Lieferanten: MEMS-Beschleunigungsmesser

Micro Magic

Industrielle und automotive Trägheitssensorsysteme für UAVs, Robotik und autonome Fahrzeuge

Tronics Microsystems

Hochpräzise digitale MEMS-Beschleunigungsmesser und Gyroskope für anspruchsvolle unbemannte Systeme, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden

AvioRace

Lieferant von elektronischen Komponenten, Batterien und Sensoren für OEM-UAVs/Drohnen

Silicon Sensing

MEMS-Inertialsensor-Lösungen, IMUs, Gyroskope und MEMS-Beschleunigungsmesser für unbemannte Fahrzeuge

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MEMS-Beschleunigungsmesser für Drohnen, UAVs, autonome und unbemannte Plattformen

Summer James

Aktualisiert:

Mikroelektromechanische (MEMS) Beschleunigungsmesser sind Präzisionssensoren, die lineare Beschleunigung und Vibrationen über eine oder mehrere Achsen messen. In unbemannten und autonomen Systemen spielen sie eine wichtige Rolle bei der Steuerung, Navigation und Kontrolle von Luft-, Boden- und Seeplattformen. MEMS-Beschleunigungsmesser vereinen Miniaturgröße, geringen Stromverbrauch und robuste Konstruktion und liefern zuverlässige Bewegungs- und Vibrationsdaten für industrielle und militärische Umgebungen.

MEMS-Beschleunigungsmesser von Tronics Microsystems

AXO®305 MEMS-Beschleunigungsmesser von Tronics Microsystems

Herkömmliche Beschleunigungsmesser sind größer, verwenden mechanische oder piezoelektrische Elemente und verbrauchen mehr Strom. MEMS-Beschleunigungsmesser sind mikrogefertigt, kleiner, kostengünstiger und eignen sich für kompakte unbemannte Systeme.

Funktionen von MEMS-Beschleunigungssensoren in UAVs und unbemannten Plattformen

In unbemannten und autonomen Systemen erfüllen MEMS-Beschleunigungssensoren mehrere wichtige Funktionen:

  • Lage- und Stabilitätskontrolle: Kontinuierliche Beschleunigungsdaten unterstützen die integrierten Flugsteuerungssysteme und Autopiloten und ermöglichen eine präzise Lagebestimmung, Roll- und Nicksteuerung sowie dynamische Stabilität.
  • Trägheitsnavigation: Wenn sie in eine IMU oder INS integriert sind, tragen Beschleunigungsmesser zur Koppelnavigation bei und ermöglichen eine genaue Positions- und Bewegungserfassung in Umgebungen ohne GPS-Empfang.
  • Vibrationsüberwachung: MEMS-Beschleunigungsmesser erkennen Vibrationen des Flugwerks und Unwuchten des Rotors, unterstützen die vorausschauende Wartung und reduzieren das Risiko mechanischer Ausfälle.
  • Nutzlaststabilisierung: Bei Überwachungs- oder Aufklärungs-UAVs sorgt die Rückmeldung des Beschleunigungsmessers dafür, dass die Bildgebungsnutzlasten waagerecht und stabil bleiben, wodurch die Genauigkeit der Sensoren verbessert wird.
  • Strukturelle Zustandsüberwachung: Verteidigungsorganisationen und Flugzeugbetreiber verwenden MEMS-Beschleunigungsmesser, um kontinuierlich Vibrationsdaten zu erfassen und die strukturelle Ermüdung von Flugzeugen und unbemannten Plattformen zu bewerten.
  • Sensorfusion: Durch die Kombination von Beschleunigungsmesserdaten mit Gyroskopen und Magnetometern können fortschrittliche Algorithmen die Situationserkennung und Flugpräzision verbessern.
  • Kollisionserkennung und -vermeidung: Beschleunigungsmesserdaten unterstützen bordeigene Sicherheitssysteme, indem sie plötzliche Bewegungsänderungen oder Stöße erkennen und es autonomen Plattformen ermöglichen, Ausweichmanöver durchzuführen oder Notabschaltungen einzuleiten.
  • Gelände- und Oberflächenprofilierung: In bodengestützten und maritimen unbemannten Systemen tragen MEMS-Beschleunigungsmesser dazu bei, die Oberflächenbedingungen zu charakterisieren, indem sie Vibrationssignaturen überwachen, die Traktionskontrolle verbessern und die Wegplanung unterstützen.
  • Start- und Landungsüberwachung: Bei Luft- und Unterwasserfahrzeugen zeichnen Beschleunigungsmesser Stöße und Beschleunigungsereignisse während des Starts, der Landung oder des Einsatzes auf und stellen so sicher, dass missionskritische Komponenten innerhalb sicherer Betriebsgrenzen bleiben.
  • Systemkalibrierung und -diagnose: Integrierte Beschleunigungsmesser unterstützen die automatische Sensorkalibrierung und Systemzustandsdiagnose und gewährleisten so eine gleichbleibende Leistung während längerer Missionen.
  • Präzisionsvermessung und Kartierung: Bei der Luftbildkartierung oder vermessungsfähigen UAVs verbessern Beschleunigungsmesser in Kombination mit GNSS– und Gyroskopdaten die Positionsgenauigkeit und Bildausrichtung.

Arten von MEMS-Beschleunigungsmessern für Verteidigungsanwendungen

MEMS-Gyroskop und Beschleunigungsmesser von AMCORIS

Kombinierter Sensor XC1011SD von AMCORIS

MEMS-Beschleunigungsmesser sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, die für spezifische Betriebsanforderungen geeignet sind:

  • Einachsige MEMS-Beschleunigungsmesser: Messen die Beschleunigung entlang einer Achse. Werden häufig in Stabilisierungssystemen oder zur gezielten Schwingungsanalyse eingesetzt.
  • Zweiachsige MEMS-Beschleunigungsmesser: Bieten zweiachsige Messungen für komplexere Orientierungs- und Bewegungsüberwachungsaufgaben.
  • Dreiachsige MEMS-Beschleunigungsmesser: Erfassen die Beschleunigung in drei orthogonalen Richtungen und liefern vollständige Bewegungsdaten für Navigations- und Steuerungsanwendungen.
  • Analoge MEMS-Beschleunigungsmesser: Bieten eine kontinuierliche Spannungsausgabe für Systeme, die eine schnelle Signalverarbeitung und eine Rückmeldung mit geringer Latenz erfordern.
  • Digitale MEMS-Beschleunigungsmesser: Geben Beschleunigungsdaten in digitaler Form aus, sodass sie direkt in Mikrocontroller, IMUs und Flugsteuerungseinheiten integriert werden können.
  • Miniatur- und Kompakt-MEMS-Beschleunigungsmesser: Entwickelt für UAVs mit SWaP-Einschränkungen und kleine unbemannte Systeme, bei denen Platz und Leistung begrenzt sind.
  • Taktische MEMS-Beschleunigungsmesser: Entspricht Verteidigungsstandards wie MIL-STD-810 für Stoß-, Vibrations- und Temperaturbeständigkeit und bietet eine höhere Genauigkeit und langfristige Bias-Stabilität.

Anwendungen in militärischen und Verteidigungsplattformen

MEMS-Beschleunigungsmesser sind ein wesentlicher Bestandteil verschiedener Klassen von unbemannten Systemen und Verteidigungsoperationen:

  • Inspektions- und Vermessungsdrohnen: Unterstützen einen stabilen Flug und eine präzise Bewegungsverfolgung für die Inspektion von Stromleitungen, Pipelines und Infrastrukturen und verbessern so die Datengenauigkeit und Wiederholbarkeit.
  • Landwirtschaftliche UAVs: Sie sorgen für eine reibungslose Flugsteuerung und Geländefolgefähigkeit bei der Überwachung von Nutzpflanzen und präzisen Sprüheinsätzen.
  • Logistik- und Frachtdrohnen: Gewährleisten einen stabilen Flug und eine ausgewogene Lastverteilung, um eine konstante Leistung bei automatisierten Lieferungen und Schwerlasttransporten zu gewährleisten.
  • Autonome Seeschiffe: Verbessern Sie die Navigation und die Stabilität des Rumpfes bei dynamischen Seegangsbedingungen, um eine konstante Kurshaltung und den Betrieb der Sensor-Nutzlast zu ermöglichen.
  • Unterwasser-Vermessungsplattformen: Unterstützen Sie die Bewegungskompensation für Sonar-, Laser- und Bildgebungssysteme, die bei der Offshore-Kartierung und Umweltüberwachung eingesetzt werden.
  • Industrierobotik und mobile Plattformen: Bereitstellung von Bewegungs- und Vibrationsdaten für die autonome Navigation, Gerätepositionierung und Prozessüberwachung in Fabrik- und Lagerumgebungen.
  • Taktische UAVs und Drohnen: Werden für Flugstabilisierung, Missionsnavigation und Regelkreisrückmeldung bei Aufklärungs- und Überwachungsmissionen eingesetzt.
  • Unbemannte Bodenfahrzeuge (UGVs): Liefern Bewegungs- und Orientierungsdaten für die autonome Navigation, Hinderniserkennung und Geländekartierung.
  • Unbemannte Oberflächenfahrzeuge und Unterwasserfahrzeuge (USVs und UUVs): Liefern zuverlässige Bewegungssensoren unter Meeresbedingungen und unterstützen präzises Manövrieren und die Stabilisierung der Nutzlast.
  • Luft- und Raumfahrt sowie Luftrobotik: Ermöglichen Trägheitsnavigation und Flugsicherheit in Umgebungen mit starken Vibrationen und unterstützen sowohl bemannte als auch unbemannte Flugsysteme.

Funktionsweise von MEMS-Beschleunigungssensoren

MEMS-Beschleunigungsmesser verwenden winzige mechanische Strukturen, die sich bei Bewegung verformen. Änderungen der Kapazität oder der piezoresistiven Reaktion werden in digitale Signale umgewandelt, die die Beschleunigung darstellen. Ihre kompakte Architektur ermöglicht die Integration mit anderen MEMS-Trägheitssensoren wie Gyroskopen und Magnetometern, wodurch vollständige Trägheitsmesseinheiten (IMUs) oder Trägheitsnavigationssysteme (INS) entstehen. Diese Systeme unterstützen den autonomen Betrieb, wenn GPS-Signale schwach sind oder ausfallen, was in Verteidigungsanwendungen häufig vorkommt.

Integration in Trägheitsnavigations- und Flugsteuerungssysteme

In fortschrittlichen unbemannten Plattformen sind MEMS-Beschleunigungsmesser Teil integrierter Trägheitsnavigationssysteme, die Beschleunigungsmesser- und Gyroskopeingaben kombinieren, um Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung zu berechnen. In Verbindung mit GNSS-Daten liefern diese Systeme auch bei vorübergehendem Signalverlust eine stabile, kontinuierliche Navigationsleistung. MEMS-Beschleunigungsmesser liefern außerdem wichtige Echtzeit-Bewegungsrückmeldungen an Flugsteuerungs- und Autopilotsysteme und ermöglichen so adaptive Kurskorrekturen, präzise Manöver und autonome Missionsstabilität bei Luft-, Boden- und Wasserfahrzeugen.

Konstruktionsaspekte und Normen

Für unbemannte und autonome Plattformen müssen MEMS-Beschleunigungsmesser anspruchsvolle Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Umweltstandards erfüllen. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören Vibrationsfestigkeit, Temperaturstabilität und langfristige Wiederholbarkeit der Abweichung, um eine konsistente Genauigkeit über alle Missionsprofile hinweg zu gewährleisten.

Je nach Anwendungsbereich können Geräte nach folgenden Normen getestet werden:

  • MIL-STD-810: Umweltqualifikation für Vibrationen, Stöße und extreme Temperaturen in Verteidigungs- und Luftfahrtsystemen.
  • DO-160: Umweltprüfung für Luftfahrtgeräte, die in der zivilen und kommerziellen Luftfahrt eingesetzt werden.
  • IEC 60068: Allgemeine Umweltprüfungsnorm für industrielle und kommerzielle Elektronik.

Bei der Auswahl von MEMS-Beschleunigungsmessern für UAVs oder andere unbemannte Plattformen bewerten Ingenieure die geringe Rauschdichte, den hohen Dynamikbereich und die Ausrichtungsgenauigkeit über alle Achsen hinweg. Die SWaP-Optimierung bleibt ein entscheidender Faktor, da die Energieeffizienz und die kompakte Bauform einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer der Plattform und die Nutzlastkapazität haben.

Moderne unbemannte Systeme integrieren zunehmend MEMS-Beschleunigungsmesser in komplette Trägheitsmesseinheiten (IMUs) und Navigationsmodule, wobei mehrere Sensoren kombiniert werden, um die Bewegungserfassung und Stabilität zu verbessern. Fortschritte bei Sensorfusionsalgorithmen, digitaler Filterung und Kalibrierungstechniken verbessern die Positionsgenauigkeit und Reaktionsfähigkeit von Luft-, Boden- und Marineplattformen.

Laufende Entwicklungen bei Materialien und Mikrofabrikation verbessern weiterhin die Bias-Stabilität, das Rauschverhalten und die Temperaturbeständigkeit, sodass MEMS-Beschleunigungsmesser eine Leistung erbringen können, die früher größeren, teureren Trägheitssensoren vorbehalten war.

Diese Geräte werden auch für vibrationsbasierte Diagnosen, adaptive Flugsteuerung, Zustandsüberwachung und Präzisionsvermessung eingesetzt. Mit fortschreitender Miniaturisierung und Integration bleiben MEMS-Beschleunigungsmesser für die Entwicklung kompakter, zuverlässiger und intelligenter unbemannter und autonomer Systeme in Industrie, Handel und Verteidigung unverzichtbar.

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