CAN-Mess­ein­heit für mobi­le Maschinen

Iner­ti­al­sen­so­ren auf Basis mikro­elek­tro­me­cha­ni­scher Sys­te­me (MEMS) wer­den häu­fig zur Lage- und Posi­ti­ons­be­stim­mung sowie für die Mes­sung von Posi­ti­ons­ver­än­de­run­gen ver­wen­det. Auf­grund ihrer Grö­ße und Kos­ten wer­den sie in der Auto­mo­bil­in­dus­trie und in indus­tri­el­len Anwen­dun­gen ein­ge­setzt. GEMAC stellt sei­ne Sicht der Din­ge vor.

Mit GEMAC Motus wur­de eine für unter­schied­lichs­te Ein­satz­ge­bie­te kon­fi­gu­rier­ba­re Sen­sor-Mess­ein­heit zur 6-ach­si­gen Bewe­gungs­er­fas­sung an mobi­len Maschi­nen wie Bau­ma­schi­nen, Land­ma­schi­nen, Forst­ma­schi­nen, Kran- und Hebe­tech­nik sowie bei Schif­fen entwickelt.

Der Sen­sor besteht aus einem 3-ach­si­gen Beschleu­ni­gungs­sen­sor, wel­cher neben der Erd­be­schleu­ni­gung die auf den Sen­sor ein­wir­ken­den Kräf­te in allen drei Raum­rich­tun­gen erfasst. Der Beschleu­ni­gungs­sen­sor ist damit die bes­te Wahl für die Bestim­mung der Ori­en­tie­rung oder Nei­gung des Sen­sors in sta­ti­schen Anwen­dun­gen, d.h. dass außer der Schwer­kraft kei­ne wei­te­ren Kräf­te auf den Sen­sor ein­wir­ken. Mit dem Drehra­ten­sen­sor wird die Win­kel­ge­schwin­dig­keit der Dre­hung im Raum um alle drei Sen­sor­ach­sen ermit­telt. Durch Inte­gra­ti­on der Drehra­te über die Zeit kann auch aus die­sen Infor­ma­tio­nen die Ori­en­tie­rung des Sen­sors ermit­telt wer­den. Vor­teil­haft für die Bestim­mung der Ori­en­tie­rung mit­tels Gyro­skop ist, dass die­ses nicht durch exter­ne Beschleu­ni­gun­gen beein­flusst wird, wodurch auch dyna­mi­sche Mes­sun­gen bei Bewe­gung des Sen­sors mög­lich sind. Mit einem Sen­sor-Fusi­ons­fil­ter wer­den die Daten von Beschleu­ni­gungs- und Drehra­ten­sen­sor kom­bi­niert. Damit kann sowohl im sta­ti­schen als auch dyna­mi­schen Fall die Ori­en­tie­rung des Sen­sors prä­zi­se bestimmt wer­den. Dadurch ist die Sen­sor­fu­si­on unver­zicht­bar bei der Anwen­dung in mobi­len Arbeitsmaschinen.

6-Achs inertiale Messeinheit GEMAC Motus mit 3-achsiger Beschleunigungs- und Drehratenmessung

Abbil­dung 1: Die 6-Achs iner­tia­le Mess­ein­heit GEMAC Motus mit 3-ach­si­ger Beschleu­ni­gungs- und Drehratenmessung.

Inte­grier­te Signal­ver­ar­bei­tung führt zu mehr Genauigkeit

Han­dels­üb­li­che Iner­tia­le Mess­ein­hei­ten lie­fern nur die Roh­da­ten für Beschleu­ni­gung und Drehra­te an die Steue­rung, wo wei­te­re Berech­nun­gen - wie zum Bei­spiel die Inte­gra­ti­on der Signa­le über die Zeit – durch­ge­führt wer­den. Die dadurch resul­tie­ren­den Signal­ver­zö­ge­run­gen, unge­naue Zeits­tem­pel oder das Run­den von Zah­len­wer­ten füh­ren zu Abwei­chun­gen der berech­ne­ten Wer­te. Mit GEMAC Motus kön­nen Berech­nungs­schrit­te bereits im Sen­sor durch­ge­führt wer­den, wie zum Bei­spiel die Inte­gra­ti­on der Drehra­te zu Win­kel­wer­ten unter Ver­wen­dung hoch­ge­nau­er inter­ner Zeits­tem­pel. Mit die­ser inte­grier­ten Berech­nung kann die Sta­bi­li­tät der Aus­ga­be­da­ten wesent­lich ver­bes­sert wer­den (sie­he Abbil­dung 2). Die vor­ver­ar­bei­te­ten Daten kön­nen über die CAN Schnitt­stel­le aus­ge­ge­ben wer­den und spa­ren somit Spei­cher und Berech­nungs­zeit in der Steuerung.

Fle­xi­bi­li­tät in allen Bereichen

Neben der Aus­ga­be der Beschleu­ni­gung und Drehra­te in allen drei Raum­rich­tun­gen bie­tet GEMAC Motus die Mög­lich­keit, Nei­gungs­wer­te in ver­schie­de­nen For­ma­ten bereit­zu­stel­len – Lot­win­kel, Euler-Win­kel oder als Qua­ter­ni­on. Die Win­kel­for­ma­te kön­nen mit oder ohne Sen­sor­fu­si­on dar­ge­stellt wer­den, womit sowohl sta­ti­sche als auch dyna­mi­sche Anwen­dungs­fäl­le abge­deckt werden.

Die CANopen-Ver­si­on imple­men­tiert die CANopen-Anwen­dungs­schicht und das Kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­fil CiA 301 (Ver­si­on 4.2.0). Für die Nei­gungs­aus­ga­be wird das Gerä­te­pro­fil für Nei­gungs­mes­ser (CiA 410 v. 2.0.0) ver­wen­det. Für die Aus­ga­be­si­gna­le ste­hen bis zu vier fle­xi­bel anpass­ba­re Sen­de­ob­jek­te (TPDOs) zur Verfügung.

Die Vari­an­te mit SAE J1939 Schnitt­stel­le ver­fügt über meh­re­re stan­dar­di­sier­te Aus­ga­be­for­ma­te wie Nei­gungs­wer­te mit­tels Para­me­ter Group Num­ber (PGN) 61481 (slo­pe sen­sor infor­ma­ti­on), Beschleu­ni­gungs­da­ten mit PGN 61485 (acce­le­ra­ti­on sen­sor) und Win­kel­ge­schwin­dig­keit mit PGN 61482 (angu­lar rate infor­ma­ti­on). Zusätz­lich dazu ste­hen pro­prie­tä­re Sen­de­ob­jek­te zur Ver­fü­gung, wel­che in der Anwen­dung kun­den­spe­zi­fisch kon­fi­gu­riert wer­den können.

GEMAC Motus ermög­licht eine 360 Grad Ori­en­tie­rungs­be­stim­mung unab­hän­gig von der Anbau­la­ge des Sen­sors Die Messach­sen des Sen­sors kön­nen kun­den­spe­zi­fisch anhand einer von sechs mög­li­chen Anbau­si­tua­tio­nen aus­ge­wählt wer­den. Wei­ter­hin kann der Sen­sor sei­ne aktu­el­le Anbau­la­ge auf Befehl selbst ermit­teln und das inter­ne Koor­di­na­ten­sys­tem auto­ma­tisch so trans­for­mie­ren, dass die Messach­sen best­mög­lich zur Anbau­si­tua­ti­on pas­sen. Die Null­la­ge des Sen­sors kann in bei­den Win­kel­ach­sen defi­niert wer­den, ohne den Mess­be­reich des Sen­sors ein­zu­schrän­ken. Damit kann der Sen­sor fle­xi­bel an jedes mög­li­che Mess­sze­na­rio ange­passt werden.

Vergleich der sensor-internen Integration der Drehraten und externe Integration in einer Steuerung

Abbil­dung 2: Ver­gleich der sen­sor-inter­nen Inte­gra­ti­on der Drehra­ten (oben) und exter­ne Inte­gra­ti­on in einer Steue­rung (unten). Die inte­grier­te Signal­ver­ar­bei­tung führt zu einer wesent­lich gerin­ge­ren Stan­dard­ab­wei­chung und damit zu mehr Genauigkeit.

Beispielanwendung mit Sensoren in verschiedenen Anbaulagen

Abbil­dung 3: Bei­spiel­an­wen­dung mit Sen­so­ren in ver­schie­de­nen Anbaulagen.

Schlüs­sel­pa­ra­me­ter für die Aus­wahl der IMU

Ska­lie­rung, Off­set und Aus­rich­tungs­feh­ler, Nichtlinearitäten:

Eine der Haupt­feh­ler­quel­len von MEMS IMUs geht her­vor aus Aus­rich­tungs­feh­lern der Messach­sen zum Gehäu­se des Sen­sors sowie aus Ska­lie­rungs- und Off­set­feh­lern der inte­grier­ten Sen­sor­ele­men­te. Da die­se Arten von Feh­lern über die Zeit sta­bil sind, kön­nen Sie ermit­telt und wäh­rend der Her­stel­lung des Sen­sors kor­ri­giert wer­den. Bei GEMAC wird jeder Sen­sor vor der Aus­lie­fe­rung auf hoch­ge­nau­en Dreh­ti­schen kali­briert, wodurch die auf­ge­zähl­ten Feh­ler kor­ri­giert und die Win­kel­ge­nau­ig­keit des Sen­sors auf maxi­mal 0,15° (typisch 0,1°) ver­bes­sert wird.

Tem­pe­ra­tur­ef­fek­te:

Tem­pe­ra­tur­ver­än­de­run­gen in der Umge­bung des Sen­sors füh­ren zu Ver­schie­bun­gen der Ska­lie­rung und des Off­set bei MEMS Sen­sor­ele­men­ten. Die­se Ver­schie­bun­gen, die zu einem Feh­ler bei der Ori­en­tie­rungs­be­rech­nung füh­ren, sind nicht­li­ne­ar und gerä­te­spe­zi­fisch und kön­nen daher nicht vor­aus­be­rech­net wer­den. Die maxi­ma­le Win­kel­ab­wei­chung bei GEMAC Motus wird auf 0,2° limi­tiert. Dies gilt über den gesam­ten Tem­pe­ra­tur­be­reich von -40°C bis 85°C.

Gyro­skop Bias-Stabilität:

Der Off­set der Drehra­ten­si­gna­le ändert sich mit der Zeit auf­grund von Fun­kel­rauschen (fli­cker noi­se) in den MEMS Kom­po­nen­ten. Die­ses Rau­schen mit einem 1/​f Spek­trum macht sich vor allem bei nied­ri­gen Fre­quen­zen bemerk­bar und führt zu einer lang­fris­ti­gen Drift der Gyro­skop­daten. Die Bias-Sta­bi­li­tät wird typi­scher­wei­se in °/​h aus­ge­drückt. Beson­ders bei der Inte­gra­ti­on der Drehra­te zu Win­kel­wer­ten ist eine Kor­rek­tur des Off­sets not­wen­dig. So führt zum Bei­spiel ein Feh­ler von nur einem Auf­lö­sungs­schritt (0.00875 °/​s bei GEMAC Motus) über die Dau­er von einer Stun­de zu einem Win­kel­feh­ler von 31,5°. In der Pra­xis sind die Off­set­wer­te oft um ein zehn- oder hun­dert­fa­ches höher. GEMAC Motus beinhal­tet eine dyna­mi­sche Gyro­skop-Off­set Kor­rek­tur, wel­che den Feh­ler auto­ma­tisch wäh­rend der Lauf­zeit oder auf Befehl des Benut­zers korrigiert.

Ran­dom Walk:

Eine ande­re Art von Rau­schen, das ther­mo­me­cha­ni­sche Rau­schen, ver­ur­sacht einen zufäl­lig ver­teil­ten Feh­ler in den Daten, den Ran­dom Walk. Die­ser Feh­ler kann sowohl bei Beschleu­ni­gungs­sen­sor als Velo­ci­ty Ran­dom Walk, als auch beim Drehra­ten­sen­sor als Angu­lar Ran­dom Walk beob­ach­tet wer­den. Auf­grund des Rau­schens führt die Inte­gra­ti­on des Signals über die Zeit zu einer Drift, wobei die Stan­dard­ab­wei­chung der Drift dem Wert des Ran­dom Walk, mul­ti­pli­ziert mit der Wur­zel der Beob­ach­tungs­zeit, entspricht.

Vibra­ti­on rec­ti­fi­ca­ti­on error (VRE):

Die­ser Feh­ler wird auch g²-Sen­si­ti­vi­tät genannt und führt zu einem Off­set­feh­ler auf­grund von Vibra­tio­nen, wel­che im Beschleu­ni­gungs­sen­sor gleich­ge­rich­tet wer­den. Er wird aus­ge­löst durch Asym­me­trien und Nicht­li­nea­ri­tä­ten im Sen­s­or­design und kann sowohl bei Beschleu­ni­gungs- als auch bei Drehra­ten­sen­so­ren beob­ach­tet werden.

Standard Orientierung z-up

Stan­dard Ori­en­tie­rung z-up

Orientierung z-down

Ori­en­tie­rung z-down

Orientierung y-up

Ori­en­tie­rung y-up

Orientierung y-down

Ori­en­tie­rung y-down

Orientierung x-up

Ori­en­tie­rung x-up

Orientierung x-down

Ori­en­tie­rung x-down

Abhän­gig von der Kun­den­an­wen­dung ste­hen ver­schie­de­nen Vari­an­ten zur Verfügung:

  • Aus­ga­be der Nei­gungs­win­kel (GEMAC Motus NB und NC),
  • Aus­ga­be der Beschleu­ni­gung und Drehra­te (GEMAC Motus IB),
  • und Aus­ga­be von Nei­gung, Beschleu­ni­gung und Drehra­te (und wei­te­re Signa­le, GEMAC Motus XB und XC).

Die iner­tia­le Mess­ein­heit ist in 29 anwen­dungs­spe­zi­fi­schen Kon­fi­gu­ra­ti­ons­op­tio­nen ver­füg­bar. Der Sen­sor kann mit der frei ver­füg­ba­ren Soft­ware ISD-Con­trol durch den Benut­zer indi­vi­du­ell kon­fi­gu­riert wer­den und unter­stützt mit­tels USB-to-CAN Adap­ter unter­schied­li­che Her­stel­ler. Ziel­an­wen­dun­gen sind haupt­säch­lich Bau­ma­schi­nen, Land­ma­schi­nen, Forst­ma­schi­nen, Kran- und Hebe­tech­nik sowie Schiffe.

In Tabel­le 1 und Tabel­le 2 wer­den die Vari­an­ten verglichen.

Vari­an­ten NB NC IB
Eigen­schaf­ten Nei­gung Beschleu­ni­gung Drehra­te
Mess­be­reich 360°/±90° ±8 g ±250 °/​s
Auf­lö­sung 0.01° 0.244 mg 0.00875 °/​s
Tem­pe­ra­tur­ko­ef­fi­zi­ent ±0.01 °/K ±0.0016 °/K 0.2 mg/​K 0.005 °/​s/​K
Sta­ti­sche Genauigkeit ±0.3° ±0.1°
Dyna­mi­sche Genauigkeit ±0.5° ±0.25°
In run bias stability 2.5 °/​h
Ang­le Ran­dom Walk (ARW) 0.1 °/​h
Inter­face U, I, CAN, CANopen, SAE J1939 CAN, CANopen, SAE J1939

Tabel­le 1: Die Vari­an­ten NB, NC und IB im Vergleich.

Vari­an­ten XB
XC
Eigen­schaf­ten Nei­gung Beschleu­ni­gung Drehra­te Nei­gung Beschleu­ni­gung Drehra­te
Mess­be­reich 360° ±8 g ±250 °/​s 360° ±8 g ±250 °/​s
Auf­lö­sung 0.01° 0.244 mg 0.00875 °/​s 0.01° 0.244 mg 0.00875 °/​s
Tem­pe­ra­tur­ko­ef­fi­zi­ent ±0.005 °/K 0.2 mg/​K 0.005 °/​s/​K ±0.0016 °/K 0.02 mg/​K 0.005 °/​s/​K
Sta­ti­sche Genauigkeit ±0.3° ±0.1°
Dyna­mi­sche Genauigkeit ±0.5° ±0.25°
In run bias stability 2.5 °/​h 2.5 °/​h
Ang­le Ran­dom Walk (ARW) 0.1 °/√h 0.1 °/√h
Inter­face CAN, CANopen, SAE J1939

Tabel­le 2: Die Vari­an­ten XB und XC im Vergleich.

Autor: Rico Gräß­ler, Team­lei­ter Sen­sor­ent­wick­lung GEMAC

erschie­nen am 01.03.2022 im CAN News­let­ter Maga­zi­ne (Aus­ga­be 01/2022, Sei­te 36-38)