Mit über 15 Jahren Erfahrung im Bereich der Trägheitsnavigation weiß ich, wie überwältigend es sein kann, den richtigen Sensor für Ihre Anwendung auszuwählen. MEMS-IMUs wissen müssen – was sie sind, wie sie funktionieren und warum sie für eine präzise Navigation in den heutigen Technologien von entscheidender Bedeutung sind.
Eine MEMS IMU (Micro-Electro-Mechanical System Inertial Measurement Unit) kombiniert Beschleunigungsmesser, Gyroskope und manchmal Magnetometer in einem einzigen Gerät, um Bewegung und Ausrichtung zu messen. Diese winzigen, aber leistungsstarken Einheiten liefern entscheidende Daten in unzähligen 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 aufschlüssele und erkläre, wie sie Ihre Projekte verbessern können.
Inhaltsverzeichnis
Wie funktioniert eine MEMS-IMU?
Eine MEMS-IMU nutzt winzige mechanische Komponenten, um sowohl Beschleunigung als auch Rotationsbewegung zu messen. Stellen Sie sich Folgendes vor: Sie halten Ihr Smartphone und wenn Sie es neigen, dreht sich der Bildschirm automatisch. Das ist einer MEMS-IMU in Ihrem Telefon zu verdanken. von Beschleunigungsmessern , die lineare Bewegungen messen, und Gyroskopen , die die Drehung verfolgen, wie sich das Gerät durch den Raum bewegt Durch die Kombination dieser beiden Sensortypen kann das Gerät seine Ausrichtung und Position in Echtzeit überwachen.
In einigen Fällen enthalten MEMS-IMUs auch ein Magnetometer , das das Erdmagnetfeld misst, um den Kurs zu bestimmen. Dies ist besonders nützlich bei Anwendungen, die eine Orientierung relativ zu den Erdpolen erfordern, wie etwa Kompasse oder Navigationssysteme.
Wenn alle diese Elemente zusammenarbeiten, entsteht ein zusammenhängendes Bild davon, wie sich ein Objekt bewegt – sei es eine Drohne, die durch die Luft fliegt, oder ein Roboter, der durch eine Fabrikhalle navigiert.
Was sind die Hauptkomponenten einer MEMS-IMU?
Wenn wir eine MEMS-IMU zerlegen, betrachten wir im Wesentlichen drei Kernkomponenten:
- Beschleunigungsmesser – Dieser Sensor misst Geschwindigkeitsänderungen. Es kann lineare Beschleunigungen erkennen und so bestimmen, wie schnell sich ein Objekt in eine bestimmte Richtung bewegt.
- Gyroskop – Das Gyroskop misst die Rotationsgeschwindigkeit und sagt Ihnen, wie schnell sich ein Objekt um seine Achse dreht. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, bei denen es auf das Verständnis der Orientierung ankommt, etwa bei der Stabilisierung von Drohnen oder der Stabilisierung einer Kamera.
- Magnetometer (optional) – Dieser Sensor verfolgt Magnetfelder und wird häufig zur Bestimmung des wahren Nordens verwendet. Dies ist besonders nützlich in Navigationssystemen, bei denen es wichtig ist, die eigene Ausrichtung relativ zum Erdmagnetfeld zu kennen.
Jeder dieser Sensoren spielt eine entscheidende Rolle bei der genauen Bewegungsmessung. Wenn sie in ein einzelnes System wie eine IMU integriert werden, arbeiten sie zusammen, um umfassende Bewegungsdaten bereitzustellen.
Beispielsweise könnte bei einer Drohne der Beschleunigungsmesser dem System mitteilen, dass die Drohne nach vorne beschleunigt, während das Gyroskop misst, um wie viel sie sich nach oben neigt. Mit diesen Daten kann die Drohne ihre Rotoren anpassen, um ihre Flugbahn zu stabilisieren.
Können MEMS-IMUs in Verteidigungsanwendungen verwendet werden?
Absolut. MEMS-IMUs eignen sich nicht nur für den kommerziellen Einsatz – sie sind auch für Verteidigungsanwendungen von großem Wert. Während herkömmliche High-End-IMUs in Militärqualität häufig auf teurere Technologien wie FOGs (Fiber Optic Gyroskope) oder RLGs (Ringlaser-Gyroskope) angewiesen sind, haben Fortschritte in der MEMS-Technologie diese Sensoren für Verteidigungsanwendungen immer attraktiver gemacht.
Einer der größten Vorteile des Einsatzes von MEMS-IMUs im Verteidigungsbereich ist ihre kompakte Größe und ihr geringer Stromverbrauch , was sie ideal für den Einsatz in Anwendungen wie den folgenden macht:
- Lenkflugkörper : MEMS-IMUs können die Bewegung von Lenkwaffen verfolgen und steuern und so die Präzision verbessern und gleichzeitig das Gesamtgewicht und den Leistungsbedarf des Systems reduzieren.
- Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) : Drohnen, die zur Aufklärung oder anderen militärischen Einsätzen eingesetzt werden, profitieren von MEMS-IMUs zur Navigation und Stabilisierung und stellen so sicher, dass sie in dynamischen Umgebungen effektiv arbeiten können.
- Soldatenverfolgungssysteme : Für abgesessene Soldaten helfen MEMS-IMUs dabei, Bewegungen und Orientierung zu verfolgen und so ein besseres Situationsbewusstsein auf dem Schlachtfeld zu ermöglichen.
Während MEMS-IMUs in einigen der anspruchsvollsten Verteidigungsanwendungen möglicherweise noch nicht mit der extremen Präzision von High-End-Sensoren mithalten können, sind sie aufgrund ihrer schnellen Verbesserungen und Vielseitigkeit für bestimmte militärische Anwendungsfälle äußerst wertvoll. Darüber hinaus die kostengünstige MEMS-Technologie Verteidigungsorganisationen den Einsatz dieser Sensoren in einer breiteren Palette von Geräten, von tragbaren Geräten bis hin zu hochentwickelten Fahrzeugen.
Wie genau ist eine MEMS-IMU?
Eine der wichtigsten Fragen, die ich oft bekomme, ist: Wie genau sind MEMS-IMUs? Die Wahrheit ist, dass die Genauigkeit von mehreren Faktoren abhängt, darunter der Qualität der Sensoren, der Kalibrierung und der Art und Weise, wie das System die Rohdaten verarbeitet.
MEMS-IMUs sind unglaublich präzise, weisen jedoch Einschränkungen auf, insbesondere im Vergleich zu anderen IMU-Typen, wie z. B. faseroptischen Gyroskopen (FOGs). Bei MEMS-basierten Systemen kann es zu Drift , einem allmählichen Genauigkeitsverlust im Laufe der Zeit, wenn die Daten nicht korrigiert oder gefiltert werden. Allerdings können fortschrittliche Algorithmen wie die Kalman-Filterung verwendet werden, um diese Fehler zu mindern und sicherzustellen, dass die Ausgabe zuverlässig bleibt.
Während sie in hochpräzisen Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt oder der militärischen Navigation möglicherweise nicht so genau sind wie FOG-IMUs, bieten Unternehmen wie GuideNav, die MEMS-IMUs herstellen, mehr als genug Präzision, um sogar mit Glasfasergyroskopen der Einstiegs- und Mittelklasse mithalten zu können (FOGs). Außerdem sind sie zu einem Bruchteil der Kosten und in einer viel kleineren Größe erhältlich, was sie ideal für platzbeschränkte Anwendungen wie Drohnen macht.
Bei der Klassifizierung von MEMS-IMUs werden diese im Allgemeinen basierend auf 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-Qualität | Typische Bias-Instabilität (Gyroskop, °/h) | Anwendungen |
|---|---|---|
| Verbraucherqualität | > 10°/h | Smartphones, Fitness-Tracker, Gaming-Controller |
| Industriequalität | 1°/h bis 10°/h | Drohnen, Robotik, Automobilsysteme |
| Taktischer Grad | 0,1°/h bis 1°/h | Verteidigungssysteme, UAVs, Präzisionsindustriewerkzeuge |
| Strategische Note | < 0,01°/h | Luft- und Raumfahrt, U-Boote, Navigation auf strategischer Ebene |
Was sind häufige Anwendungen für MEMS-IMUs?
MEMS-IMUs sind überall, auch wenn Sie es nicht bemerken. Lassen Sie mich einige Beispiele nennen:
- Drohnen und UAVs : MEMS-IMUs sind das Herzstück von Flugstabilisierungssystemen und stellen sicher, dass Drohnen auch unter turbulenten Bedingungen einen horizontalen Flug aufrechterhalten können. Sie sind dafür verantwortlich, die Bewegungen der Drohne zu verfolgen und diese Daten an das Steuerungssystem zurückzugeben, um winzige Anpassungen in Echtzeit vorzunehmen.
- Smartphones : Wie ich bereits erwähnt habe, ermöglichen MEMS-IMUs Ihrem Telefon, vom Hoch- in den Querformatmodus zu wechseln, wenn Sie es neigen. Darüber hinaus werden sie aber auch in Augmented-Reality-Anwendungen (AR) verwendet, um zu erkennen, wie Sie Ihr Telefon durch den Raum bewegen.
- Robotik : In industriellen Umgebungen werden MEMS-IMUs verwendet, um Robotern dabei zu helfen, sich in ihrer Umgebung zurechtzufinden, Hindernissen auszuweichen und sich für Aufgaben wie Montage oder Materialhandhabung genau zu positionieren.
- Tragbare Geräte : Fitness-Tracker verwenden MEMS-IMUs, um Ihr Aktivitätsniveau zu überwachen und zu verfolgen, wie viele Schritte Sie gemacht haben, wie schnell Sie laufen oder sogar wie gut Sie schlafen, indem sie Ihre Bewegungen tagsüber und nachts erfassen.
- Autonome Fahrzeuge : Bei selbstfahrenden Autos spielen MEMS-IMUs eine entscheidende Rolle dabei, dem Fahrzeug dabei zu helfen, seine Position und Bewegung zu verstehen, insbesondere in Kombination mit anderen Sensoren wie GPS und LIDAR.
Kurz gesagt, MEMS-IMUs sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Technologien, die unsere moderne Welt prägen, von den Geräten, die wir in unseren Taschen tragen, bis hin zu den Industriesystemen, die die Fertigung antreiben.
Was ist der Unterschied zwischen MEMS-IMUs und FOG-IMUs?
Ich werde oft nach den Unterschieden zwischen MEMS-IMUs und faseroptischen Gyroskopen (FOGs) gefragt, und es kommt wirklich auf einen Kompromiss zwischen Größe, Kosten und Präzision .
MEMS-IMUs sind kompakt, leicht und relativ kostengünstig und eignen sich daher für kommerzielle Anwendungen, bei denen Platz und Kosten eine Rolle spielen. Allerdings bieten sie möglicherweise nicht die höchste Präzision, die für bestimmte Anwendungen erforderlich ist.
Andererseits FOG-IMUs eine extrem hohe Genauigkeit und werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und anderen geschäftskritischen Anwendungen eingesetzt. Sie nutzen die Interferenz von Licht, um die Rotation zu messen, was viel präziser, aber auch viel sperriger und teurer ist.
Wenn Ihr Projekt also höchste Genauigkeit erfordert und Sie über das Budget dafür verfügen, ist eine FOG-IMU möglicherweise die bessere Wahl. Für die meisten kommerziellen Anwendungen bieten MEMS-IMUs jedoch das richtige Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten.
| Besonderheit | MEMS-IMU | Nebel-IMU |
|---|---|---|
| Technologie | Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) verwenden miniaturisierte mechanische Komponenten. | Das faseroptische Gyroskop (FOG) nutzt zur Messung Lichtinterferenzen in Glasfasern. |
| Größe und Gewicht | Kleiner und leichter, wodurch es ideal für platzbeschränkte Anwendungen wie Drohnen und Handgeräte geeignet ist. | Größer und schwerer durch die Verwendung von Lichtwellenleitern, besser geeignet für Luft- und Raumfahrt- oder Industrieanwendungen. |
| Kosten | Kostengünstig, auf Verbraucher- und Industriemärkten weit verbreitet. | Höhere Kosten aufgrund fortschrittlicher Technologie und komplexerer Herstellungsverfahren. |
| Genauigkeit | Gute Genauigkeit für allgemeine Anwendungen, aber die zeitliche Abweichung kann in hochpräzisen Umgebungen erheblich sein. | Extrem hohe Genauigkeit bei sehr geringer Drift, ideal für Navigations- und Luft- und Raumfahrtanwendungen. |
| Stromverbrauch | Geringer Stromverbrauch, geeignet für batteriebetriebene Geräte. | Höherer Stromverbrauch aufgrund optischer Komponenten, besser geeignet für Systeme mit verfügbaren Stromressourcen. |
| Haltbarkeit | Im Allgemeinen widerstandsfähiger gegen Stöße und Vibrationen, häufig in rauen Umgebungen eingesetzt. | Zerbrechlich im Vergleich zu MEMS; erfordert sorgfältige Handhabung und wird häufig in vibrationskontrollierten Umgebungen installiert. |
| Anwendungen | Unterhaltungselektronik, UAVs, Automobil, tragbare Geräte, Verteidigung und allgemeine industrielle Anwendungen. | Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, U-Boote und hochpräzise Navigationssysteme. |
Wie wählen Sie die richtige MEMS-IMU für Ihr Projekt aus?
Die Wahl der richtigen MEMS-IMU hängt von mehreren Faktoren ab:
- Genauigkeitsanforderungen : Wenn Sie beispielsweise an einer Drohne arbeiten, die unter turbulenten Bedingungen eine präzise Flugsteuerung aufrechterhalten muss, benötigen Sie eine IMU mit geringer Drift und hoher Präzision.
- Größenbeschränkungen : Einige Projekte, wie tragbare Geräte oder kompakte Drohnen, erfordern, dass die IMU so klein und leicht wie möglich ist.
- Umwelttoleranz : Wenn Ihr Projekt raue Umgebungen wie hohe Hitze, Vibration oder Feuchtigkeit umfasst, müssen Sie eine MEMS-IMU wählen, die diesen Bedingungen standhält, ohne an Genauigkeit zu verlieren.
- Budget : MEMS-IMUs gibt es in den unterschiedlichsten Preisklassen und teurere Modelle bieten in der Regel eine bessere Leistung. Es ist von entscheidender Bedeutung, das Budget Ihres Projekts mit dem Maß an Präzision in Einklang zu bringen, das Sie benötigen.
- Stromverbrauch : Bei batteriebetriebenen Geräten wie Wearables oder Drohnen benötigen Sie eine IMU, die nur minimal Strom verbraucht, um die Betriebszeit des Geräts zu verlängern.
Wie kann GuideNav helfen?
Bei GuideNav hochpräziser IMUs spezialisiert , wobei unsere MEMS-IMUs faseroptischen Gyroskopen (FOGs) der Einstiegsklasse und sogar der Mittelklasse vergleichbar ist . Wir bieten auch maßgeschneiderte Lösungen basierend auf Ihren spezifischen Anwendungsanforderungen an, um sicherzustellen, dass Sie die beste Lösung für Ihr Projekt erhalten.
Wenn Sie auf der Suche nach der richtigen IMU sind, empfehle ich Ihnen, sich an uns zu wenden . Wir sind bereit und ausgestattet, um Ihnen bei der Suche nach der perfekten Lösung zu helfen. Ganz gleich, ob es bei Ihrem Projekt um Verteidigung, autonome Systeme oder industrielle Anwendungen geht, wir sind für Sie da.
