Zuverlässige Neigungswerte auch während der Fahrt IMU F99 – Integriertes Gyroskop kompensiert Beschleunigung

Im Stand können Neigungssensoren hochpräzise Werte ausgeben, doch sobald Bewegung ins Spiel kommt, wird es schwierig. Wie auch bei handelsüblichen Wasserwaagen wird die Anzeige durch Beschleunigung beeinflusst. Beim Einsatz mobiler Maschinen ist der Neigungswinkel aber gerade in der Bewegung oft eine entscheidende Grösse.

Der Neigungswinkel wird von einem herkömmlichen statischen Neigungssensor im Verhältnis zur Ausrichtung am Erdmittelpunkt erfasst. In der Regel geschieht das mithilfe eines kapazitiven Micro-Electro-Mechanical-Systems, kurz MEMS-Sensor. Er enthält flexibel aufgehängte Kondensatorplatten, die durch eine Abweichung aus der Waagerechten gegeneinander verschoben werden. Dabei verändert sich auch die Kapazität, deren Wert sich sehr präzise bestimmen lässt. Solange das Objekt, an dem der Sensor montiert ist, sich nur in der Neigung verändert, gewährleistet diese Methode eine hochgenaue Winkelmessung.

Neigungswert und Maschinenbewegung

Doch ähnlich wie die Luftblase in einer Wasserwaage werden die Kondensatorplatten nicht nur durch die Neigung, sondern auch durch zusätzliche/externe Beschleunigung verschoben. Diese zusätzliche Krafteinwirkung verändert damit den dargestellten Neigungswert. Ein üblicher statischer Neigungssensor zeigt dasselbe Verhalten. Gas geben, Abbremsen, das Durchfahren von Schlaglöchern, Fliehkräfte bei Richtungsänderung und Kurvenfahrt sowie kräftige Vibration verzerren den Messwert. Während der Fahrt einer Maschine oder in der Bewegung des Baggerarms wird der Winkel daher nicht mehr korrekt ausgegeben. Diese Grösse kann jedoch gerade dann besonders wichtig sein, zum Beispiel, wenn Baumaschinen oder landwirtschaftliche Fahrzeuge in variabler Hanglage arbeiten müssen. Im Hinblick auf die Arbeitsabläufe ist zudem oft der Neigungswinkel von beweglichen Ladeflächen, Auslegern oder Anbaugeräten relevant.

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Ein Beispiel für die Bedeutung des Winkelwerts liefert die Arbeit der Planierraupe. Eine ihrer typischen Aufgaben ist der Ausgleich von kleineren Höhenunterschieden in einem Abschnitt der Baustelle durch schräges Planieren des Erdreichs. Um etwa ein gleichmässiges Gefälle von 5 Grad herzustellen, nutzt der Maschinenführer normalerweise sein gutes Auge und seine Erfahrung. Nach dem Durchgang wird dann nachgemessen. Anschliessende Korrekturen erfordern weitere Durchgänge, bis das gewünschte Gefälle hergestellt ist. Eine dynamische Neigungsmessung am Raupenschild kann die Sache beträchtlich vereinfachen, indem das Schild zuverlässig und automatisch die vorgegebenen 5 Grad einhält. Sogar unabhängig von der Raumlage des restlichen Gesamtfahrzeugs. Dies beschleunigt die Planiereinstellung und ermöglicht reproduzierbare Ergebnisse.

Messung stabilisieren

Eine dynamische Neigungsmessung muss also die Kräfte der externen Beschleunigung einbeziehen. Genau das tun die Sensoren der neuen Baureihe IMU F99 von Pepperl+Fuchs. Sie geben auch in dynamischen Anwendungen einen verlässlichen Neigungswert aus. Das Inertialmesssystem (Inertial Measuring Unit, IMU) kombiniert den MEMS-Neigungssensor mit einem Drehratensensor (Gyroskop). Seine Messung beruht ebenfalls auf der Kapazitätsänderung zwischen beweglichen Kondensatorplatten. Er gibt den Messwert der dynamischen Lageänderung in Grad pro Sekunde aus. Zusammen liefern die integrierten Sensorelemente durchgängig die Daten für die x-, y- und z-Achse.

Die Gerätesoftware rechnet den Einfluss der Maschinenbeschleunigung auf den Neigungswinkel heraus. Pepperl+Fuchs hat den Algorithmus für diese Kompensation speziell für diese Baureihe entwickelt. Er ermöglicht dem Sensor, während der Fahrt oder der Maschinenbewegung präzise Neigungswerte zu erfassen. Ob die Maschine dabei gleichmässig bewegt, Erschütterungen ausgesetzt, beschleunigt oder gebremst wird, spielt dabei keine Rolle. Die gefilterten Messwerte stehen für die Überwachung der Maschinenneigung ebenso wie für die Ausrichtung von beweglichen Maschinenteilen in Echtzeit zur Verfügung. Die schnelle und exakte Steuerung, die damit möglich wird, kann die Effizienz des Maschineneinsatzes erheblich steigern.

Zudem ergeben sich neue Optionen für viele Arbeitsabläufe: Die Messwerte können direkt in die Implementierung von Fahrerassistenzsystemen einfliessen. So lässt sich zum Beispiel der Lenkwinkeleinschlag je nach Neigungswinkel automatisch begrenzen, um ein Umfallen der Maschine auf unebenem Terrain zu verhindern. Wird der Sensor direkt an einem Kranhaken montiert, kann sein Einsatz das unkontrollierte Aufschwingen des Hakens rechtzeitig stoppen, ohne dass der Kranführer eingreifen muss. Aufgrund der Messwerte kann die Kransteuerung automatisch gegenregeln.

Schieberegler für einfache Anpassung

Der optimale Grad der Kompensation von externen Beschleunigungen lässt sich am IMU F99 mit einem praktischen «Schieberegler» einstellen – ein Alleinstellungsmerkmal des Geräts von Pepperl+Fuchs. Das geschieht auf einer Skala von 0 bis 7 via CAN-Bus. Der niedrigste Einstellungswert 0 ist besonders wirksam bei kurzen und starken Schocks, wie sie etwa bei schneller Fahrt über ein Schlagloch entstehen. Am oberen Ende der Skala bei 7 wird eine lineare Beschleunigungsfahrt besonders präzise ausgeglichen. Mit einem Testlauf in der realen Anwendung lässt sich die passende Einstellung leicht finden.

Die Genauigkeit der Geräte erreicht bis zu 0,5 Grad bei einer Winkelauflösung von 0,01 Grad. Man kann die Ausgabedaten an die Anwendung und ihre besonderen Umstände anpassen. Die Steuerung kann sowohl die Rohdaten aus den verschiedenen Sensorelementen (Beschleunigung, Drehrate und Rotationsbeschleunigung) als auch die bereits kompensierten Winkelwerte (lineare Beschleunigung, Gravitationsvektor, Euler-Winkel und Quaternionen) nutzen.

Das Inertialmesssystem IMU F99 erledigt diese Aufgabe allein und ermöglicht Einsparungen bei der Beschaffung und bei der Integration weiterer Sensorik. Dazu trägt auch die einfache Installation an einem robusten Metallhaltewinkel bei.

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