boote und hochpräzise Navigationssysteme. |
Wie wählt man die richtige MEMS-IMU für sein Projekt aus?
Die Wahl des richtigen MEMS-IMU hängt von mehreren Faktoren ab:
- Genauigkeitsanforderungen : Wenn Sie beispielsweise an einer Drohne arbeiten, die auch unter turbulenten Bedingungen eine präzise Flugsteuerung gewährleisten muss, benötigen Sie eine IMU mit geringer Drift und hoher Präzision.
- Größenbeschränkungen : Bei manchen Projekten, wie beispielsweise tragbaren Geräten oder kompakten Drohnen, muss die IMU so klein und leicht wie möglich sein.
- Umweltverträglichkeit : Wenn Ihr Projekt rauen Umgebungsbedingungen wie hoher Hitze, Vibrationen oder Feuchtigkeit ausgesetzt ist, müssen Sie einen MEMS-IMU wählen, der diesen Bedingungen standhält, ohne an Genauigkeit einzubüßen.
- Budget : MEMS-IMUs sind in verschiedenen Preisklassen erhältlich, wobei teurere Modelle in der Regel eine bessere Leistung bieten. Es ist entscheidend, das Budget Ihres Projekts mit der benötigten Präzision in Einklang zu bringen.
- Stromverbrauch : Bei batteriebetriebenen Geräten wie Wearables oder Drohnen ist ein IMU mit minimalem Stromverbrauch wünschenswert, um die Betriebsdauer des Geräts zu verlängern.
Wie kann GuideNav helfen?
bei GuideNav hochpräziser IMUs spezialisiert . Unsere MEMS-IMUs erreichen eine Genauigkeit, die mit der von Einsteiger- und sogar Mittelklasse -Faseroptikgyroskopen (FOGs) . Darüber hinaus bieten wir maßgeschneiderte Lösungen, die auf Ihre spezifischen Anwendungsanforderungen abgestimmt sind und Ihnen so die optimale Lösung für Ihr Projekt garantieren.
Wenn Sie auf der Suche nach der passenden IMU sind, kontaktieren Sie uns . Wir sind bestens gerüstet, um Ihnen die optimale Lösung zu bieten. Ob Verteidigung, autonome Systeme oder industrielle Anwendungen – wir unterstützen Sie gerne.
