Inertialsensorik

Gyrokompass: Einsatz eines Präzisions-MEMS-Gyroskops zur Bestimmung der Himmelsrichtung#

Abb. 1: Transportables Gerät zur Nord-Bestimmung (Gyrokompass)
Abb. 2: Sensor-Einheit des Gyrokompasses
Abb. 3: Im Gyrokompass verbautes MEMS-Gyroskop

Die Bestimmung der Himmelsrichtung mithilfe von Gyroskopen ist heutzutage üblich, da diese im Vergleich zum magnetischen Kompass nicht von lokalen Störungen des Erdmagnetfelds beeinflusst werden. Außerdem sind sie unabhängig von Funkverbindungen zu Satelliten. Die benötigte Auflösung und Stabilität findet man derzeit nur in optischen oder halbkugelförmigen Resonator-Gyroskopen. Die Weiterentwicklung der deutlich günstigeren und kleineren MEMS-Gyroskope macht es nun möglich, diese auch in entsprechenden Anwendungen zu verwenden. Um die Vorteile zu zeigen, wurde am Fraunhofer ENAS ein kompaktes, transportables Gerät zur Nord-Bestimmung entwickelt. Die Grundlage ist der ebenfalls vom Fraunhofer ENAS in Zusammenarbeit mit externen Partnern entwickelte Drehratensensor mit integrierter Signalwandlung. Aufgrund der im KoliBriS-Projekt weiterentwickelten und hier verwendeten Vollsilizium-BDRIE-Technologie und dem aufeinander abgestimmten MEMS- und ASIC-Designs, erreicht dieser eine hohe Auflösung und Empfindlichkeit bei gleichzeitig kleiner Signaldrift. Die erreichte Genauigkeit des Kompass-Systems ist ungefähr 1° innerhalb von 10 Minuten bei 50.8° nördlicher Breite (Chemnitz, Deutschland). Der implementierte Maytagging-Algorithmus ermöglicht die Verwendung von günstigen Standartbauteilen wie einen Schrittmotor und STM-Mikrokontrollern. Die Steuerung der Messroutine sowie das Sammeln und Auswerten von Daten findet komplett im Gerät statt und benötigt keinen zusätzlichen Computer. Der Energieverbrauch liegt unter 4 W. Nach der Messung zeigt der Gyrokompass in Richtung Norden und kann daher zum Beispiel zur einfachen Ausrichtung von Maschinen in Gebäuden verwendet werden.