Inertiale Messeinheiten, oder IMUssind im Wesentlichen das Herzstück aller modernen Navigations- und Bewegungsverfolgungsgeräte. IMUs werden in Smartphones bis hin zu Luft- und Raumfahrtsystemen in Drohnen und autonomen Fahrzeugen eingesetzt. Sie berechnen, wie schnell sich etwas bewegt (lineare Beschleunigung), wie es sich dreht (Winkelgeschwindigkeit) und wohin es steuert, aber nicht alle IMUs werden für dieselbe Funktion mit derselben Präzision hergestellt. In der Branche werden sie in vier verschiedene Klassen eingeteilt - Consumer, Industrial, Tactical und Navigation -, die am besten auf bestimmte Anforderungen in Bezug auf Leistung, Genauigkeit und Haltbarkeit abgestimmt sind.
Ingenieure und Hersteller müssen diese Klassen kennen, ebenso wie jeder, der versucht, Bewegungssensoren in ein Produkt einzubauen. Die Unterschiede zwischen den Klassen sind keine trivialen Kosten- oder Abmessungsfragen, sondern wesentliche Unterscheidungen in Bezug auf Genauigkeit, Rauschen, Langzeitstabilität und Leistung unter Stressbedingungen.
Das grundlegende Arbeitsprinzip einer IMU
Eine IMU ist im Wesentlichen ein kleines Sensorpaket, das die lineare Beschleunigung, die Winkelgeschwindigkeit und in einigen Versionen sogar das Magnetfeld misst; praktisch gesehen enthält eine IMU jedoch drei Hauptbestandteile: einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop und manchmal ein Magnetometer. Der Beschleunigungsmesser misst die Geschwindigkeitsänderungen, und das Gyroskop zeichnet die Drehrate auf. Wenn es mit einem Magnetometer ausgestattet ist, kann es eine Richtungsreferenz liefern, indem es das Magnetfeld der Erde erkennt. Da die Algorithmen für die Sensorfusion sehr weit fortgeschritten sind (in der Regel durch Variationen von Kalman-Filtern oder komplementären Filtern), kann dieses Gerät Orientierungs-, Positions- und Bewegungsdaten liefern, selbst wenn keine GPS-Signale vorhanden sind.
Heutige IMUs sind im Wesentlichen von der MEMS-Technologie abhängig, die es ermöglicht, Sensorelemente als Teil von Siliziumchips herzustellen. Durch die MEMS-Fertigung können extrem kleine Sensoren mit enormer Leistung zu einem relativ bescheidenen Preis hergestellt werden. Sie sind jedoch in der Lage, alles zu leisten, von der einfachen Peilung in einem Mobiltelefon bis hin zur hochgenauen Navigation in einem Flugzeug, je nachdem, wie die IMU ausgelegt und kalibriert ist. Diese Bandbreite an Genauigkeit und Zuverlässigkeit bringt uns zu den vier wichtigsten IMU-Klassen.
Die vier Stufen der IMU
IMU der Verbraucherklasse
IMUs gehören zur Verbraucherklasse und sind natürlich am häufigsten in Alltagsgeräten zu finden. Sie sind eher klein, stromsparend und kostengünstig als extrem genau. Es sind diese Sensoren, die es ermöglichen, dass sich der Bildschirm Ihres Telefons bei einer Neigung dreht, dass Ihre Uhr Schritte zählt und dass Ihr VR-Headset Kopfbewegungen aufnimmt. IMUs für Verbraucher sind, obwohl sie klein und billig sind, wahre Wunder der Mikrotechnik.
Die übliche Gyro-Bias-Stabilität von IMUs für Verbraucher liegt zwischen 10 und 100 Grad pro Sekunde, und die Bias-Stabilität von Beschleunigungsmessern beträgt etwa 1 bis 10 Milligramm. Sie sind nicht dafür ausgelegt, über einen längeren Zeitraum eine gleichbleibende Position zu halten; daher beginnen sie sehr schnell zu driften, wenn sie ohne externe Referenzen wie GPS verwendet werden. Große Fehler können durch Temperaturschwankungen verursacht werden, da die meisten Sensoren nur innerhalb eines kleinen Temperaturbereichs, etwa zwischen 0 °C und 70 °C, gut funktionieren.
Diese Geräte eignen sich am besten für Anwendungen, die nur kurzfristige Bewegungsdaten benötigen, z. B. Game-Controller, Virtual-Reality-Tracking und bewegungsgesteuerte Benutzeroberflächen. Sie sind klein, haben einen geringen Stromverbrauch und sind bei hohen Stückzahlen billig in der Herstellung. Wenn es jedoch um Präzisionsnavigation oder Langzeitsysteme ohne GPS-Korrektur geht, sind diese IMUs für Verbraucher aufgrund ihrer Drift und Instabilität höchst ungeeignet.
IMU in Industriequalität
IMUs in Industriequalität liegen zwischen Verbrauchersensoren und taktischen Sensoren und bieten erhöhte Stabilität, verbesserte Kalibrierung und robustere Leistung für kommerzielle Systeme. Zu den Anwendungsbereichen gehören Robotik, Präzisionslandwirtschaft, Schiffsinstrumentierung und Fabrikautomation. Im Vergleich zu Consumer-IMUs werden industrielle Modelle einem viel umfangreicheren Kalibrierungsprogramm unterzogen, um Temperaturschwankungen, Vibrationen und Langzeitdrift zu berücksichtigen.
Die Stabilität der Kreiselbiegung von IMUs liegt in der Regel zwischen 1 und 10 Grad pro Stunde, die Stabilität der Beschleunigungsmesserbiegung zwischen 0,1 und 1 mg. Sie zeichnen sich durch eine geringe Rauschdichte aus und können daher unter allen dynamischen Bedingungen eine sehr gleichmäßige Datenausgabe liefern. Die industriellen IMUs können die Orientierungs- und Geschwindigkeitsinformationen über einen längeren Zeitraum hinweg genau speichern, wenn sie zusammen mit GPS oder anderen Hilfssensoren verwendet werden.
Industrietaugliche IMUs sind zuverlässig. Sie können in größeren Temperaturbereichen arbeiten, meist von -40°C bis +85°C, und bieten Stabilität im Langzeitbetrieb. Außerdem bieten sie einen besseren Schutz gegen elektromagnetische Störungen und mechanische Vibrationen. Sie können Hunderte oder sogar ein paar Tausend Dollar kosten, aber dieses Leistungsniveau im Vergleich zum Preis macht sie perfekt geeignet für die meisten professionellen Anwendungen.
Obwohl industrielle IMUs nicht so oft neu kalibriert werden müssen, werden Systeme, die ausschließlich auf Trägheitsmessungen angewiesen sind, wahrscheinlich häufiger neu kalibriert werden müssen. Eine Drift findet nicht statt; der Fehler baut sich jedoch langsam auf, was für Anwendungen wie UAV-Kartierung, autonome Bodenfahrzeugsteuerung und Kamerastabilisierungssysteme ausreichend ist.
IMU der taktischen Klasse
Taktische IMUs würden einen erheblichen Leistungssprung bedeuten und sind für missionskritische Anwendungen konzipiert, bei denen Genauigkeit und Zuverlässigkeit erforderlich sind. Diese werden in der Regel in Verteidigungssystemen, fortschrittlicher Robotik und autonomen Navigationsanwendungen ohne GPS eingesetzt.
In vielen taktischen IMUs sind höherwertige Sensortechnologien wie FOG oder RLG integriert. Diese unterscheiden sich von den niedrigeren Klassen, die sich vollständig auf MEMS-Technologie stützen. Faseroptische Gyroskope (FOG) oder Ringlasergyroskope (RLG) bieten ein extrem geringes Rauschen und eine hervorragende Stabilität, so dass die IMU Position und Lage über einen langen Zeitraum ohne externe Hilfe halten kann.
Die Stabilität der Kreiselverzerrung liegt zwischen 0,1 und 10 Grad pro Stunde, die Stabilität der Beschleunigungsmesserverzerrung zwischen 50 und 1000 Mikro-g. Die taktischen IMUs fallen unter diese Definition der Leistungsmerkmale. Diese Sensoren sind für einen extremen Temperaturbereich von -55°C bis +95°C, starke Vibrationen, Stöße und alle Umweltbelastungen ausgelegt.
Genauigkeit ist kein weicher Vorteil. Robuste Gehäuse, schwingungsisoliert und mit interner Wärmekompensation. Einige verfügen über eine integrierte Verarbeitungsfunktion, mit der sehr fortschrittliche Filter- und Koppelnavigationsalgorithmen an Bord ausgeführt werden können. Sie werden zum Herzstück von Verteidigungsfahrzeugen, UAVs, Lenkmunition und Geräten zur Erkundung von Minen ohne GPS, weil sie dort funktionieren, wo GPS nicht funktioniert.
Natürlich hat eine solche Leistung ihren Preis. Taktische IMUs kosten zwischen einigen Tausend und mehreren Zehntausend Dollar. Sie verbrauchen mehr Strom als industrielle Sensoren, sind aber bei anspruchsvollen Missionen zuverlässig genug, um die Investition zu rechtfertigen. Hier muss man sich auf die Genauigkeit verlassen können; hier liegt der Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg.
Navigation Grade IMU
Navigations-IMUs stehen an der Spitze dieser Hierarchie und sind die leistungsfähigsten. Diese Geräte werden für Luftfahrzeuge, Unterwasserschiffe und Raketen sowie für Raumfahrzeuge in Umgebungen ohne GPS eingesetzt. Sie erreichen Präzision und Stabilität durch Technologien wie Hemispherical Resonator Gyroscopes (HRG), Ring Laser Gyro und andere ultrastabile Plattformen, die die Drift praktisch ausschließen.
Gyro-Bias-Stabilität < 0,01°/h und Beschleunigungsmesser-Bias-Stabilität < 10 Mikro-g sind typische Werte. Sie laufen bei extremen Temperaturen und behalten ihre Genauigkeit über viele Stunden, ja sogar Tage, ohne Hilfe von außen. Mit einer derartigen Genauigkeit kann sich ein Flugzeug oder U-Boot tatsächlich selbst dann weiterbewegen, wenn keine GPS-Signale verwendet werden oder diese gestört sind.
IMUs für die Navigation sind so präzise geworden, dass die Zunahme ihrer Fehler auf ein Minimum reduziert werden konnte. Sie sind bei der Berechnung von Orientierung und Position so stabil, dass sie sogar als strategische Sensoren für Verteidigungs- und Raumfahrtsysteme bezeichnet werden. Allerdings gibt es dabei einen großen Kompromiss. Navigationsfähige IMUs sind groß und schwer und kosten extrem viel, über $50.000 pro Einheit.
Sie werden bei der Trägheitsnavigation von Flugzeugen, der Navigation von U-Booten, der Steuerung von Interkontinentalraketen und autonomen Erkundungsfahrzeugen mit langer Lebensdauer eingesetzt. Bei diesen Anwendungen kann jeder noch so kleine Messfehler große Auswirkungen haben; daher ist es gerechtfertigt, teure Systeme einzusetzen.
Vergleich der vier IMU-Stufen
Consumer-grade IMUs können als zugänglich und kompakt beschrieben werden, wobei es ihnen an Langzeitstabilität mangelt. Industrietaugliche Sensoren bieten zusätzliche Kalibrierung und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, was die meisten kommerziellen Automatisierungsanwendungen abdeckt. Taktische IMUs nähern sich der Präzisionsnavigation mit geringer Drift und Betrieb unter rauen Bedingungen an. IMUs der Navigationsklasse sind für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im strategischen Verteidigungsbereich konzipiert, wo alles andere als absolute Zuverlässigkeit inakzeptabel ist.
In einfachen Worten:
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IMUs der Verbraucherklasse grundlegende Bewegungserfassung für Geräte des täglichen Lebens bieten.
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Industrietaugliche IMUs ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Genauigkeit für Robotik und Automatisierung.
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IMUs für taktische Zwecke bieten eine hochpräzise Navigation in Umgebungen, in denen kein GPS verfügbar ist.
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Navigationstaugliche IMUs bieten nahezu perfekte Stabilität für Systeme in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Schifffahrt.
Diese vier Kategorien bilden zusammen eine Leistungsleiter, bei der jede Stufe nach oben eine strengere Bias-Kontrolle, geringeres Rauschen, verbesserte Temperaturstabilität und höhere Kosten mit sich bringt.
Auswahl der richtigen IMU
Die Auswahl der IMU sollte auf einer detaillierten Bewertung der Faktoren beruhen, wie lange das System bei fehlendem GPS genaue Daten liefern muss, welche Vibrationen und dynamischen Bewegungen zu erwarten sind und welche Umgebungsbedingungen - Temperatur und Feuchtigkeit - vorherrschen werden. Eine Kartierungsdrohne, die mit verfügbarem GPS betrieben wird, kann eine IMU für den industriellen Einsatz verwenden, während ein autonomes Unterwasserfahrzeug einen taktischen oder einen Navigationssensor benötigt. Ein Mobiltelefon oder ein VR-Headset eignet sich hervorragend für eine IMU der Verbraucherklasse, da es in der Regel nur eine kurzfristige Orientierungsverfolgung benötigt.
Weitere Integrationsfaktoren sind die Kommunikationsschnittstelle, das Kalibrierungsverfahren und die Anforderungen an die Datenfilterung. IMUs arbeiten in Hochleistungssystemen nicht allein; sie werden mit GNSS-Empfängern, Magnetometern oder Bildverarbeitungssystemen integriert, um eine Gesamtlösung für die Navigation zu schaffen. Die Qualität der IMU, für die Sie sich entscheiden, bestimmt, wie häufig das System externe Korrekturen benötigt, damit es genau funktioniert.
Die Zukunft der IMU-Technologie
Die IMU-Technologie entwickelt sich sehr schnell. Die feinen Unterschiede zwischen den einzelnen Klassen sind bereits verschwunden, da fortschrittliche MEMS-Konstruktionen Präzisionsniveaus erreichen, die früher taktischen Systemen vorbehalten waren. Verbesserungen bei der Herstellung von Wafern, der Vakuumverpackung und der digitalen Signalverarbeitung haben die Stabilität der Vorspannung und das Rauschverhalten erheblich verbessert. Auch die künstliche Intelligenz trägt ihren Teil dazu bei, indem selbstkalibrierende IMUs dynamisch von ihrer Umgebung lernen, um die Abweichung zu minimieren.
In Zukunft werden wahrscheinlich hybride Systeme zu sehen sein, die MEMS-Sensoren mit quantenbasierten Techniken zur Messung der Trägheit verbinden. Quanten-IMUs arbeiten nach den Grundsätzen der Atominterferometrie und sollen eine Genauigkeit von weniger als einem Grad pro Stunde erreichen - ohne bewegliche Teile, so dass die Obergrenze der Navigationsgenauigkeit vielleicht neu definiert werden muss.
Außerdem wird die komplette Navigation in einem Chip untergebracht. Diese werden IMU-, GNSS- und visuelle Odometrie-Fähigkeiten vereinen und sehr stabile Navigationsinformationen liefern, selbst wenn man sich in einer Stadt oder einem Gebäude befindet. Mit zunehmender technischer Entwicklung könnte sich das alte Vier-Stufen-System in einen Fluss von Fähigkeitsstufen anstelle von klaren Gruppen verwandeln.
Die Einstufung von IMUs erfolgt auf vier Ebenen: Verbraucher, Industrie, taktische Anwendungen und Navigation. Dabei geht es nicht um eine bloße Marktsegmentierung, sondern vielmehr um die Evolutionsstufen der Bewegungssensorik von einem winzigen Stück Silizium in Ihrem Mobiltelefon bis hin zu einem ausgeklügelten Steuerungsgerät an Bord eines Raumschiffs.
IMUs für Endverbraucher bringen Bewegungsbewusstsein in die Alltagselektronik; industrielle IMUs ermöglichen die Automatisierung und Robotik; taktische IMUs sorgen für Präzision in der Verteidigung und in autonomen Fahrzeugen; und Navigations-IMUs gewährleisten höchste Genauigkeit in der Luftfahrt und in der Schifffahrt. Innerhalb des breiteren Ökosystems der Navigationstechnologie hat jede Klasse ihren Platz.
Da die Sensoren immer besser werden und die Kosten sinken, wird die Kluft zwischen diesen beiden Klassen immer kleiner. Was früher nur im Verteidigungsbereich eingesetzt wurde, könnte bald auch in kommerziellen Drohnen oder sogar in der Unterhaltungselektronik zu finden sein. Die Kenntnis der vier IMU-Klassen gibt Ingenieuren und Entscheidungsträgern eine Grundlage, um die richtige Technologie für ihre Zwecke auszuwählen, indem sie Präzision, Stabilität und Kosten mit Vertrauen abwägen.
