Mobile Maschinen 6/2018

WEGBEREITER
NEUE MOBILITÄT
Die Profis für
mobile Automation
Im Frühjahr hat TWK-Elektronik eine Produktneuheit
angekündigt, die Sensoren fusioniert. Wir haben mit
Dr. Hannwelm Steinebach und Dr. Felix Steinebach, beide
Geschäftsführer des Unternehmens, über die technischen
Hintergründe der „Sensorfusion“ gesprochen.
Dr. Hannwelm Steinebach, was kann man sich unter Sensorfusion vorstellen?
H. Steinebach: Nun: Es geht um Neigungsmessung. Eine preisgünstige und
dennoch gute Methode ist es, soge-nannte MEMS Sensoren dazu zu verwenden.
Diese elektronischen Chips sind klein und bestehen aus elektronischen
und mikromechanischen Struktuwren, das heißt, neben den üblichen mikroelektronischen
Schaltkreisen sind auch mechanisch bewegliche Strukturen in
den Chips vorhanden. Diese Strukturen lenken sich aus, wenn die g-Kraft der
Erde auf sie einwirkt. Gleichzeitig ändern sich die von diesen Strukturen gebildeten
Kapazitäten (Kondensatoren). Diese werden messtechnisch erfasst
und ein Neigungswinkel wird errechnet und ausgegeben.
Wenn aber nun diese MEMS Zelle noch anderen Beschleunigungen neben der
Erdbeschleunigung ausgesetzt ist – sei es durch Erschütterungen oder durch
Beschleunigungen in einem Fahrzeug – werden diese MEMS-Strukturen auch
bewegt und ein verfälschter Neigungswert wird ausgegeben. Die angeschlossene
Steuerung reagiert vielleicht falsch und es passiert ein Unglück.
Welche Vorteile ergeben sich aus dieser Verbindung zweier Sensoren?
F. Steinebach: Jetzt kommt das Gyroskop ins Spiel. Es ist ein Drehratensensor,
ebenfalls in MEMS Technologie. Die mikromechanischen Strukturen
sind aber so gestaltet, dass Winkelgeschwindigkeiten (°/s) gemessen und als
Ausgangssignal ausgegeben werden. Es misst also Änderungen eines Neigungswinkels
und nicht den Neigungswinkel an sich, wenn sich das MEMS-
Gyroskop um die eigene oder eine verlängerte Achse dreht. Der Vorteil ist,
dass die oben genannten linearen Beschleunigungen, die den Beschleunigungs-MEMS
Sensor stören, das Gyroskop-MEMS Sensor nicht beeinflussen,
da sie keine Drehung darstellen. Alle möglichen applikationsnahen Simulationen
und Messungen bei TWK zeigen, dass das Sensor-Fusion-System exakt
und sicher arbeitet.
Was wären typische Einsatzgebiete für diese Art Sensor?
F. Steinebach: Haupteinsatzgebiete sind mobile Maschinen: Mobilkräne,
Gabelstapler, etc. Ein gutes Beispiel für die Verwendung der fusionierten Sensoren
sind mobile Betonpumpen. Diese Fahrzeuge fahren zu einer Baustelle,
werden ausgerichtet – das heißt, der Unterwagen wird horizontal eingestellt –
und der Ausleger mit dem Rüssel wird ausgefahren. Unterwagen und Ausleger
sind mit Neigungssensoren bestückt – soweit alles gut. Wenn aber nun
die Betonpumpe den Beton befördert, gibt es kurze aber starke Schläge.
H. Steinebach: Die auftretenden Beschleunigungen stören die Neigungsmessung.
Das Signal des Gyroskops ist trotz der linearen Störbeschleunigung ‚null‘. Der
Berechnungsalgorithmus erkennt daraufhin, dass es keine Neigungsänderung
gibt und behält den bisherigen Neigungswert bei, der ja nun MEMS-seitig
starken Schwankungen unterliegt. Sollte sich die Neigung genau zum Störzeitpunkt
ändern, so gibt das Gyroskop eine Änderung in °/s aus, deren Integral
nicht ‚null‘ ist. Beide Werte werden vom Kalman-Filter betrachtet und wiederum
zur Generierung eines brauchbaren Neigungswertes verwendet.
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