Interview der Geschäftsleitung zum Neigungssensor mit Gyroskop

NEIGUNGSSENSOR MIT GYROSKOP
„SAFETY MUSS IN JEDER PROGRAMMZEILE BEACHTET WERDEN“
Im Frühjahr hat TWK-Elektronik eine Produktneuheit angekündigt, die Sensoren fusioniert. Wir haben mit Dr. Hannwelm Steinebach und Dr. Felix Steinebach, beide Geschäftsführer des Unternehmens, über die technischen Hintergründe der „Sensorfusion“ gesprochen.

Dr. Hannwelm Steinebach, was kann man sich unter Sensorfusion vorstellen?
H. Steinebach:
Nun: Es geht um Neigungsmessung. Eine preisgünstige und dennoch gute Methode ist es, sogenannte MEMS Sensoren dazu zu verwenden. Diese elektronischen Chips sind klein und bestehen aus elektronischen und mikromechanischen Strukturen, das heißt, neben den üblichen mikroelektronischen Schaltkreisen sind auch mechanisch bewegliche Strukturen in den Chips vorhanden. Diese Strukturen lenken sich aus, wenn die g-Kraft der Erde auf sie einwirkt. Gleichzeitig ändern sich die von diesen Strukturen gebildeten Kapazitäten (Kondensatoren). Diese werden messtechnisch erfasst und ein Neigungswinkel wird errechnet und ausgegeben. Wenn aber nun diese MEMS Zelle noch anderen Beschleunigungen neben der Erdbeschleunigung ausgesetzt ist – sei es durch Erschütterungen oder durch Beschleunigungen in einem Fahrzeug – werden diese MEMS-Strukturen auch bewegt und ein verfälschter Neigungswert wird ausgegeben. Die angeschlossene Steuerung reagiert vielleicht falsch und es passiert ein Unglück.

Welche Vorteile ergeben sich aus dieser Verbindung zweier Sensoren?
F. Steinebach:
Jetzt kommt das Gyroskop ins Spiel. Es ist ein Drehratensensor, ebenfalls in MEMS Technologie. Die mikromechanischen Strukturen sind aber so gestaltet, dass Winkelgeschwindigkeiten (°/s) gemessen und als Ausgangssignal ausgegeben werden. Es misst also Änderungen eines Neigungswinkels und nicht den Neigungswinkel an sich, wenn sich das MEMS-Gyroskop um die eigene oder eine verlängerte Achse dreht. Der Vorteil ist, dass die oben genannten linearen Beschleunigungen, die den Beschleunigungs-MEMS Sensor stören, das Gyroskop-MEMS Sensor nicht beeinflussen, da sie keine Drehung darstellen. Alle möglichen applikationsnahen Simulationen und Messungen bei TWK zeigen, dass das Sensor-Fusion-System exakt und sicher arbeitet.

Was wären typische Einsatzgebiete für diese Art Sensor?
F. Steinebach:
Haupteinsatzgebiete sind mobile Maschinen: Mobilkräne, Gabelstapler, etc. Ein gutes Beispiel für die Verwendung der fusionierten Sensoren sind mobile Betonpumpen. Diese Fahrzeuge fahren zu einer Baustelle, werden ausgerichtet – das heißt, der Unterwagen wird horizontal eingestellt – und der Ausleger mit dem Rüssel wird ausgefahren. Unterwagen und Ausleger sind mit Neigungssensoren bestückt – soweit alles gut. Wenn aber nun die Betonpumpe den Beton befördert, gibt es kurze aber starke Schläge.
H. Steinebach: Die auftretenden Beschleunigungen stören die Neigungsmessung. Das Signal des Gyroskops ist trotz der linearen Störbeschleunigung ‚null‘. Der Berechnungsalgorithmus erkennt daraufhin, dass es keine Neigungsänderung gibt und behält den bisherigen Neigungswert bei, der ja nun MEMS-seitig starken Schwankungen unterliegt. Sollte sich die Neigung genau zum Störzeitpunkt ändern, so gibt das Gyroskop eine Änderung in °/s aus, deren Integral nicht ‚null‘ ist. Beide Werte werden vom Kalman-Filter betrachtet und wiederum zur Generierung eines brauchbaren Neigungswertes verwendet.

Wie schwierig ist die Entwicklung eines solchen Sensors? Gibt es größere Hürden als bei der Entwicklung eines „konventionellen“ Sensors?
H. Steinebach:
Der Hauptanteil bei der Entwicklung liegt in solchen Fällen auf der Mathematik. Man muss die beiden Sensorsignale – bestehend aus Neigung und Drehrate aufeinander anpassen und zu einem einzigen, korrigierten – man könnte auch sagen, zu einem guten – Neigungssignal, verknüpfen. Wir haben uns für die Mathematik des Kalman-Filters entschieden, mit dessen Theorie man sich natürlich beschäftigen muss und sie verstehen muss, damit auch etwas Vernünftiges herauskommt.

Welche Rolle spielt das Thema Software? Die Daten müssen zusammengeführt und verarbeitet werden: Wie geht dies von statten?
H. Steinebach:
Da sprechen Sie einen wichtigen Punkt an: Die Software – auch Firmware genannt – spielt eine erhebliche Rolle. Im Zusammenhang mit der eben erwähnten Mathematik muss eine Menge Software geschrieben werden, was auch eine Herausforderung an die Programmierer darstellt. Die Verarbeitung der Daten der beiden Sensoren im Controller muss zudem schnell von statten gehen. Man will ja ein schnell reagierendes Echtzeitsystem haben. Es wird mit mehrdimensionalen Matrizen gearbeitet, die ständig gegeneinander abgeglichen und korrigiert werden, um, gemäß der Kalman-Filtertheorie, schlussendlich ein in fast jeder Situation brauchbares Ausgangssignal zu bekommen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Implementierung der Safety-Technologie, da wir auch zertifizierte Sicherheitssensoren entwickeln. Salopp gesagt, muss das in jeder Programmzeile mit beachtet werden.

Da die Software so wichtig ist: Wie schwierig ist es für Sie als Sensor-Schmiede, das nötige IT-Knowhow aufzubauen bzw. zu akquirieren?
F. Steinebach:
Da wir schon seit Jahrzehnten Sensoren mit hoher Entwicklungs- und Fertigungstiefe bauen, haben wir bei TWK ein außerordentlich hohes Niveau bezüglich des Knowhows von Hard- und Software-Entwicklung erreicht. Wir können diese Aufgaben – wie jetzt auch die Sensorfusion – selbst bewerkstelligen. Unsere Erfahrungen werden von den „Altgedienten“ an die neuen Mitarbeiter weitergegeben und die neuen Mitarbeiter bringen natürlich auch neue Perspektiven und Ideen mit, sodass wir sehr gut aufgestellt sind und nicht auf externe Software-Schmieden angewiesen sind. Das funktioniert sehr gut – auch in Hinsicht auf die schon angesprochene Safety Technologie.

Welche Trends haben Sie in der Sensorik mobiler Arbeitsmaschinen ausgemacht?
H. Steinebach:
Wir erkennen den Trend zu immer mehr „intelligenter“ Sensorik. Das bedeutet, dass einzelne Sensoren nicht nur ihr Ausgangssignal ausgeben, sondern auch Zusatzfunktionen haben – wie die Kompensation von Störvibrationen oder zusätzliche Schaltkontakte aufweisen, die bei Erreichen von Grenzwerten – zum Beispiel maximale Drehwinkel – schalten. Geschwindigkeits- und Beschleunigungssignale werden schon im Drehgeber generiert, Ausgangssignale stehen im 250 μs Takt zur Verfügung, Stichwort PROFIdrive und vieles mehr. Und nicht zuletzt haben wir mittlerweile eine ganze Reihe von Beschleunigungssensoren mit vielen Funktionen, die die Vibrationen auf Maschinen erfassen und auch an dieser Stelle die Sicherheit und Langlebigkeit von mobilen Arbeitsmaschinen erhöhen. Das ist ein weites Spektrum.