Off-Road-Anwendungen Präzise Inertialsensorik für mobile Maschinen

In der Welt mobiler Maschinen und automatisierter Systeme ist die präzise Erfassung von Bewegungen entscheidend. Das gilt insbesondere bei rauen Umgebungsbedingungen wie Vibrationen, Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Staub oder Schmutz. Inertiale Messeinheiten bieten hierfür eine leistungsstarke Lösung.

Aufgrund der integrierten mikro-elektromechanischen Systeme (MEMS) messen inertiale Messeinheiten (IMU) die Beschleunigung in alle drei Raumrichtungen sowie die Drehrate um sämtliche drei Raumachsen. Über die nachgelagerten Auswertungen werden die Rohdaten zur Ermittlung weiterer bewegungsrelevanter Größen kombiniert. In logistischen Anwendungen bilden moderne IMUs die Grundlage für mehr Effizienz, Sicherheit und Automatisierung. In der modernen Intralogistik zeichnet sich ein klarer Trend zu fahrerlosen Transportsystemen (FTS) und einer konsequenten Effizienzsteigerung ab. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist ein exaktes Monitoring von Bewegungs- und Steuerungsprozessen unerlässlich. Dazu dient vor allem der Einsatz moderner Sensortechnologie.

Kompensation äußerer Beschleunigungen

Eine applikationsspezifische Herausforderung stellt dabei die Neigungsmessung an Gabelstaplern dar. Diese Fahrzeuge sind konstruktionsbedingt nur geringfügig gedämpft, wodurch Vibrationen und Stöße nahezu ungehindert auf das Chassis übertragen werden. Herkömmliche, statische Neigungssensoren stoßen hier an ihre Grenzen: Ihre Messwerte werden durch äußere Beschleunigungen verfälscht und liefern unter dynamischen Bedingungen keine zuverlässigen Ergebnisse.

Der 6DoF-Sensor von Pulsotronic stellt in diesem Zusammenhang eine robuste Lösung dar. Durch die Verknüpfung von Beschleunigungssensoren und Gyroskopen sowie die Anwendung eines eingebauten Sensorfusionsalgorithmus lassen sich äußere Beschleunigungen durch Gyrodaten kompensieren. Daher stellt der Sensor selbst unter starken Vibrationen und dynamischen Bewegungen valide Neigungsdaten bereit – ein wesentlicher Vorteil in mobilen Anwendungen. Konkret wird der Sensor beispielsweise bei der Neigungsmessung des Schubmasts verwendet. Diese Information ist besonders beim Anfahren von Paletten wichtig, um sicherzustellen, dass sich der Gabelträger in der korrekten Position befindet. Gerade in fahrerlosen Systemen oder bei anspruchsvollen Fahrsituationen mit klassischen Gabelstaplern trägt der 6DoF-Sensor mit seinen kompensierten Neigungsdaten erheblich zur Erhöhung von Effizienz und Sicherheit bei.

Lage und Dynamik eines Objekts im Raum

Die Bezeichnung 6DoF steht für „Six Degrees of Freedom“ – sechs Freiheitsgrade, in denen sich ein Objekt im Raum bewegen kann. Diese umfassen drei translationale Bewegungen (vor/zurück, seitwärts, auf/ab) sowie drei rotatorische Bewegungen (Rollen, Nicken, Gieren). Ein Sensor, der derartige Bewegungen erfassen kann, liefert ein vollständiges Bild der Lage und Dynamik eines Objekts im Raum. Das erweist sich speziell in dynamischen Anwendungen als vorteilhaft, bei denen sowohl Lageveränderungen ebenso wie Rotationen gleichzeitig auftreten. Für Anwendungen wie autonome Fahrzeuge oder Baumaschinen bedeutet das mehr Kontrolle, höhere Sicherheit und bessere Systemeffizienz. Bewegungen können nicht nur erkannt, sondern ebenfalls präzise gesteuert werden (Bild 1).

Bereitstellung von Rohdaten und verarbeiteten Werten

Ein Merkmal der 6DoF-Sensoren ist ihre Fähigkeit, drei zentrale Größen parallel aufzunehmen: Beschleunigung, Drehrate und kompensierte Neigung. Die simultane Datenerfassung ermöglicht eine umfassende Analyse der Bewegungsdynamik in Echtzeit. Das eröffnet einen wesentlichen Vorteil in Anwendungen, in denen schnelle Reaktionen und exakte Steuerung gefragt sind. Die Sensoren stellen dabei sowohl Rohdaten als auch verarbeitete Werte zur Verfügung. Zu den Rohdaten zählen die linearen Beschleunigungen entlang der X-, Y- und Z-Achse sowie die Drehraten um die drei Raumachsen. Diese Daten bilden die Grundlage für eine interne Sensorfusion, bei der mathematische Algorithmen die verschiedenen Messgrößen miteinander kombinieren. Das Ergebnis ist eine genaue Berechnung der kompensierten Neigung, ergänzt durch weitere bewegungsrelevante Parameter.

Ein besonderer Vorteil für Anwender besteht in der Flexibilität der Datenausgabe: Je nach Bedarf können entweder die Rohdaten, die verarbeiteten Werte oder beides gleichzeitig bereitgestellt werden. Das erlaubt eine einfache Integration in bestehende Systeme sowie eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Applikationen. Die parallele Lieferung der Messgrößen reduziert nicht nur den Einbindungsaufwand, sondern steigert ebenfalls die Systemeffizienz, weil keine zusätzlichen Sensoren oder komplexe Datenfusion auf Systemebene erforderlich sind. Die interne Sensorfusion sorgt zudem für eine stabile und zuverlässige Datenausgabe selbst unter starken Vibrationen oder wechselnden Umgebungsbedingungen. Im Vergleich zu herkömmlichen statischen Neigungssensoren, bei denen äußere Beschleunigungen und Vibrationen zu verfälschten Messwerten führen können, bietet der 6DoF-Sensor eine robuste Lösung: Störgrößen werden aktiv ausgeglichen, sodass präzise Neigungsinformationen auch in dynamischen Umgebungen verfügbar bleiben.

Als Beispiel sei die Neigung einer Baggerschaufel genannt. Die für die Berechnung der Neigung genutzte Fallbeschleunigung wird durch die Beschleunigung des Baggers überlagert und damit verfälscht. Aufgrund ausgefeilter Algorithmik können 6DoF-Sensoren diese Überlagerung kompensieren (Bild 2).

Redundanter Aufbau der Platine

Die Sensoren basieren auf MEMS-Technologien, die meist kapazitive Sensorprinzipien zur Messung von Linearbeschleunigung und Drehrate einsetzen. Im Inneren der MEMS-Chips befinden sich kammähnlich geätzte Mikrostrukturen, die federnd gegeneinander gelagert sind. Wenn äußere Beschleunigungen auf den Sensor einwirken, verschieben sich die Strukturen wegen ihrer Trägheit minimal gegeneinander. Die Verschiebung resultiert in einer messbaren Kapazitätsänderung, aus der der Sensor die Stärke und Richtung der Beschleunigung sowie der Drehrate ermittelt – und das um alle drei Raumachsen.

Ein wichtiges Merkmal der 6DoF-Sensoren ist der vollständig redundante Aufbau der Platine. Zwei unabhängig arbeitende MEMS-Chips mit jeweils eigener Spannungsversorgung sind auf der Platine integriert und erfassen gleichzeitig die Bewegungsdaten. Durch einen kontinuierlichen Abgleich der Rohdaten beider Chips kann der Sensor valide und verlässliche Messwerte zur Verfügung stellen. Diese Redundanz trägt maßgeblich zur Sicherheit und Zuverlässigkeit bei – insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen. Die Sensoren liefern exakte Beschleunigungswerte bis 32 g sowie Winkelraten bis ±2000 °/s. Ein eingebauter Temperatursensor stellt stabile Messergebnisse im Temperaturbereich von –40 bis 85 °C sicher. Darüber hinaus sind die Sensoren unabhängig vom Erdmagnetfeld. Damit eignen sie sich besonders für Umgebungen mit magnetischen Störungen, etwa in mobilen Maschinen oder industriellen Anlagen.

Mit einem Schutzgrad IP67 – optional bis IP69k – umfassen die Sensoren einen kompletten Schutz gegen das Eindringen von Staub und Wasser. Das prädestiniert sie für die Verwendung in Außenbereichen, in der Landwirtschaft, auf Baustellen oder in der Fördertechnik. Eine widerstandsfähige Drei-Punkt-Montage in Kombination mit einem schlagzähen Kunststoffgehäuse schützt zuverlässig vor mechanischen Belastungen. So bleiben die Sensoren selbst bei starker Beanspruchung formstabil und voll funktionsfähig. Ferner sind sie durch ihre hohe Vibrationsunempfindlichkeit robust gegenüber dynamischen Belastungen. Das wird durch eine intelligente interne Sensorfusion erreicht, die Störungen herausfiltert und stabile Ausgangsdaten bereitstellt – sogar bei starker Bewegung oder Erschütterung. Aufgrund dieser Eigenschaften erweisen sich die 6DoF-Sensoren nicht nur als langlebig, sondern auch wartungsarm – ein entscheidender Vorteil für Betreiber, die auf maximale Verfügbarkeit und minimale Stillstandzeiten angewiesen sind (Bild 3).

Vielfältige Schnittstellen

Die Vielzahl an verfügbaren Informationen, Konfigurations- und Diagnosemöglichkeiten erfordert eine flexible Kommunikationsschnittstelle. Die im Sensor genutzte CANopen-Schnittstelle wird diesen Anforderungen gerecht. Über sie kann der Anwender zahlreiche Parameter konfigurieren – beispielsweise zur Anpassung der Sensorfusion an die spezifischen Dynamiken der Applikation sowie Messbereiche und Warnschwellen. Eine auf das Einsatzszenario optimierte Ausgabe der Messwerte ist somit möglich. Für die Zukunft plant Pulsotronic eine Erweiterung der Schnittstellenvielfalt: SAE J1939, I/O-Link (Safety), Single Pair Ethernet (SPE) sowie analoge Schnittstellen.  (se)

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* Dr. Matthias Sachse, Leiter Entwicklung, und Melanie Rothenberger, Assistentin der Geschäftsleitung sowie MarCom-Managerin, beide tätig bei der Pulsotronic GmbH & Co. KG

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