Kombi-MEMS-Sensoren machen GPS genau genug für den Ackerbau

Die genaue Position der Antenne hängt vom Gelände ab

Die Möglichkeit, einen Traktor mit so hoher Genauigkeit zu positionieren, ist eindrucksvoll. Dennoch bleibt ein grundsätzliches Problem bestehen. Die Erfassung der GPS-Daten setzt nämlich voraus, dass die genaue Lage der Antenne bekannt ist. Diese aber befindet sich meist in der Mitte des Führerhausdachs.

Bild 1 macht deutlich, weshalb zwischen der ermittelten Position der Antenne und der tatsächlichen Position des Traktors über Grund eine Abweichung besteht, die es zu kompensieren gilt. Im gezeigten Fall fährt der Traktor quer zur Hangrichtung, doch auch beim Befahren eines leichten Gefälles oder einer Steigung wäre eine Korrektur der Positionsangabe erforderlich.

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Positionskorrekturen mit MEMS-Sensoren

Derartige Positionskorrekturen sind ein ideales Anwendungsgebiet für MEMS-basierende Beschleunigungsaufnehmer und Gyroskope. Jüngste Fortschritte in der MEMS-Technologie haben die Stabilität von MEMS-Sensoren, ihre Rauscheigenschaften und ihre Beständigkeit gegen mechanische Stöße bedeutend verbessert. Alle diese Eigenschaften sind entscheidend für präzise landwirtschaftliche Anwendungen, bei denen es um das Bewegen schwerer Maschinen über hügeliges Gelände geht.

Mit der MEMS-Technik lassen sich Neigung, Bewegungsrichtung und Neigungsänderung präzise bestimmen. Ein Beschleunigungssensor misst den Neigungswinkel bezogen auf die Schwerkraft der Erde. Bedingt durch das Messprinzip des Beschleunigungssensors wird die Messung jedoch durch die Eigenbewegung der Maschine gestört, sodass die ermittelte Neigungsinformation ungenau ist.

Das Gyroskop misst die Drehrate (in Grad pro Sekunde) und eignet sich daher dafür, die Änderungsrate des Neigungswinkels zu ermitteln. Beim Einsatz auf einer sich bewegenden Maschine (z. B. einem großen Traktor) würde ein Beschleunigungssensor oder ein Gyroskop allein nicht genügend präzise Neigungsinformationen liefern. Kombiniert man jedoch beide und setzt zudem einen ausgefeilten Algorithmus ein, lassen sich exakte Neigungsangaben gewinnen. Das Prinzip besteht darin, mit dem Beschleunigungssensor den statischen Neigungswinkel zu bestimmen und mit dem Gyroskop die Auswirkungen der Bewegung des Traktors auf das Signal des Beschleunigungssensors zu kompensieren, um auf diese Weise eine dynamische Neigungsmessung zu ermöglichen.

Beschleunigungssensor und Gyroskop werden benötigt, um Bewegungen des Traktors um seine drei Achsen (Rollen, Nicken und Gieren) zu erfassen (Bild 2).

Zusammenführen und Verarbeiten von GPS- und RTK-Daten

Das Zusammenführen und Verarbeiten der GPS- und RTK-Daten sowie der Informationen aus dem Beschleunigungssensor und dem Gyroskop erfolgen in einer so genannten Trägheitsmesseinheit (Inertial Measurement Unit – IMU). In der Regel kommt in der IMU eine Kombination aus Beschleunigungssensor und Gyroskop zum Einsatz, wie sie Murata mit der Serie SCC2000 anbietet. Die von der IMU ausgegebenen Informationen werden zum Lenken des Traktors herangezogen, wobei entweder hydraulische Stellglieder verwendet werden oder ein Servo am Lenkrad des Fahrzeugs. Mit großer Wahrscheinlichkeit werden in der IMU Kalman-Filteralgorithmen eingesetzt, um Rauschen, Positionsschätzungen und Drift einzubeziehen.

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