Inhaltsverzeichnis
- Was ist eine IMU?
- Was sind die Grundbestandteile einer IMU?
- Was sind die häufigsten Anwendungen von IMU?
- Warum IMU in Navigations- und Positionierungssystemen wichtig ist.
- MEMS IMU : Überblick über MEMS IMU und seine Anwendungen.
- FOG IMU : Fiber-Optic Gyroskop IMU – Anwendungsfälle in hochpräzisen Anwendungen
- MEMS- und FOG-Gyroskope – ein kurzer Vergleich
- Bias-Instabilität
- Anfängliche Voreingenommenheit
- Reichweite und Auflösung
- Skalierungsfaktor und Skalierungsfehler
- Rauschen und Rauschdichte
- Bandbreite und Abtastrate
- Zufälliger Spaziergang
- Zu berücksichtigende Faktoren (Leistungsspezifikationen, Umgebung, Größe, Kosten).
- Verstehen Sie die Anforderungen Ihrer Anwendung (z. B. Industrie, Unterhaltungselektronik, Automobil).
- Häufige Fehler, die Sie bei der Auswahl einer IMU vermeiden sollten.
Einführung
Inertiale Messeinheiten (IMUs) sind das Rückgrat moderner Navigationssysteme. Ob in Flugzeugen, Raketen, selbstfahrenden Autos oder sogar Ihrem Smartphone – diese Sensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Messung von Bewegung und Orientierung, ohne dass externe Referenzen wie GPS erforderlich sind. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Entwicklung der MEMS-Technologie deren Größe und Kosten drastisch reduziert, sodass sie in einer Vielzahl von Branchen unverzichtbar sind.
In diesem umfassenden Leitfaden werde ich Sie durch die Grundlagen von IMUs führen, einschließlich ihrer Funktionsweise, der verschiedenen Arten von Sensoren, die sie verwenden, und warum ihre Leistungsmetriken wichtig sind. Von den neuesten Innovationen in der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Unterhaltungselektronik ist es für jeden, der an der Entwicklung oder Optimierung von High-Tech-Systemen beteiligt ist, von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, was IMU ist und wie IMUs funktionieren. Am Ende dieses Artikels verfügen Sie über das nötige Wissen, um die richtige IMU für Ihr Projekt auszuwählen und so sicherzustellen, dass Sie selbst die anspruchsvollsten Anforderungen erfüllen können.
Was ist eine Inertialmesseinheit (IMU)?/Was ist eine IMU?
Eine Inertial Measurement Unit (IMU) ist ein Sensorsystem, das Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und häufig auch Magnetfelder misst, um die Ausrichtung und Bewegung eines Objekts im Raum zu bestimmen. Dazu gehören typischerweise Beschleunigungsmesser, Gyroskope und manchmal auch Magnetometer. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um wichtige Daten für die Navigation, Stabilisierung und Steuerung in einer Vielzahl von Anwendungen bereitzustellen, von der Luft- und Raumfahrt und Robotik bis hin zu Smartphones und autonomen Fahrzeugen. IMUs sind in Systemen unverzichtbar, in denen präzise Bewegungs- und Orientierungsdaten erforderlich sind.
Lassen Sie uns die Welt der IMUs im Detail erkunden.
Was sind IMU-Sensordaten?
Die IMU-Sensordaten bestehen aus Signalen von drei Hauptsensoren:
- Beschleunigungsmesser : Messen Sie die lineare Beschleunigung entlang der X-, Y- und Z-Achse.
- Gyroskope : Messen Sie die Rotationsgeschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit um die gleichen Achsen.
- Magnetometer (optional): Messen Sie das Magnetfeld, um die Orientierung im Raum zu erleichtern, und bieten Sie eine kompassähnliche Funktionalität.
Jeder dieser IMU-Sensoren liefert einen Strom von IMU-Daten, die, wenn sie kombiniert und verarbeitet werden, ein vollständiges Bild der Bewegung und Ausrichtung eines Objekts ergeben. Typischerweise werden diese Daten verwendet, um wichtige Kennzahlen abzuleiten wie:
- Beschleunigung : Lineare Geschwindigkeitsänderung.
- Winkelgeschwindigkeit : Rotationsgeschwindigkeit um eine Achse.
- Orientierung : Die Rotationsposition eines Objekts im 3D-Raum.
Die Präzision und Genauigkeit der IMU-Sensordaten spielen eine entscheidende Rolle in Systemen, die eine Echtzeitverfolgung und -navigation erfordern. Bei der Verwendung in Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs- oder Industrieanwendungen können die Daten ein Raumfahrzeug, ein Flugzeug oder ein Robotersystem mit höchster Genauigkeit steuern.
Was sind die Grundkomponenten einer IMU? /Was ist ein IMU-Sensor?
Wenn wir von einer Inertial Measurement Unit (IMU) , beziehen wir uns in Wirklichkeit auf eine Kombination mehrerer Kernsensoren, von denen jeder eine entscheidende Funktion bei der Messung von Bewegung und Ausrichtung erfüllt. 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. Lassen Sie uns aufschlüsseln, wie jeder dieser Sensoren zur Gesamtfunktionalität der IMU beiträgt.
Die Kernfunktion der IMU ist unkompliziert: Sie misst, wie schnell sich ein Objekt bewegt (Linearbeschleunigung) und wie es rotiert (Winkelgeschwindigkeit). Diese Daten werden dann verwendet, um Position, Geschwindigkeit und Orientierung im Zeitverlauf zu berechnen. Betrachten Sie es als den inneren „Gleichgewichtssinn“ von Maschinen. Ob es darum geht, eine Drohne durch die Luft zu steuern, einem autonomen Auto bei der Navigation zu helfen oder den Bildschirm eines Smartphones zu stabilisieren – die IMU stellt sicher, dass Systeme jederzeit über ihre Bewegungen informiert sind.
IMU-Beschleunigungsmesser: Was misst ein Beschleunigungsmesser?
Der Beschleunigungsmesser misst die lineare Beschleunigung entlang einer oder mehrerer Achsen. Einfach ausgedrückt sagt es Ihnen, wie schnell etwas beschleunigt oder verlangsamt wird. Dies ist wichtig für die Berechnung von Geschwindigkeit und Positionsänderungen im Zeitverlauf. In einem Auto würde der Beschleunigungsmesser beispielsweise die Kräfte messen, die auftreten, wenn das Auto beschleunigt, langsamer wird oder scharfe Kurven fährt.
Nach meiner Erfahrung sind Beschleunigungsmesser in den meisten Systemen das Rückgrat der Bewegungsverfolgung. Unabhängig davon, ob Sie mit UAVs (unbemannten Luftfahrzeugen), Smartphones oder Industrieanlagen arbeiten, liefern Beschleunigungsmesser die grundlegenden Daten, die für die Berechnung von Bewegungen erforderlich sind.
IMU-Gyroskop: Was misst ein Gyroskop?
Das Gyroskop der IMU misst die Winkelgeschwindigkeit – im Wesentlichen die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt um seine Achsen dreht. Wenn Sie jemals gesehen haben, wie sich ein Kreisel auf einem Tisch dreht, erkennt ein Gyroskop genau diese Drehung. Dieser Sensor hilft uns, die Ausrichtung eines Geräts zu bestimmen, was besonders nützlich ist, um Systeme zu stabilisieren oder die genaue Rotationsbewegung eines Objekts zu verfolgen.
Ich habe gesehen, dass Gyroskope in Navigationssystemen eine wichtige Rolle spielen, insbesondere in Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Wenn es auf Genauigkeit ankommt, sorgt ein hochwertiges Gyroskop dafür, dass die Ausrichtung präzise verfolgt wird, selbst wenn externe Faktoren wie Turbulenzen eine Rolle spielen.
IMU-Magnetometer: Was misst ein Magnetometer?
Schließlich misst das Magnetometer das Magnetfeld um das Gerät herum und wird normalerweise zur Bestimmung des Kurses oder der Richtung relativ zum Erdmagnetfeld verwendet. Betrachten Sie es als einen elektronischen Kompass. Während Gyroskope und Beschleunigungsmesser dabei helfen, Bewegungen zu verfolgen, verbessert ein Magnetometer die Orientierungsgenauigkeit, indem es Kursinformationen relativ zum magnetischen Norden liefert.
Ich habe festgestellt, dass das Magnetometer besonders wichtig bei Anwendungen ist, bei denen GPS-Signale schwach oder nicht verfügbar sind. In dichten städtischen Umgebungen, unter der Erde oder unter Wasser ist es beispielsweise entscheidend, einen genauen Richtungssinn zu haben, und das Magnetometer stellt sicher, dass Sie sich nie „verirren“.
Was sind die häufigsten Anwendungen von IMU?
IMUs sind nicht nur auf einen bestimmten Bereich beschränkt, sondern werden in einem breiten Spektrum von Branchen eingesetzt. Ihre Vielseitigkeit ist einer der Hauptgründe, warum sie aus der modernen Technologie nicht mehr wegzudenken sind. In den letzten 20 Jahren habe ich IMUs in allen Bereichen eingesetzt, von der Luft- und die Automobilindustrie bis hin zu Unterhaltungselektronik , Robotik und Verteidigung/Militär . So wirken sie sich auf jeden Sektor aus:
Verteidigung/Militär
Dies ist eine Branche, in der IMUs ihren Wert wirklich unter Beweis stellen. Bei Verteidigungs- und Militäranwendungen ist der Bedarf an präziser Navigation und Stabilität nicht verhandelbar. Von Raketenleitsystemen über unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) bis hin zu von Soldaten getragenen Geräten spielen IMUs eine wesentliche Rolle dabei, sicherzustellen, dass Operationen präzise und effektiv ablaufen.
Ich war an mehreren Projekten im Verteidigungsbereich beteiligt und kann Ihnen aus erster Hand sagen, dass IMUs in Umgebungen, in denen ein Ausfall keine Option ist, von entscheidender Bedeutung sind. Beispielsweise liefert die IMU in Raketensystemen Echtzeit-Feedback zu Geschwindigkeit und Rotation und stellt so sicher, dass die Rakete ihr Ziel präzise trifft. In UAVs, wo GPS-Signale unzuverlässig oder gestört sein können, sorgen IMUs für die notwendige Trägheitsnavigation, um das Fahrzeug auf Kurs zu halten.
Selbst auf Soldatenebene sind IMUs in taktische Geräte eingebettet, um Bewegungen und Standorte auch ohne GPS zu verfolgen und so dazu beizutragen, in komplexem Gelände wie dicht besiedelten städtischen Umgebungen oder im Untergrund ein Situationsbewusstsein zu schaffen. IMUs sind ein Schlüsselfaktor für die zunehmende Abhängigkeit der modernen Kriegsführung von autonomen und halbautonomen Systemen.
Luft- und Raumfahrt
In der Luft- und Raumfahrt kann die Bedeutung von IMUs nicht genug betont werden. Ob in Flugzeugen, Raumfahrzeugen oder Drohnen, IMUs liefern die kritischen Daten, die für Navigation, Steuerung und Stabilität erforderlich sind. Sie sind im Wesentlichen das Rückgrat von Autopilotsystemen und sorgen für reibungslose Flugwege und präzise Landungen.
Wenn ich mit Kunden aus der Luft- und Raumfahrtbranche zusammenarbeite, verlangen sie häufig leistungsstarke IMUs, die in extremen Umgebungen eingesetzt werden können – zum Beispiel in großen Höhen oder sogar im Weltraum. Die IMU hält das Flugzeug auf Kurs und passt sich Turbulenzen, Windscherungen oder anderen externen Kräften an. Bei der Weltraumforschung sind IMUs unerlässlich, um die Ausrichtung von Satelliten und Rovern aufrechtzuerhalten, wenn es kein GPS gibt, auf das man sich verlassen kann.
Automobil
Mit dem Aufkommen autonomer Fahrzeuge sind IMUs in der Automobilindustrie unverzichtbar geworden. Selbstfahrende Autos sind auf IMUs angewiesen, um ihre Position und Bewegung ohne menschliches Zutun zu verstehen. Die IMU hilft dem Fahrzeug, wichtige Entscheidungen in Echtzeit zu treffen – ob es darum geht, langsamer zu werden oder sicher eine scharfe Kurve zu fahren.
Bei der Entwicklung von Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) spielen IMUs eine zentrale Rolle, indem sie Daten an Bordsysteme weiterleiten. Ich habe IMUs in der Stabilitätskontrolle gesehen, wo sie dabei helfen, Über- oder Untersteuern zu erkennen und zu korrigieren, und in automatischen Bremssystemen, wo eine schnelle Verzögerung zur Vermeidung von Unfällen unerlässlich ist.
Unterhaltungselektronik
In der Unterhaltungselektronik haben IMUs eine subtilere, aber ebenso bedeutende Präsenz. Sie befinden sich in Ihrem Smartphone und sorgen für eine reibungslose Drehung des Bildschirms oder für bewegungsbasierte Spiele. In Fitness-Trackern und Smartwatches verfolgen IMUs Bewegungen, überwachen Aktivitäten und berechnen Schritte oder verbrannte Kalorien.
In mehreren Projekten mit Wearable-Technologie habe ich aus erster Hand gesehen, wie sehr eine IMU zum Benutzererlebnis beiträgt. Die Sensoren in Fitnessgeräten nutzen Beschleunigungsmesser und Gyroskope, um Bewegungen präzise zu erfassen, sei es beim Gehen, Laufen oder sogar Schwimmen. IMUs stellen sicher, dass diese Geräte reibungslos funktionieren und den Benutzern genaue Daten liefern, auf die sie täglich angewiesen sind.
Robotik
Sowohl industrielle als auch autonome Roboter sind für die präzise Navigation und Steuerung stark auf IMUs angewiesen. In industriellen Umgebungen ermöglichen IMUs Robotern, sich präzise auf Montagelinien zu bewegen und empfindliche Teile mit höchster Genauigkeit zu handhaben. Unabhängig davon, ob autonome Roboter durch ein Lager navigieren oder Katastrophengebiete erkunden, sorgen IMUs dafür, dass sie im Gleichgewicht und auf Kurs bleiben.
Ich habe an mehreren autonomen Robotersystemen gearbeitet, bei denen IMUs für das Gleichgewicht und die Bewegung von entscheidender Bedeutung waren. Ohne IMUs würden diese Systeme nicht die erforderliche Präzision für kritische Aufgaben wie das Navigieren in unebenem Gelände aufweisen, was sie weitaus weniger effektiv und zuverlässig machen würde.
Warum ist IMU in Navigations- und Positionierungssystemen wichtig?
In jedem System, das eine präzise Navigation oder Positionierung erfordert, ist die IMU ein unverzichtbares Werkzeug. Im Laufe der Jahre habe ich die entscheidende Rolle gesehen, die IMUs dabei spielen, alles von UAVs bis hin zu U-Booten auf dem richtigen Weg zu halten. Der Kern seines Nutzens liegt in seiner Fähigkeit, Bewegungen zu messen, ohne auf externe Referenzen angewiesen zu sein .
GPS-verweigerte Umgebungen
Einer der wichtigsten Aspekte einer IMU ist ihre Fähigkeit, in Umgebungen ohne GPS . Ganz gleich, ob Sie sich tief unter Wasser, unter der Erde oder in einem dichten städtischen Gebiet befinden, in dem GPS-Signale unzuverlässig sind, eine IMU kann Bewegungen immer noch mit unglaublicher Genauigkeit verfolgen. Ich habe Systeme gesehen, die dank der IMU, die die Geschwindigkeits- und Ausrichtungsänderungen kontinuierlich misst, in diesen Umgebungen weiterhin nahtlos funktionieren.
In der Luft- und Raumfahrt, insbesondere bei UAVs oder Militärdrohnen, kann es riskant sein, sich ausschließlich auf GPS zu verlassen. IMUs bieten eine zusätzliche Zuverlässigkeitsebene, indem sie Trägheitsnavigation bieten, wenn GPS-Signale verloren gehen oder gestört werden. Diese Redundanz ist sowohl für zivile als auch für Verteidigungsanwendungen von entscheidender Bedeutung.
Positionierung und Stabilisierung
Stabilisierung ist ein weiterer Bereich, in dem sich IMUs auszeichnen. Viele Systeme, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie im maritimen Bereich, erfordern Echtzeitanpassungen, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Ganz gleich, ob es darum geht, eine Drohne während des Fluges stabil zu halten oder sicherzustellen, dass der Gimbal einer Kamera beim Aufnehmen von Filmmaterial stabil bleibt, IMUs sind die Technologie hinter den Kulissen, die all dies ermöglicht.
Wir haben in vielen Systemen mit IMUs gearbeitet, in denen Echtzeitkorrekturen unerlässlich sind. Beispielsweise geben IMUs in Hubschraubern oder Flugzeugen ständig Rückmeldung an den Autopiloten und helfen so, Mikroanpassungen vorzunehmen, um Windböen oder Turbulenzen auszugleichen.
Präzision und Autonomie
In autonomen Systemen wie selbstfahrenden Autos oder Robotern ist die Notwendigkeit einer präzisen Navigation von größter Bedeutung. IMUs helfen diesen Systemen, ihre Ausrichtung, Geschwindigkeit und Flugbahn zu verstehen, selbst wenn die äußeren Bedingungen schwierig sind. Durch die Eingabe von Daten in Steueralgorithmen ermöglicht die IMU diesen Maschinen, genau zu „wissen“, wo sie sich befinden und wohin sie gehen. Dieses Echtzeitbewusstsein ermöglicht echte Autonomie.
Bei unserer Arbeit mit autonomen Systemen, insbesondere UAVs, haben wir gesehen, wie IMUs dazu beitragen, die Position im Laufe der Zeit genau zu berechnen. In Kombination mit Sensorfusionstechnologien ermöglicht die IMU diesen Systemen, ihre Bahnen anzupassen und sie ohne menschliches Eingreifen auf Kurs zu halten.
Wie sieht IMU aus?
Eine Inertial Measurement Unit (IMU) ist typischerweise ein kompaktes Gerät, das mehrere Sensoren integriert, um die Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und manchmal auch Magnetfelder eines Objekts zu messen. Während das spezifische Erscheinungsbild einer IMU je nach Hersteller, Modell und Verwendungszweck variieren kann, gibt es einige allgemeine Merkmale, die die meisten IMUs gemeinsam haben.
Hier ist eine Aufschlüsselung, wie eine IMU normalerweise aussieht:
1. Größe und Form
Die meisten Inertialmesseinheiten (IMU) sind relativ klein und oft rechteckig oder quaderförmig. Die Abmessungen können je nach Präzision und Anwendung variieren, eine allgemeine IMU, die in der Unterhaltungselektronik verwendet wird, kann jedoch etwa die Größe einer kleinen Münze oder eines dicken Streichholzbriefchens haben. Abhängig von der Komplexität des Systems können Industrie- oder Raumfahrt-IMUs größer sein, manchmal so groß wie ein kleiner Laptop oder eine Festplatte.
2. Externes Gehäuse
IMUs sind normalerweise in robusten, oft versiegelten Gehäusen untergebracht, um die internen Sensoren vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub oder Stößen zu schützen. Das Gehäusematerial besteht typischerweise aus einer Metalllegierung oder hochfestem Kunststoff und gewährleistet so die Haltbarkeit unter rauen Bedingungen (z. B. Luft- und Raumfahrt, militärische Anwendungen).
- IMUs für Industrie und Luft- und Raumfahrt verfügen möglicherweise über ein robusteres Metallgehäuse, um extremen Bedingungen standzuhalten.
- IMUs für Verbraucher (die in Geräten wie Smartphones oder Drohnen verwendet werden) sind in der Regel in leichteren Kunststoffgehäusen untergebracht.
3. Anschlüsse und Ports
IMUs umfassen im Allgemeinen Anschlüsse für Strom, Datenausgabe und manchmal auch Kommunikationsschnittstellen (z. B. UART, I2C, SPI oder RS-232). Diese Anschlüsse ermöglichen der IMU die Verbindung mit anderen Systemen, sei es der Flugcontroller einer Drohne, ein Roboter oder ein Flugzeugnavigationssystem.
- Bei komplexeren Systemen mehrere Ports für verschiedene Signale sichtbar sein.
- In einigen Fällen drahtlose IMUs verwendet, wodurch der Bedarf an sichtbaren Anschlüssen verringert wird.
4. Sensorplatzierung
Die internen Komponenten einer IMU – Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Magnetometer – sind normalerweise in das Gehäuse der Einheit eingebettet. Wenn Sie eine IMU unter einem Mikroskop oder in einem detaillierten Schaltplan betrachten würden, würden Sie winzige Sensorchips (MEMS oder piezoelektrische Geräte) sehen, die in das Gerät eingebettet sind.
Arten von Sensoren in einer IMU
Wenn es um Inertial Measurement Units (IMUs) geht, sind es die darin enthaltenen Sensoren, die die Leistung wirklich steigern. Im Laufe der Jahre haben wir verschiedene Sensortypen in IMUs gesehen, aber MEMS- und FOG -Technologien zeichnen sich durch ihre breite branchenübergreifende Anwendung aus. Jeder Sensortyp hat seine eigenen Stärken und Schwächen, abhängig von der Anwendung und der Umgebung, in der er eingesetzt wird. MEMS-IMUs als auch FOG-IMUs aufschlüsseln und die beiden dann im Hinblick auf Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit vergleichen.
MEMS IMU: Überblick über MEMS IMU und seine Anwendungen
Mikroelektromechanische Systeme oder MEMS-IMUs haben die Sensorwelt revolutioniert. Durch die Verwendung winziger mechanischer Komponenten auf Siliziumchips ermöglicht die MEMS-Technologie hochintegrierte IMUs, die Beschleunigungsmesser , Gyroskope und manchmal auch Magnetometer in einem kleinen, erschwinglichen Paket vereinen. Aus diesem Grund finden Sie MEMS-IMUs heute in fast jedem Verbrauchergerät, vom Smartphone bis zum Fitness-Tracker. Tatsächlich sind sie so weit verbreitet, dass sie aus der modernen Elektronik kaum mehr wegzudenken sind.
MEMS-Sensoren sind beliebt, weil sie ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Größe und Kosten schaffen. Sie sind kompakt und energieeffizient und eignen sich daher ideal für Geräte, bei denen der Platz knapp ist. der Unterhaltungselektronik , tragbaren Technologie und Automobilsystemen eingesetzt wurden – Bereiche, in denen Sie eine gute Genauigkeit, aber nicht unbedingt die höchste auf dem Markt verfügbare Präzision benötigen.
Allerdings haben MEMS-IMUs ihre Grenzen. Obwohl sie für viele Anwendungen wirksam sind, neigen sie dazu, mit der Zeit zu driften und können durch Umgebungsbedingungen wie Temperaturschwankungen beeinflusst werden. Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge beispielsweise gut für kurzfristige Aufgaben wie das Erkennen scharfer Kurven oder plötzlicher Stopps, in anspruchsvolleren Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt, in denen Präzision über lange Zeiträume von entscheidender Bedeutung ist, können sie jedoch Probleme haben. Hier beginnen wir, uns mit anderen Technologien wie FOG-IMUs zu befassen, wenn eine höhere Präzision erforderlich ist.
FOG IMU: Fiber-Optic Gyroskop IMU – Anwendungsfälle in hochpräzisen Anwendungen
Wenn wir hinsichtlich Leistung und Präzision über MEMS hinausgehen müssen, faseroptische Gyroskope (FOG) ins Spiel. FOG-IMUs werden häufig in der Luft- und Raumfahrt , der Verteidigung und anderen Bereichen eingesetzt, in denen selbst kleinste Messfehler schwerwiegende Folgen haben können. Diese Sensoren sind für ihre hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität bekannt, Eigenschaften, die in Umgebungen von entscheidender Bedeutung sind, in denen äußere Kräfte wie Vibrationen oder Temperaturschwankungen die Leistung erheblich beeinträchtigen können.
Im Gegensatz zu MEMS nutzen FOG-IMUs die Eigenschaften von Licht, um Änderungen der Winkelgeschwindigkeit zu erkennen. Ein Lichtstrahl wird durch Glasfaserspulen geleitet, und wenn sich die IMU dreht, ändert sich dieser Weg, wodurch das System die Drehung mit unglaublicher Präzision messen kann. Der Hauptvorteil der FOG-Technologie besteht darin, dass keine beweglichen Teile vorhanden sind. Dies bedeutet, dass weniger Komponenten mit der Zeit verschleißen können, weshalb FOG-IMUs äußerst zuverlässig sind und tendenziell länger halten als MEMS-basierte Systeme.
FOG-IMUs eignen sich perfekt für Raketenleitsysteme , unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) und sogar für die Satellitennavigation . Nach meiner Erfahrung mit hochpräzisen Luft- und Raumfahrtprojekten greifen wir häufig auf FOG-IMUs zurück, wenn wir ein System benötigen, das in Umgebungen ohne GPS oder unter extremen Bedingungen einwandfrei funktioniert. Der Preis für FOG-Systeme ist höher, aber für kritische Anwendungen, bei denen ein Ausfall keine Option ist, sind sie jeden Cent wert.
MEMS- und FOG-Gyroskope – ein kurzer Vergleich
Schauen wir uns nun an, wie MEMS- und FOG-Gyroskope im Vergleich zueinander abschneiden. Im Laufe der Jahre hatte ich die Gelegenheit, mit beiden Technologien zu arbeiten, und es ist klar, dass jede je nach Anwendungsfall ihren Platz hat.
- Präzision : Hier glänzt FOG deutlich. FOG-Gyroskope sind weitaus genauer, insbesondere über lange Zeiträume. Sie weisen eine minimale Drift auf und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die eine dauerhaft hohe Präzision erfordern, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder im Verteidigungsbereich. Andererseits bieten MEMS-Gyroskope eine gute Genauigkeit, können jedoch im Laufe der Zeit unter Drift leiden, was bedeutet, dass sie bei hochpräzisen Aufgaben häufiger neu kalibriert werden müssen.
- Größe und Kosten : MEMS-IMUs sind weitaus kompakter und kostengünstiger als FOG-IMUs. Dies macht sie zur offensichtlichen Wahl für Unterhaltungselektronik-, Automobil- und andere kommerzielle Anwendungen, bei denen Größe und Budget entscheidende Faktoren sind. FOG-Systeme sind zwar teurer und sperriger, werden jedoch bevorzugt, wenn absolute Genauigkeit erforderlich ist und keine Kompromisse bei der Leistung eingehen dürfen.
- Haltbarkeit : In puncto Robustheit haben FOG-Systeme die Nase vorn, insbesondere in rauen Umgebungen. Da sie keine beweglichen Teile haben, sind sie weniger anfällig für Verschleiß und eignen sich daher perfekt für Langzeiteinsätze unter rauen Bedingungen. MEMS mit seinen mechanischen Komponenten sind langlebig genug für die meisten Verbraucher- und Industrieanwendungen, neigen jedoch unter extremen Bedingungen dazu, schneller zu verfallen.
- Stromverbrauch : MEMS-IMUs sind energieeffizienter, weshalb sie häufig in tragbaren Elektronikgeräten wie Smartphones und Fitness-Trackern zu finden sind. FOG-IMUs hingegen verbrauchen aufgrund der verwendeten optischen Systeme mehr Strom, wodurch sie für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch weniger geeignet sind, in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt oder Verteidigung, in denen der Stromverbrauch nicht so begrenzt ist, jedoch völlig akzeptabel sind.
IMU-Leistungsspezifikationen erklärt
Wenn es um die Auswahl der richtigen Inertialmesseinheit (IMU) für eine bestimmte Anwendung geht, ist das Verständnis ihrer Leistungsspezifikationen von entscheidender Bedeutung. Diese Spezifikationen bestimmen, wie gut die IMU unter realen Bedingungen funktioniert, insbesondere wenn Genauigkeit und Stabilität zentrale Anforderungen sind. Im Laufe der Jahre haben wir aus erster Hand gesehen, wie bestimmte Leistungsfaktoren wie Bias-Instabilität oder Rauschdichte über den Erfolg oder Misserfolg eines Projekts entscheiden können – insbesondere in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Hochpräzisionsrobotik. Lassen Sie uns einige der wichtigsten Spezifikationen durchgehen, die sorgfältig bewertet werden müssen.
1. Bias-Instabilität
Bias-Instabilität ist einer der Faktoren, die oft übersehen werden, aber bei hochpräzisen Anwendungen . Im Wesentlichen bezieht sich Bias-Instabilität auf die kleinen, zufälligen Schwankungen in der Ausgabe des Sensors, wenn dieser Null anzeigen sollte. Vereinfacht ausgedrückt ist es die „Drift“ der IMU im Stillstand.
In praktischen Anwendungen ist die Bias-Instabilität von Bedeutung, da sie sich darauf auswirkt, wie gut das System die Genauigkeit über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann. Stellen Sie sich ein Raketenleitsystem oder einen im Weltraum operierenden Satelliten vor. Beide sind auf äußerst genaue Daten über längere Zeiträume angewiesen. Jede durch Bias-Instabilität verursachte Drift kann zu schwerwiegenden kumulativen Fehlern führen, die dazu führen, dass das System vom Kurs abweicht. Aus diesem Grund legen wir bei der Zusammenarbeit mit Kunden aus der Luft- und Raumfahrt stets großen Wert auf eine geringe Bias-Instabilität – insbesondere bei Langzeitmissionen, bei denen selbst kleinste Fehler erhebliche Folgen haben können.
2. Anfängliche Voreingenommenheit
Der anfängliche Bias ist ein weiterer kritischer Faktor, der sich direkt auf die langfristige Genauigkeit einer IMU auswirkt. Dies bezieht sich auf den Offsetfehler des Sensors zum Zeitpunkt des Starts. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um den Basisfehler, der vorliegt, bevor überhaupt Messungen durchgeführt werden. Wenn die anfängliche Abweichung zu hoch ist, beeinträchtigt dies die Genauigkeit aller nachfolgenden Messwerte und macht das gesamte System fehleranfällig.
Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen die IMU über längere Zeiträume ohne Neukalibrierung laufen muss. In Systemen wie autonomen Fahrzeugen oder Drohnen muss die IMU während der gesamten Betriebsdauer genaue Daten liefern. Selbst eine kleine anfängliche Abweichung kann im Laufe der Zeit zu erheblichen Fehlern führen, wenn sie nicht berücksichtigt wird. Aus diesem Grund empfehlen wir bei hochpräzisen Systemen immer, die IMU beim Start zu kalibrieren, um die anfängliche Abweichung zu korrigieren, bevor sie zu einem Problem wird.
3. Reichweite und Auflösung
Bei der Auswahl einer IMU Reichweite und Auflösung zwei Spezifikationen, die immer zusammen berücksichtigt werden müssen. Der Bereich definiert die maximal messbare Beschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit, während die Auflösung die kleinste Änderung ist, die der Sensor erkennen kann.
Wenn Sie an einem Projekt arbeiten, bei dem die IMU hohen Kräften ausgesetzt ist, wie etwa in einem Autounfallerkennungssystem oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, ist ein Sensor mit großer Reichweite von entscheidender Bedeutung. Das System muss extreme Bedingungen bewältigen, ohne den Sensor zu überlasten. Wird die IMU hingegen in präzisionsgeführten Geräten wie Operationsrobotern oder UAVs eingesetzt, ist eine hohe Auflösung erforderlich, um kleinste Bewegungsänderungen zu erfassen.
Abhängig von der Anwendung müssen wir oft die richtige Balance zwischen Reichweite und Auflösung finden. In einigen Fällen geht bei einem größeren Bereich die Auflösung verloren, sodass feine Details möglicherweise übersehen werden. Bei bestimmten Projekten, bei denen Präzision oberste Priorität hat, legen wir jedoch Wert auf eine höhere Auflösung, auch wenn dies bedeutet, dass wir in einem engeren Bereich arbeiten müssen.
4. Skalierungsfaktor und Skalierungsfehler
Der Skalierungsfaktor ist im Wesentlichen das Verhältnis zwischen der Ausgabe der IMU und der tatsächlichen physischen Eingabe. Im Idealfall sollte dies perfekt übereinstimmen, aber in Wirklichkeit weist jeder Sensor einen Skalenfehler auf , der die Abweichung von diesem idealen Verhältnis darstellt.
Warum ist das wichtig? Denn der Skalierungsfaktor hat direkten Einfluss auf die Messgenauigkeit . Wenn der Skalenfehler zu hoch ist, werden die Messwerte verfälscht, was dazu führt, dass ungenaue Daten in das System eingespeist werden. Wenn beispielsweise im Autopilotsystem einer Drohne der Skalierungsfaktor ausgeschaltet ist, könnte das System glauben, dass sie sich auf gleicher Höhe befindet, obwohl sie sich in Wirklichkeit langsam auf eine Seite neigt. Mit der Zeit häufen sich diese Fehler und führen dazu, dass die Drohne vom Kurs abweicht.
Wenn wir Systeme entwickeln, bei denen Präzision oberste Priorität hat, stellen wir sicher, dass die von uns ausgewählten IMUs einen geringen Skalenfehler und eine hohe Skalenfaktorstabilität aufweisen. Auf diese Weise können wir sicher sein, dass die Messungen, auf die wir uns verlassen, auch über lange Betriebszeiten genau und konsistent sind.
5. Lärm und Lärmdichte
Rauschen ist ein inhärentes Merkmal jedes Sensors, und IMUs bilden da keine Ausnahme. Es bezieht sich auf zufällige Schwankungen im Sensorausgang, die das tatsächliche Signal verdecken können. Die Rauschdichte misst den Pegel dieses Rauschens über eine bestimmte Bandbreite.
Bei hochpräzisen Anwendungen wie der Robotik oder der Satellitennavigation ist die Minimierung von Lärm von entscheidender Bedeutung. Ist der Rauschpegel zu hoch, wird es schwierig, zwischen kleinen, realen Bewegungen und zufälligen Schwankungen in den Daten zu unterscheiden. Hier wird die Rauschdichte zu einer wichtigen Spezifikation – insbesondere in dynamischen Umgebungen, in denen subtile Bewegungen genau erfasst werden müssen.
Beispielsweise kann bei chirurgischen Robotern, die auf Präzision im Submillimeterbereich angewiesen sind, ein hoher Geräuschpegel zu Fehlern führen, die den gesamten Vorgang gefährden. Wir haben aus Erfahrung gelernt, dass selbst eine scheinbar kleine Menge Lärm zu größeren Problemen führen kann, wenn es auf Genauigkeit ankommt. Durch die Wahl einer IMU mit geringer Rauschdichte wird sichergestellt, dass der Sensor kleinste Änderungen störungsfrei erfassen kann.
6. Bandbreite und Abtastrate
Die Bandbreite bezieht sich auf den Frequenzbereich, den eine IMU genau messen kann, während die Abtastrate angibt, wie oft die IMU Messungen durchführt. Zusammen bestimmen diese Parameter, wie gut der Sensor sich schnell bewegende, dynamische Ereignisse erfassen kann.
Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen – denken Sie an Drohnen oder autonome Fahrzeuge, die durch komplexe Umgebungen navigieren – sind höhere Abtastraten und eine größere Bandbreite entscheidend. Bei einer niedrigen Abtastrate können in sich schnell bewegenden Szenarien wichtige Details fehlen, was zu verzögerten oder falschen Reaktionen des Systems führt. Stellen Sie sich ein selbstfahrendes Auto vor, das aufgrund einer niedrigen Abtastrate ein plötzliches Ausweichen nicht erkennt – das könnte katastrophal sein.
Im Gegensatz dazu müssen bei weniger dynamischen Anwendungen, wie z. B. der Überwachung des strukturellen Zustands, die Bandbreite und die Abtastrate nicht so hoch sein. Der Schlüssel liegt hier darin, die Spezifikationen der IMU mit den betrieblichen Anforderungen des Systems in Einklang zu bringen. Wir haben oft festgestellt, dass eine zu niedrige Abtastrate dazu führt, dass Details fehlen, während eine zu hohe Rate das System mit unnötigen Daten überfordern kann. Es ist entscheidend, dieses Gleichgewicht zu finden.
7. Zufälliger Spaziergang
Random Walk beschreibt die kleinen, zufälligen Fehler, die sich im Laufe der Zeit in der Ausgabe der IMU ansammeln. Auch wenn jeder Fehler für sich genommen unbedeutend erscheint, können sie in der Summe dazu führen, dass das System von seiner wahren Position oder Ausrichtung abweicht.
Bei Langzeitmissionen, etwa solchen mit UAVs oder Satelliten , kann Random Walk zu erheblichen Positionsfehlern führen. Ich habe Fälle gesehen, in denen eine kleine zufällige Bewegung in einem IMU-Sensor dazu führte, dass Navigationssysteme nach nur wenigen Betriebsstunden stark vom Kurs abwichen. Bei Projekten dieser Art ist die Auswahl einer IMU mit einem geringen Random Walk von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der langfristigen Genauigkeit.
Random Walk wird insbesondere in Umgebungen ohne GPS problematisch, in denen sich die IMU nicht auf externe Referenzen verlassen kann, um ihre Drift zu korrigieren. Aus diesem Grund empfehlen wir immer, die Random-Walk-Leistung einer IMU zu testen und zu bewerten, bevor sie in einem hochpräzisen Langzeitsystem eingesetzt wird.
So wählen Sie die richtige IMU für Ihre Anwendung aus
Die Auswahl der richtigen Inertial Measurement Unit (IMU) kann schwierig sein. Im Laufe der Jahre haben wir aus erster Hand gesehen, wie die Wahl der falschen IMU zu erheblichen Projektverzögerungen, Kostenüberschreitungen oder sogar zum Scheitern führen kann. Der Schlüssel liegt darin, die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung zu verstehen und diese mit den Leistungsspezifikationen der IMU in Einklang zu bringen. Es gibt keine einheitliche IMU – jedes Projekt erfordert die sorgfältige Abwägung mehrerer Faktoren. Lassen Sie uns zusammenfassen, worauf Sie bei der Auswahl der besten IMU für Ihre Anforderungen achten sollten.
Zu berücksichtigende Faktoren: Leistungsspezifikationen, Umgebung, Größe, Kosten
Das erste, was wir uns immer ansehen, sind die Leistungsangaben . Nicht alle IMUs sind gleich aufgebaut und das Verständnis der Spezifikationen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die IMU die Anforderungen Ihres Projekts erfüllen kann. Wichtige Spezifikationen wie Bias-Instabilität , Rauschdichte , Abtastrate und Bereich müssen mit den Anforderungen Ihrer Anwendung übereinstimmen. hochpräzisen Luft- und Raumfahrtprojekt arbeiten , benötigen Sie eine IMU mit minimaler Bias-Drift und hoher Stabilität. Wenn die IMU hingegen in ein Unterhaltungselektronikgerät eingebaut wird, könnten Kosten und Größe Vorrang vor extremer Genauigkeit haben.
Ebenso wichtig ist das Umfeld , in dem die IMU betrieben wird. Wird es extremen Temperaturen, Vibrationen oder Feuchtigkeit ausgesetzt? Bei Verteidigungs- oder Luft- und Raumfahrtanwendungen, bei denen die IMU in rauen oder unvorhersehbaren Umgebungen eingesetzt werden kann, wird Robustheit zu einem Schlüsselfaktor. Robuste IMUs sind so konstruiert, dass sie diesen Bedingungen standhalten, sind jedoch mit höheren Kosten und einer größeren Stellfläche verbunden. Auf der anderen Seite können Sie für kontrolliertere Umgebungen, wie beispielsweise in einer Fabrik oder einem Verbrauchergerät, möglicherweise eine leichtere, kostengünstigere IMU verwenden, ohne Einbußen bei der Leistung hinnehmen zu müssen.
Größe und Kosten sind ebenfalls entscheidende Faktoren, insbesondere bei kompakten oder kostensensiblen Anwendungen. Wenn Sie beispielsweise ein tragbares Gerät oder eine kompakte Drohne entwickeln, sind die Größe und der Stromverbrauch der IMU von entscheidender Bedeutung. Wir haben an vielen Projekten gearbeitet, bei denen Platzbeschränkungen nicht verhandelbar waren, und die Wahl einer kleineren MEMS-basierten IMU war die richtige Entscheidung. Bedenken Sie jedoch, dass der Kompromiss bei kleineren, günstigeren IMUs oft in der Leistung besteht – insbesondere in Bezug auf Langzeitstabilität und Präzision.
Auch die Kosten spielen immer eine Rolle. Obwohl High-End-IMUs mit faseroptischem Gyroskop (FOG) eine unübertroffene Präzision bieten, sind sie viel teurer als MEMS-basierte Systeme. den Kosten-Leistungs-Kompromiss . Wenn Ihre Anwendung eine gewisse Drift verträgt oder im Laufe der Zeit eine Neukalibrierung benötigt, könnte eine kostengünstigere MEMS-IMU ausreichend sein. Wenn Sie jedoch etwas wie ein Raketenleitsystem oder einen Satelliten bauen, sollten Sie in die leistungsstärkste IMU , die Sie sich leisten können.
Verstehen Sie die Anforderungen Ihrer Anwendung
Bevor Sie eine Entscheidung treffen, empfehlen wir Ihnen immer, sich eingehend mit den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung . Jede Branche und jeder Anwendungsfall hat ihre eigenen Anforderungen und die IMU sollte entsprechend ausgewählt werden. Hier finden Sie eine kurze Übersicht darüber, worauf Sie in den verschiedenen Sektoren achten sollten:
- Industrielle Anwendungen : In industriellen Umgebungen sind Robustheit und Haltbarkeit oft entscheidend. IMUs, die in Maschinen, in der Fertigung oder in schweren Geräten eingesetzt werden, müssen Vibrationen, Staub und großen Temperaturbereichen standhalten. Sie benötigen außerdem eine IMU, die Echtzeitdaten mit hoher Präzision bereitstellen kann, um Automatisierungs- und Steuerungssysteme zu verbessern. Wir haben festgestellt, dass bei den meisten Industrieprojekten eine MEMS-IMU der Mittelklasse oft den optimalen Kompromiss zwischen Haltbarkeit und Leistung bietet.
- Unterhaltungselektronik : Bei Verbrauchergeräten wie Smartphones, Fitness-Trackern oder VR-Headsets liegt der Fokus normalerweise auf Kosten, Größe und Stromverbrauch . Diese Anwendungen erfordern keine Präzision auf Militärniveau, aber sie erfordern kleine IMUs mit geringem Stromverbrauch, die eine konstante Leistung erbringen können. MEMS-IMUs dominieren diesen Bereich, weil 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 Bereich Energiemanagement und -integration liegen – nicht unbedingt in extremer Genauigkeit.
- Automobil : In der Automobilwelt werden IMUs für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und autonome Fahrzeuge immer wichtiger. Dabei stehen Präzision und Zuverlässigkeit im Vordergrund, angesichts der Größe der Branche aber auch die Kosteneffizienz. Für diese Anwendungen benötigen Sie eine IMU, die Temperaturschwankungen und Vibrationen von der Straße standhält und gleichzeitig stabile Echtzeitdaten liefert. Wir empfehlen häufig MEMS-IMUs in Automobilqualität, die speziell für diese Bedingungen entwickelt wurden und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Zuverlässigkeit gewährleisten.
- Luft- und Raumfahrt und Verteidigung : In der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung gibt es keinen Raum für Fehler. Ganz gleich, ob Sie eine Rakete steuern, einen Satelliten stabilisieren oder ein UAV in Umgebungen ohne GPS steuern, Sie benötigen leistungsstarke IMUs , die Daten mit minimaler Drift über lange Zeiträume liefern können. Aufgrund ihrer Präzision und Langzeitstabilität werden in diesen Anwendungen typischerweise faseroptische Gyroskope (FOG) IMUs oder Ringlasergyroskope (RLG) eingesetzt. Diese Systeme sind teurer und sperriger, aber in Umgebungen mit hohem Risiko lohnt sich die Investition.
Häufige Fehler, die Sie bei der Auswahl einer IMU vermeiden sollten
Im Laufe der Jahre haben wir einige häufige Fehler gesehen, die Menschen bei der Auswahl einer IMU machen. Die Vermeidung dieser Fallstricke kann auf lange Sicht sowohl Zeit als auch Geld sparen.
- Über- oder Unterspezifikation der IMU : Eines der häufigsten Probleme, auf die wir gestoßen sind, ist die Tendenz, die IMU für das Projekt entweder zu stark oder zu niedrig zu spezifizieren. Einige Teams entscheiden sich für die hochwertigste IMU auf dem Markt, weil sie denken, dass sie alle Anforderungen abdeckt, aber das führt oft zu unnötigen Kosten und Komplexität. Andererseits kann die Wahl der günstigsten Option zu Leistungsproblemen führen, insbesondere in Umgebungen mit hoher Nachfrage. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Spezifikationen der IMU mit den tatsächlichen Anforderungen der Anwendung in Einklang zu bringen, anstatt sich für Extreme zu entscheiden.
- Umweltfaktoren ignorieren : Wir haben erlebt, dass Projekte scheiterten, weil Teams die Betriebsumgebung nicht berücksichtigten. IMUs reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen, Vibrationen und andere äußere Bedingungen. Die Auswahl einer IMU, die nicht für den Betrieb in Ihrer spezifischen Umgebung ausgelegt ist, kann zu Kalibrierungsabweichungen, Fehlern oder ungenauen Daten führen. Stellen Sie immer sicher, dass die IMU für die Bedingungen ausgelegt ist, denen sie im realen Einsatz ausgesetzt ist.
- Zukünftige Skalierbarkeit nicht berücksichtigen : Es ist leicht, sich auf unmittelbare Projektanforderungen zu konzentrieren, aber wenn die Anwendung Teil eines größeren Systems oder einer größeren Produktlinie ist, sollte die Skalierbarkeit berücksichtigt werden. Unabhängig davon, ob Sie eine Ausweitung auf Aufgaben mit höherer Präzision oder die Integration mit fortschrittlicheren Steuerungssystemen planen, können Sie durch die Wahl einer IMU, die mit zukünftigen Anforderungen skaliert werden kann, später Zeit und Ressourcen sparen.
- Anforderungen an die Datenverarbeitung außer Acht gelassen : Ein häufig auftretender Fehler besteht darin, die für die Verarbeitung der Daten der IMU erforderliche Rechenlast Hochleistungs-IMUs erzeugen eine erhebliche Datenmenge, die in Echtzeit verarbeitet werden muss. Wenn die Rechenressourcen des Systems nicht darauf vorbereitet sind, kann das volle Potenzial der IMU nicht ausgeschöpft werden. Stellen Sie sicher, dass Ihre Anwendung über die erforderliche Rechenleistung und Algorithmen verfügt, um die eingehenden Daten zu verarbeiten.
