Inertialsensoren Xsens

Inertialsensoren sind auf Trägheit basierende Sensoren. Diese reichen von den MEMS Inertialsensoren, die nur ein paar mm2 groß sind, bis zu den Ringlasergyroskopen, die extrem genau sind, aber bis zu 50 cm im Durchmesser groß sein können. Das Prinzip der Inertialsensoren wird in den Abschnitten Beschleunigungsmesser und Gyroskope unten detaillierter beschrieben.

Beschleunigungsmesser

Beschleunigungsmesser MEMS inertiale Beschleunigungsmesser bestehen aus einem Masse-Feder-System, das in einem Vakuum liegt. Wird der Beschleunigungsmesser beschleunigt, führt dies zu einer Verschiebung der Masse in dem Federsystem. Die Auslenkung der Masse hängt von dem Masse-Feder-System ab, daher wird eine Kalibrierung notwendig. Das Auslesen erfolgt über ein kapazitives System. MEMS Beschleunigungsmesser sind in 1D-, 2D- und 3D-Versionen erhältlich. Da die Abmessungen des Masse-Feder-Systems direkt mit der Auflösung (und Genauigkeit) des Beschleunigungsmessers zusammenhängt, sind die heute verfügbaren 3D-Beschleunigungs-Chips nicht genau genug, um in den sehr genauen MEMS AHRSs, wie den MTi und MTi-G. benutzt zu werden. Die wichtigsten Hersteller der MEMS Beschleuniger sind Analog Devices, Kionix und Colibrys.

Gyroskope

Gyroskope Inertialgyroskope liegen in verschiedenen Kategorien vor. Ring Laser Gyroscopes (RLG) und Fiber Optic Gyros (FOG) sind sehr zuverlässig und sehr kostspielig. Sie basieren darauf, dass Licht durch einen Spiegel-Satz oder ein Fiberglaskabel in entgegengesetzer Richtung gesandt wird. Eine Drehung des Gyroskops führt dazu, dass das Licht in die eine Richtung die andere Seite des Spiegel-Satzes/Fiberglaskabels vor dem Licht erreicht, das in die entgegengesetzte Richtung geschickt wurde. Optische Gyroskope, wie das RLG und FOG sind so genau, dass sie ohne Referenzsensoren genutzt werden können (s. AHRS). Diese intrinsische Genauigkeit macht sie so kostspielig, dass sie bei kostenbewussten Anwendungen nicht verwendet werden können.

MEMS-Gyroskope andererseits sind relativ günstig. Die verringerte Genauigkeit muss durch die Nutzung von Referenzsensoren ausgeglichen werden. Analog Devices ist der wichtigste Hersteller von MEMS- Gyroskopen.

MEMS-Gyroskope

MEMS-Gyroskope haben eine kleine vibrierende Masse, die z. B. bei 10 kHz vibriert. Die Masse wird in einem Federsystem aufgehängt, Das Auslesen erfolgt über ein kapazitives System, wie es in Beschleunigungsmessern vorhanden ist. Wenn das Gyroskop gedreht wird, übt die Drehung eine lotrechte Coriolis-Kraft auf die Masse aus, die größer ist, wenn die Masse weiter vom Zentrum der Rotation entfernt ist. Die oszillierende Masse liefert eine unterschiedliche Anzeige auf beiden Seiten der Drehung, was ein Maß für die Drehrate darstellt. Ein typischer Fehler bei Gyroskopen ist die g-Anfälligkeit, die durch die Deformation des Federsystems im Inneren des Gyroskops verursacht wird. Xsens Kalman fileter kompensiert aber auch diese Fehlerquelle. Details zu der genauen Arbeitsweise von MEMS-Gyroskopen und Beschleunigungsmessern sind erhältlich auf der Webseite von Sensors Magazine.

Typische Anwendungen

Typische Anwendungen für Sensorsysteme variieren von Typ zu Typ. Die Abbildung unten zeigt die verschiedenen Arten von Gyroskopen.

Strategische und taktische Sensoren findet man oft in risikoreichen Anwendungen, wie z.B. Navigation in der Verteidigung und der kommerziellen Luftfahrt. Konsumenten-Gyroskope mit typischen Bias-Stabilitäten von >30 deg/h werden oft in mobilen Anwendungen benutzt, so auch bei dem Nintendo Wii Controller. Diese Gyroskope führen jedoch zu sehr zu ungefähren ungenauen Berechnungen, sodass sie für professionelle Anwendungen nicht genutzt werden können. Aufgrund der Mit der Erhöhung der Genauigkeit bei Inertialsensoren ist eine neue Klasse von Gyroskopen aufgetaucht (eine Industrieausführung), die klein ist und in der Stabilisierung von unbemannten Fahrzeugen und der Messung und Korrektur von anderen Sensorsystemen verwendet werden kann. Unbemannte Fahrzeuge können sein: Unterwasserfahrzeuge (Saab Seaeye Jaguar), Luftfahrzeuge (Norut) oder Landfahrzeuge (Wambot). Zu den satcom- und Sensor-Korrekturen kann man als Beispiele anführen: EM Solutions' Ka-band Satcom system und Sonardyne's USBL systems.