Ein Gyroskop für jeden Roboter

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Mit dem MPU-3300 bietet Invensense ein 3-Achsen Gyroskop für den rauen Industrieeinsatz 

Durch die Miniaturisierung unhandlicher Sensoren wie Gyroskope und Accelerometer mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik ist eine völlig neue Klasse von Anwendungen entstanden, angefangen von der Koppelnavigation für Navis in GPS-freien Bereichen bis hin zur Elektronik gegen „Verwackler" bei digitalen Fotoapparaten und Camcordern.

Inzwischen dringen die neuen Bauelemente auch in den Bereich robuster Industrieanwendungen vor und erlauben kostengünstig und platzsparend die präzise Erfassung und Auswertung jeglicher Bewegung im Raum, beispielsweise zur Verbesserung der Zielgenauigkeit von Roboterarmen oder gar zur autonomen Stabilisierung unbemannter Flugobjekte.

Der Kreisel im Käfig

Ein Gyroskop oder Kreiselinstrument ist ein kardanisch aufgehängter, rasch rotierender, symmetrischer Kreisel. Aufgrund der Drehimpulserhaltung verharrt der drehende Kreisel in seiner Raumorientierung, auch wenn die Lage der äußeren Aufhängung verändert wird. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Gyroskope zur aktiven Lageregelung insbesondere für Flugkörper eingesetzt und finden sich daher auch in jedem Flugzeug-Cockpit als sog. künstlicher Horizont. Dieser zeigt dem Piloten eine horizontale Linie, die aufgrund der beschriebenen Achsenstabilität auch bei Änderungen der Raumlage des Flugzeuges in ihrer ursprünglichen Position verharrt. Damit kann der Flugzeugführer auch dann bestimmen, wie seine Maschine in der Luft liegt, wenn die menschlichen Sinnesorgane etwa durch Dunkelheit oder  einwirkende Fliehkräfte getäuscht werden.

Gyroskope können also dazu dienen, eine Drehbewegung bzw. –beschleunigung des äußeren Bezugssystems in Relation zur rotierenden Masse zu erkennen und zu messen und zwar weitestgehend unabhängig von der Schwerkraft. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber linearen Beschleunigungssensoren dar, deren Ergebnisse – je nach Lage und Bewegung – vom Einfluss der Schwerkraft freigerechnet

Integration in MEMS

Bei der Integration von Gyroskopen mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik stößt man rasch auf die Problematik, dass sich vollständig frei drehende Objekte nur sehr schwer herstellen lassen. 

Es gibt jedoch einen Ausweg, denn das physikalische Prinzip des Gyroskops – basierend auf der sog. Corioliskraft – lässt sich auch mit schwingenden mechanischen Elementen umsetzen. Diese vibratory rate gyroscopes messen über kapazitive Wandler den Wechsel des Schwingungsmodus der vibrierenden Elemente und damit die verursachende Drehbewegung. Tatsächlich nutzen alle heute mit den Mitteln von MEMS hergestellten Gyroskope, egal of tuning fork oder ring gyro, dieses Prinzip. Das Bild links zeigt das Implementierungsprinzip der Invensense-Gyroskope: 

Mehrere Lamellen, nur verbunden durch dünne Stege an ihren Längsseiten, werden über elektrostatische Anregung zu ihrer mechanischen Resonanz in Vibration versetzt. Bei einer Drehung um die Querachse wird dieses Konstrukt aufgrund der entstehenden Corioliskraft ein wenig ausgelenkt und verändert damit die Kapazität eines verbunden Plattenkondensators, die sich in der anschließenden Metrologie auswerten lässt. 

2 solcher um 90° gedrehten Konstrukte erfassen Drehungen in X- und Y-Richtung, für die Z-Achse (Hochachse) wird eine geänderte MEMS-Struktur verwendet, bei der die Lamellen auf einer anderen Raumrichtung schwingen.

Ein MEMS-Sensor besteht daher aus der eigentlichen Mikrostruktur sowie der notwendigen Ansteuerung und Messwerterfassung, die mit einem „klassischen" CMOS-Prozess hergestellt wird. Darin sind Verstärker, Filter, Treiber, Temperaturkompensation sowie FLASH-Speicher zur Ablage von Kalibrier- und Skalierungsparameter realisiert. Der CMOS-Die dient zudem als Grundplatte für den Sensor und verfügt daher über die notwendigen Pads zur elektrischen Verbindung des Sensors auf der Leiterplatte.

Der MPU-3300

Der Invensense-Sensor MPU-3300 (MPU = Motion Processing Unit) ist ein werksseitig kalibriertes, monolithisches 3-Achsengyroskop in einem 4x4x0.9 mm kleinen Gehäuse, dadurch sehr einfach bei der Platzierung, Ausrichtung und Kalibrierung sowie Integration in Geräte mit geringem Platzangebot. Mit 2 programmierbaren Messbereichen von 225 und 450 dps (degrees per second), sehr geringer Drift, einem Temperaturbereich von -40°C bis +105°C und einer Schockfestigkeit von 10.000 g ist es besonders für raue Industrieumgebungen geeignet.

Die Genauigkeit der MPU-3300-Empfindlichkeit über den gesamten Temperaturbereich beträgt ±2% und die Genauigkeit des Zero-Rate-Outputs über die Temperatur beträgt ±0.14 dps/°C (Winkelgrad je Sekunde und Grad Celsius). Mit lediglich 0.005 dps/?Hz bietet der MPU-3300 ein industrieweit führendes Rauschverhalten und ist damit deutlich besser als Industriegyroskope des Wettbewerbs mit Werten im Bereich von 0.01 bis 0.03 dps/Hz.

Darüber hinaus integriert der MPU-3300 hoch auflösende 16-Bit Analog-Digital-Converter (ADCs), programmierbare digitale Filter, SPI- und I2C-Schnittstellen und weist einen Stromverbrauch von lediglich 3.6 mA auf.

SPI- und I²C-Schnittstellen teilen sich die gleichen Pins, sodass wahlweise die eine oder andere I/O-Technologie verwendet werden kann, bei I2C mit einer Geschwindigkeit von immerhin 400 kHz, bei SPI bis zu 20 MHz für das Auslesen der Sensorwerte. Das integrierte 1024 Byte-FiFo erlaubt diesen schnellen Datentransfer mit Burst-Zyklen und hilft so auch bei der Reduzierung der Stromaufnahme.

Anwendungen

Mit einer Bias-Stabilität von 15 Winkelgrad/Stunde auf jeder der 3 Achsen eignet sich der MPU-3300 hervorragend für eine ganze Reihe von industriellen Anwendungen wie etwa Attitude Heading Reference Systems (AHRS, Lage- und Richtungserfassung), für die eine extrem stabile Performance der Sensoren zum präzisen Tracking der Bewegungen notwendig ist. AHRS-Geräte werden in Flugzeugen, Robotern und anderen Systemen eingebaut, bei denen die räumliche Orientierung gemessen werden muss. Die hohe Stabilität vereinfacht dabei die Nullpunktkalibrierung ganz erheblich.

Navigationssysteme in Industriefahrzeugen, Flug-zeugen und Schiffen können ebenfalls von der hoch genauen Gyroskoptechnologie profitieren und Hersteller von Industrieequipment wie z.B. mobilen Lagerüberwachungs-geräten haben Vorteile dank der niedrigen Leistungsaufnahme des MPU-3300 von weniger als 10 mW.

Weitere Anwendungen, die vom neuen MPU-3300 profitieren können: Antennenstabilisierung, Logistiksysteme, Überwachungsinstrumente, Produktionsequipment, industrielle Elektrowerkzeuge, unbemannte Drohnen (UVAs - Unmanned Aerial Vehicles), Landwirtschaftsmaschinen, Lenkungs- und Steuerungsprodukte sowie Baumaschinen.

Und Präzisionsroboter erhalten mit Gyroskopen einen unabhängigen Feedback-Kanal, der ihnen die tatsächliche Bewegung und Raumlage ihrer Werkzeugarme präzise zurückmeldet.

st