Gyrosensor

Was ist ein Gyrosensor?

Ein Gyrosensor ist ein Sensor zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit.

Sie werden auch als Gyroskope bezeichnet. Die Winkelgeschwindigkeit bezieht sich auf die physikalische Größe der Drehung eines Objekts pro Zeiteinheit und ist ein wesentlicher Sensor in den heutigen industriellen Maschinenprodukten, wo eine fortschrittliche und präzise Steuerung erforderlich ist.

Gyrosensoren werden insbesondere in Bereichen wie der Robotik, der Flugzeug- und Karosseriesteuerung eingesetzt, wo die Rückkopplungssteuerung auch kleinste Drehungen berücksichtigen muss.

Anwendungen von Gyrosensoren

Gyrosensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen zur Steuerung von Smartphones, Digitalkameras, Spielgeräten, in der Raumfahrtindustrie, in der Luftfahrt, in Automobilen und bei Industrierobotern eingesetzt.

Gyrosensoren werden unter anderem für folgende Zwecke eingesetzt.

• Bildstabilisierung in Smartphones und Digitalkameras
• Steuerung des Gehens von zweibeinigen Robotern
• Messung und Steuerung von Flugzeugpositionen
• Messung von Benutzerbewegungen und -positionen in VR-Spielen

Gyrosensoren haben je nach Produkt unterschiedliche Eigenschaften, wie Wärme- und Vibrationsbeständigkeit und Größe. Daher müssen bei der Auswahl eines Gyrosensors die Genauigkeit der Steuerung des Geräts, das den Gyrosensor verwendet, sowie die Umgebung, in der er eingesetzt werden soll, berücksichtigt werden.

Funktionsweise der Gyrosensoren

Typische Messmethoden für Gyrosensoren sind die Vibrationsmessung, bei der die Corioliskraft zur Messung genutzt wird, sowie die optische Messung, bei der der Sagnac-Effekt des Lichts zur Messung genutzt wird.

1. Vibrierende Gyrosensoren

Die Corioliskraft, die in Vibrationskreiselsensoren verwendet wird, ist die Scheinkraft, die auf ein rotierendes Objekt wirkt, wenn es sich bewegt. Schwingkreisel lassen sich weiter in piezoelektrische und kapazitive Typen unterteilen.

• Piezoelektrischer Typ
  Bei dieser Methode wird der in einem rotierenden Wandler erzeugte Spannungswert als physikalische Größe gemessen, die der Corioliskraft entspricht.
• Kapazitives Verfahren
  Bei dieser Methode wird die Coriolis-Kraft anhand der Kapazitätsdifferenz zwischen der linken und der rechten Messelektrode des Aufnehmers gemessen, die durch die Coriolis-Kraft während der Drehung entsteht, sowie die Winkelgeschwindigkeit berechnet.

Die Beziehung zwischen der Corioliskraft und der Winkelgeschwindigkeit kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.

ω=F/2mv (ω: Winkelgeschwindigkeit, F: Corioliskraft, m: Masse des Objekts, v: Geschwindigkeit der Bewegung)

2. Optische Gyrosensoren

Der Sagnac-Effekt, der in optischen Gyrosensoren verwendet wird, beruht auf dem Prinzip, dass sich die Länge des optischen Weges vergrößert, wenn der optische Pfad, durch den das Licht läuft, in Bewegung ist. Dieses physikalische Phänomen tritt auf, weil die Lichtgeschwindigkeit immer konstant ist. Bei optischen Gyrosensoren verlängert sich der Lichtweg, wenn sich das umlaufende Licht selbst dreht. Die Winkelgeschwindigkeit kann durch Messung der dadurch verursachten Phasendifferenz berechnet werden.

Weitere Informationen zu Gyrosensoren

1. Korrekturmethoden

Korrektur der Drift
Es gibt mehrere Faktoren, die Fehler in der Ausgabe eines Gyrosensors verursachen können. Eine der wichtigsten Eigenschaften, die es zu beachten gilt, ist die „Drift“. Unter Drift versteht man die Verschiebung des Nullpunkts, der ursprünglich als Ausgangswert vorgegeben ist, was zu einer allmählichen Verschiebung des Ausgangswertes und zu einem größeren Erfassungsfehler führt.

Zu den internen Ursachen der Drift gehören Schwankungen in der Gleichstromkomponente (niederfrequente Schwankungen) und die Auswirkungen von hochfrequentem Rauschen. Schwankungen in der Gleichstromkomponente werden als Bias-Instabilität und hochfrequentes Rauschen als Angular Random Walk bezeichnet. Die Bias-Instabilität hängt von der Stabilität der Versorgungsspannung ab und kann durch eine Überarbeitung der Stromversorgung verbessert werden.

Korrektur des Winkel-Random-Walk
Die Methode zur Korrektur des Angular Random Walk ist eine Frage des firmeneigenen Know-hows, aber eine häufig verwendete Korrekturmethode ist die Verwendung eines Kalman-Filters.

Der Kalman-Filter ist eine Methode zur Schätzung des am besten geeigneten Systemzustands auf der Grundlage früherer Informationen und aktuell erfasster Daten. Man kann es als ein Problem der Schätzung des ursprünglichen Zustands einer sich im Laufe der Zeit ändernden Variablen auf der Grundlage der in der Vergangenheit und in der Gegenwart erhaltenen Informationen umformulieren. Es ist wichtig, die gemessenen Werte und die Variablen selbst ebenfalls als rauschbehaftet zu betrachten.

2. Unterschiede zwischen Gyrosensoren und Beschleunigungsmessern

Ein Sensor mit ähnlichen Eigenschaften wie Gyrosensoren ist der Beschleunigungsmesser. Obwohl sie manchmal verwechselt werden, sind sie völlig verschieden.

Wie der Name schon sagt, sind Beschleunigungsmesser Sensoren zur Erfassung von Beschleunigungen. Er nutzt Trägheitskräfte, um Änderungen der Geschwindigkeit zu messen, mit der sich ein Objekt bewegt und gibt diese als elektrisches Signal aus. Beschleunigungssensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, da aus der Beschleunigung auch Informationen wie die Art der Schwingung eines Objekts und die Größe des Aufpralls gewonnen werden können. Ihr grundsätzlicher Aufbau ähnelt dem von Gyrosensoren.

Gyrosensoren hingegen werden, wie bereits erwähnt, zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit eingesetzt. Sie nutzen die Corioliskraft, um die Bewegung (Rotation) und die Änderungen der Ausrichtung und Orientierung eines Objekts zu messen, die dann als elektrisches Signal ausgegeben werden können.

3. 3-, 6- und 9-Achsen-Sensoren

Sensoren mit 3-Achsen- und 6-Achsen-Unterstützung werden heutzutage üblicherweise in Trägheitskraftsensoren verwendet. Sie entsprechen jeweils der Beschleunigung (3-Achse) und der Winkelgeschwindigkeit (6-Achse) in Vorwärts-/Rückwärts-, Links-/Rechts- und Aufwärts-/Abwärtsrichtung und sind als bordeigene Sensoren unverzichtbar für ADAS und das automatische Fahren, also für Fahrerassistenzsysteme für Fahrzeuge.

So sind z. B. Kfz-Navigationssysteme mit einem Gyrosensor und einem Beschleunigungssensor ausgestattet, wobei der Gyrosensor die Richtung des Fahrzeugs und der Beschleunigungssensor die zurückgelegte Strecke erfasst, sodass der aktuelle Standort auch an Orten mit schwierigem Signalempfang, wie z. B. in Tunneln, mit hoher Genauigkeit angezeigt werden kann.

Die drei Achsen werden durch Rollen, Nicken und Gieren dargestellt. Diese Achsen können zur Darstellung der Körperhaltung verwendet werden. Insbesondere die Roll- und Nickbewegung kann als Rückkopplungskreis für die Drift selbst, die ein Fehlerfaktor ist, korrigiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Driftkompensation ist die Verwendung eines geomagnetischen Sensors als zusätzlicher 6-Achsen-kompatibler Sensor zum aktuellen Standard, in diesem Fall als 9-Achsen-kompatibler Sensor bezeichnet.

4. Gyrosensoren mit MEMS-Unterstützung

Gyrosensoren werden verwendet, um die Bewegung von Maschinen mit Rotationsbewegung auf einem Bildschirm anzuzeigen und zu steuern, Die MEMS-Technologie wird durch den Einsatz von Dünnschicht-Mikrofabrikationstechnologie aus der Halbleiterindustrie verwendet.

Im Gegensatz zu optischen und mechanischen Gyrosensoren lassen sich MEMS-Sensoren relativ leicht miniaturisieren und integrieren. Sie werden daher aufgrund ihrer hohen Kompatibilität mit ASICs, die eine relativ anspruchsvolle Steuerung ermöglichen, in vielen Geräten, auch in mobilen Geräten wie Smartphones, eingesetzt.

Außerdem ist der für Gyrosensoren erforderliche Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsbereich je nach Anwendung unterschiedlich. So benötigen mobile Geräte wie Smartphones einen Bereich von 300 bis 2000 dps (Grad pro Sekunde, Drehwinkel pro Sekunde), während Kfz-Geräte wie Auto-Navigationssysteme einen Bereich von 100 bis 500 dps benötigen.

Daher muss bei der Auswahl eines Sensors berücksichtigt werden, wie groß der Erfassungsbereich ist, je nachdem, wie das Gerät eingesetzt werden soll.