Mouser German Blog

(Quelle: A3Design/Shutterstock.com)

Meine Kindheit liegt schon lange zurück. Damals gab es weder Videospiele noch elektronische Handheld- oder Mobilgeräte. Spieltrends waren: die Knetmasse Play-Doh, die Hüpfknete Silly Putty, der Magic 8 Ball, Frisbees und die Slinky-Feder. Ein besonderes Spielzeug, an das ich mich sehr gerne erinnere, ist der Wiz-z-zer von Mattel. Im Grunde war es ein Gyrostat, also ein rotierendes Rad in einem Gehäuse. Mit diesem Spielzeug lernten die Kinder von damals den Kreisel kennen (Abbildung 1). Das Besondere am Wiz-z-zer war sein leistungsstarkes Hightech-Lager, mit dem sich der Kreisel mit extrem hoher Geschwindigkeit drehen ließ und für längere Zeit stehen bleiben konnte. Ich kann noch immer das Geräusch hören, das der Wiz-z-zer machte, wenn ich ihn aufzog. Und wenn er dann losgelassen wurde und mit unglaublicher Drehgeschwindigkeit über den ganzen Fußboden sauste.

Abbildung 1: Ein rotierender Kreisel. (Quelle: RODRIGO SAINZ/Shutterstock.com)
 

Beim Gyrostat handelt es sich um ein modifiziertes Gyroskop bzw. einen modifizierten Kreisel. Die Drehimpulserhaltung sorgt dafür, dass sich der Kreisel aufrecht stehend dreht (Newton (1687), Laplace (1799), Foucault (1852), Rankine (1858), et al.). Aufgrund dieses Phänomens lassen sich Gyroskope zur Messung oder Erhaltung der Orientierung und der Winkelgeschwindigkeit einsetzen.

MEMS

Die Elektronikentwicklung von heute hat sich diese elementare Mechanik zu eigen gemacht und nutzt sie zur Herstellung eines Sensors auf Basis mikroelektromechanischer Systeme (MEMS). Die MEMS-Sensortechnologie ermöglicht Sensorfusion, wobei verschiedene Sensoren und Softwarelösungen zu einer Einheit zusammengefügt werden. Auf diese Weise trägt MEMS zur Bereitstellung von Lösungen in verschiedenen großen Wirtschaftszweigen bei, darunter die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), das Internet der Dinge (IoT) und die Automobilindustrie. Während der Halbleiterfertigung werden diese Lösungen kalibriert, wobei Kompensation und Sensor-Datenverarbeitung nebst einer einfachen Programmierschnittstelle im Bauteil integriert werden.

An der Spitze der "Humanisierung" der MEMS-Sensortechnologie steht: TDK InvenSense. Als Teil des Geschäftsbereichs Sensorsysteme von TDK ist InvenSense Branchenführer in den Bereichen MEMS-Bewegungs-, Audio- und Drucklösungen für die Marktsegmente Consumer, Industrie, Automotive und IoT. TDK bietet ein umfassendes Portfolio von 3-, 6-, 7- und 9-MEMS-Achsen-Bewegungssensoren sowie überaus leistungsstarken MEMS-Audio-Mikrofonen und Drucksensoren. Damit verschiebt TDK die Grenzen des Möglichen in puncto Leistungsfähigkeit und Qualität weiter und setzt mit seinen Innovationen branchenübergreifend neue Maßstäbe. Schauen wir uns nun genauer an, wie es Entwicklungsingenieuren gelingt, mithilfe der MEMS-IMU (Trägheitssensoren) von TDK InvenSense immer genau zu wissen, welche Position die Dinge einnehmen.

IMUs

Dank der MEMS-Technologie ist es möglich, Mehrachsenkombinationen von Präzisionsgyroskopen, Beschleunigungssensoren, Magnetometern und Drucksensoren in einem Gerät zu vereinen. Integrierte Systeme, die Sensoren dieser Art verwenden, werden oft als inertiale Messeinheiten (IMU) bezeichnet. Diese elektronischen Bauelemente messen und zeigen die spezifische Kraft eines Körpers, die Winkelgeschwindigkeit und häufig auch die Ausrichtung des Körpers an. In seinem Werk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Die mathematischen Grundlagen der Naturphilosophie) aus dem Jahr 1687 beschrieb Isaac Newton (1642-1726/1727) die Trägheit als das erste der drei Grundsätze der Bewegung. Er definierte es wie folgt: „Jeder Körper beharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.“ Die MEMS-Technologie misst und verarbeitet mehrere Freiheitsgrade (DoF), selbst in hochkomplexen Anwendungen und unter veränderlichen Bedingungen.

Anzahl der Freiheitsgrade

Ein entscheidendes Kriterium bei der IMU-Auswahl sind die Freiheitsgrade. IMU sind in der Regel mit Spezifikationen von 2 bis 10 Freiheitsgraden erhältlich.

Der Begriff „Freiheit“ hat je nach Kontext eine unterschiedliche Bedeutung. Im vorliegenden Fall sprechen wir nicht über die Freiheit der persönlichen Entscheidung oder über politische Freiheit, sondern über Freiheit im Kontext der Physik, speziell der Mechanik. In der Mechanik entsprechen die Freiheitsgrade den Komponenten Translation und Rotation, über die die Konfiguration oder der Zustand eines Körpers definiert werden. Ein starrer Körper im Raum beispielsweise besitzt drei Freiheitsgrade der Translation und drei Freiheitsgrade der Rotation, also insgesamt sechs Freiheitsgrade. (Abbildung2).

1. Translation: herauf/herunter
2. Translation: links/rechts
3. Translation: vor/zurück
4. Rotation: links/rechts (gieren)
5. Rotation: von Seite zu Seite (rollen)
6. Rotation: vor/zurück (nicken)

Abbildung 2: Sechs Freiheitsgrade. Möglichkeiten der Bewegung eines starren Körpers im dreidimensionalen Raum. Vorwärts, rückwärts, links, rechts, oben und unten, plus Rotationen um die drei Achsen. (Quelle: Peter Hermes Furian/Shutterstock.com)

Durch die Kombination von Beschleunigungssensoren (Geschwindigkeitsänderung messen → Position ermitteln) und Gyroskopen (Winkelgeschwindigkeit messen → Orientierung ermitteln) lassen sich Daten sammeln, mit denen das System bis zu sechs Freiheitsgrade berechnen kann. Woher stammt also das Konzept von mehr als sechs DoF? Nun, Anbieter von IMU haben beobachtet, dass sie eine bessere Leistung erzielen können, wenn sie mehr Sensoren in die Fusion einbeziehen. Daher fügen sie einen weiteren Sensor hinzu, um ihre Messungen zu verbessern, die Fehlerquote zu senken und zusätzliche aussagekräftige Daten zu erhalten, die interne Anpassungen und Kompensation unterstützen. Durch den zusätzlichen Einsatz eines Magnetometers werden neue Sensorinformationen gesammelt. Die sensorische Einrichtung vermisst das Erdmagnetfeld und liefert Daten, die eine Richtungsbestimmung ermöglichen. Laut Sensorherstellern ergeben sich bei der Fusionierung dieser Informationen mit dem Beschleunigungssensor und dem Gyroskop drei weitere Freiheitsgrade. Und so entsteht eine IMU mit neun Freiheitsgraden.

Aber um das klarzustellen: Hier werden die Begrifflichkeiten ein wenig durcheinander geworfen. Eigentlich hat die Physik sechs Freiheitsgrade definiert. Da bei dem IMU-Gerät im Rahmen eines Sensorfusionsprojekts jedoch drei verschiedene Sensoren in drei separaten Achsen zum Einsatz kommen, umfasst die Lösung letztlich neun Sensoreingänge.

Weiter oben habe ich erwähnt, dass manche IMU über 10 Freiheitsgrade verfügen – und nun spreche ich von neun. Wie komme ich also auf 10?

Ganz einfach: Man fügt noch einen weiteren Sensor hinzu. Im vorliegenden Fall lassen sich mit einem zusätzlichen Luftdrucksensor noch mehr Daten sammeln. Wenn wir also einen Luftdrucksensor hinzufügen, erhalten wir das, was in der IMU-Produktion als 10 Freiheitsgrade bezeichnet wird:

3 DoF Beschleunigungssensoren

3 DoF Gyroskope

3 DoF Magnetometer

1 DoF Barometer (Druck)

10 DoF

Fazit

Im Gegensatz zu den zahlreichen Spielzeugen aus meiner Kindheit benötigt die moderne Elektronik eine immer umfassendere Sensorik.   Dank Sensorfusion, die verschiedene Sensoren und Softwarelösungen miteinander verbindet, sind Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), das Internet der Dinge (IoT) und die Automobilindustrie heute möglich. Nun haben Sie viel Wissenswertes dazu erfahren, wie Trägheitssensoren mehrere Sensoren zu einem integrierten monolithischen Bauelement verbinden. Ich hoffe, ich konnte Ihnen, ähnlich wie beim rotierenden Kreisel, aufzeigen, dass TDK InvenSense die erste Wahl ist, wenn es darum geht, die Vorteile von IMUs für Ihr nächstes Design zu erkennen.