Ein Gyroskop für jeden Roboter - Macnica · 2020. 6. 10. · Fachartikel Titel: Industrial Motion...

FachartikelTitel: Industrial Motion TrackingAutor: Dipl.Ing. Stefan TauschekDatum: 30.8.2012

Ein Gyroskop für jeden RoboterMit dem MPU-3300 bietet Invensense ein

3-Achsen Gyroskop für den rauen Industrieeinsatz

Durch die Miniaturisierung unhandlicher Sensoren wie Gyroskope

und Accelerometer mit den Mitteln der Mikrosystemtechnik ist eine

völlig neue Klasse von Anwendungen entstanden, angefangen von

der Koppelnavigation für Navis in GPS-freien Bereichen bis hin zur

Elektronik gegen „Verwackler“ bei digitalen Fotoapparaten und Cam-

cordern.

Inzwischen dringen die neuen Bauelemente auch in den Bereich ro-

buster Industrieanwendungen vor und erlauben kostengünstig und

platzsparend die präzise Erfassung und Auswertung jeglicher Be-

wegung im Raum, beispielsweise zur Verbesserung der Ziel-

genauigkeit von Roboterarmen oder gar zur autonomen Stabili-

sierung unbemannter Flugobjekte.

Tags: invensense, mpu-3300, gyroskop, gyroscope, accelerometer, beschleunigungssensor,mems, micro electro mechanical system, nasiri fabrication platform, inertial sensor, vibratoryrate gyro, degree of freedom, roll, pitch, yaw, robotics, navigation,

IndustrialMotionTracking_30072012_macnica.odt, Autor: Dipl.Ing. Stefan Tauschek Seite 1 von 8


InhaltsverzeichnisDer Kreisel im Käfig.......................................................................................................................3

Integration in MEMS......................................................................................................................3

Der MPU-3300..............................................................................................................................5

Anwendungen...............................................................................................................................6

Über Invensense ..........................................................................................................................7

Über Scantec................................................................................................................................7

Über den Autor ............................................................................................................................8

AbbildungsverzeichnisKardanisch aufgehängter Kreisel – er behält seine Raumlage bei, auch wenn das äußere Bezugssystem

verändert wird..............................................................................................................................3

Schwingende Strukturen ermöglichen eine Realisierung mit Mitteln der Mikrosystemtechnik....................3

Schnitt durch ein Invensense-Gyroskop mit schematischer Darstellung der Schwingstrukturen................4

Bei den Invensense-Gyroskopen wird die MEMS-Struktur „kopfüber“ auf den in CMOS realisierten

Metrologie-Chip befestigt und gleichzeitig elektrisch verbunden...........................................................4

Das 3-Achsen-Gyroskop MPU-3300 für industrielle Anwendungen........................................................5

Blockdiagramm des MPU-3300. Die Drehratensignale der 3 Gyroskope werden mit 16 bit ADCs

digitalisiert...................................................................................................................................5

Anwendungsgebiete des industrietauglichen 3-Achsen-Gyroskops MPU-3300 von Invensense..................6



Der Kreisel im Käfigin Gyroskop oder Kreiselinstrument ist

ein kardanisch aufgehängter, rasch

rotierender, symmetrischer Kreisel. Auf-

grund der Drehimpulserhaltung verharrt

der drehende Kreisel in seiner Raumorientierung,

auch wenn die Lage der äußeren Aufhängung

verändert wird. Aufgrund dieser Eigenschaften

werden Gyroskope zur aktiven Lageregelung

insbesondere für Flugkörper eingesetzt und finden

sich daher auch in jedem Flugzeug-Cockpit als sog.

künstlicher Horizont [REF001]. Dieser zeigt dem

Piloten eine horizontale Linie, die aufgrund der

beschriebenen Achsenstabilität auch bei Ände-

rungen der Raumlage des Flugzeuges in ihrer

ursprünglichen Position verharrt. Damit kann der

Flugzeugführer auch dann bestimmen, wie seine

Maschine in der Luft liegt, wenn die menschlichen

Sinnesorgane etwa durch Dunkelheit oder

einwirkende Fliehkräfte getäuscht werden.

E

Gyroskope können also dazu dienen, eine Drehbe-

wegung bzw. –beschleunigung des äußeren

Bezugssystems in Relation zur rotierenden Masse

zu erkennen und zu messen und zwar

weitestgehend unabhängig von der Schwerkraft.

Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber linearen

Beschleunigungssensoren dar, deren Ergebnisse –

je nach Lage und Bewegung – vom Einfluss der

Schwerkraft freigerechnet werden müssen.

Integration in MEMSBei der Integration von Gyroskopen mit den Mitteln

der Mikrosystemtechnik stößt man rasch auf die

Problematik, dass sich vollständig frei drehende

Objekte nur sehr schwer herstellen lassen.

Es gibt jedoch einen Ausweg, denn das physi-

kalische Prinzip des Gyroskops – basierend auf der

sog. Corioliskraft – lässt sich auch mit schwingen-

den mechanischen Elementen umsetzen. Diese

vibratory rate gyroscopes [REF002] messen über

kapazitive Wandler den Wechsel des Schwingungs-

modus der vibrierenden Elemente und damit die

verursachende Drehbewegung. Tatsächlich nutzen

alle heute mit den Mitteln von MEMS hergestellten


Bild 1: Kardanisch aufgehängter Kreisel – er

behält seine Raumlage bei, auch wenn das äußere

Bezugssystem verändert wird.

Bild 2: Schwingende Strukturen ermöglichen eine

Realisierung mit Mitteln der Mikrosystemtechnik


Gyroskope, egal of tuning fork oder ring gyro,

dieses Prinzip. Bild 1 zeigt das Implementierungs-

prinzip der Invensense-Gyroskope:

Mehrere Lamellen, nur verbunden durch dünne

Stege an ihren Längsseiten, werden über elektro-

statische Anregung zu ihrer mechanischen Reso-

nanz in Vibration versetzt. Bei einer Drehung um

die Querachse wird dieses Konstrukt aufgrund der

entstehenden Corioliskraft ein wenig ausgelenkt

und verändert damit die Kapazität eines verbunden

Plattenkondensators, die sich in der

anschließenden Metrologie auswerten lässt.

2 solcher um 90° gedrehten Konstrukte erfassen

Drehungen in X- und Y-Richtung, für die Z-Achse

(Hochachse) wird eine geänderte MEMS-Struktur

verwendet, bei der die Lamellen auf einer anderen

Raumrichtung schwingen.

Ein MEMS-Sensor besteht daher aus der eigent-

lichen Mikrostruktur sowie der notwendigen An-

steuerung und Messwerterfassung, die mit einem

„klassischen“ CMOS-Prozess hergestellt wird. Darin

sind Verstärker, Filter, Treiber, Temperatur-

kompensation sowie FLASH-

Speicher zur Ablage von Kalibrier- und Ska-

lierungsparameter realisiert. Der CMOS-Die dient

zudem als Grundplatte für den Sensor und verfügt

daher über die notwendigen Pads zur elektrischen

Verbindung des Sensors auf der Leiterplatte.

Dabei zeichnen sich die Invensense-Sensoren

durch eine fertigungstechnische Besonderheit aus,

die nach Steven Nasiri, dem Gründer von

Invensense, als sog. „Nasiri-Herstellplattform“

benannt ist. Die MEMS-Struktur wird hierbei

„kopfüber“ mit einer eutektischen

Metallsiegelmasse auf dem CMOS-Die befestigt,

erhält darüber ihre elektrische Kontaktierung und

gleichzeitig die hermetische Versiegelung des

entstehenden Hohlraums (Siehe Bild4).

Die MPU Produktfamilie stützt sich auf bewährte 8”

Wafer-Fabrikationslinien von Herstellern mit

Weltruf sowie auf eigene, serientaugliche Test- und

Kalibriereinrichtungen in Taiwan, um die hohen

Anforderungen an Stückzahlen und Qualität zu

erfüllen.


Bild 3: Schnitt durch ein Invensense-Gyroskop

mit schematischer Darstellung der

Schwingstrukturen.

Bild 4: Bei den Invensense-Gyroskopen wird die

MEMS-Struktur „kopfüber“ auf den in CMOS reali-

sierten Metrologie-Chip befestigt und gleich-

zeitig elektrisch verbunden.


Der MPU-3300

Der Invensense-Sensor MPU-3300 (MPU = Motion

Processing Unit) ist ein werksseitig kalibriertes,

monolithisches 3-Achsengyroskop in einem

4x4x0.9 mm klei-

nen Gehäuse, da-

durch sehr ein-

fach bei der Plat-

zierung, Ausrich-

tung und Kali-

brierung sowie

Integration in Ge-

räte mit ge-

ringem Platzan-

gebot. Mit 2 pro-

grammierbaren

Messbereichen

von 225 und

450 dps (degrees

per second), sehr

geringer Drift, ei-

nem Temperaturbereich von -40°C bis +105°C und

einer Schockfestigkeit von 10.000 g ist es

besonders für raue Industrieumgebungen ge-

eignet.

Die Genauigkeit der MPU-3300-Empfindlichkeit

über den gesamten Temperaturbereich beträgt

±2% und die Genauigkeit des Zero-Rate-Outputs

über die Temperatur beträgt ±0.14 dps/°C

(Winkelgrad je Sekunde und Grad Celsius). Mit

lediglich 0.005 dps/√Hz bietet der MPU-3300 ein

industrieweit führendes Rauschverhalten und ist

damit deutlich besser als Industriegyroskope des

Wettbewerbs mit Werten im Bereich von 0.01 bis

0.03 dps/√Hz.

Darüber hinaus integriert der MPU-3300 hoch

auflösende 16-Bit Analog-Digital-Converter

(ADCs), programmierbare digitale Filter, SPI- und

I2C-Schnittstellen und weist einen Stromverbrauch

von lediglich 3.6

mA auf.

SPI- und I2C-

Schnittstellen

teilen sich die

gleichen Pins,

sodass wahl-

weise die eine

oder andere I/O-

Technologie

verwendet wer-

den kann, bei

I2C mit einer Ge-

schwindigkeit

von immerhin

400 kHz, bei SPI

bis zu 20 MHz für das Auslesen der Sensorwerte.

Das integrierte 1024 Byte-FiFo erlaubt diesen

schnellen Datentransfer mit Burst-Zyklen und hilft

so auch bei der Reduzierung der Stromaufnahme.


Bild 5: Das 3-Achsen-Gyroskop MPU-3300 für

industrielle Anwendungen.

Bild 6: Blockdiagramm des MPU-3300. Die Drehratensignale der 3

Gyroskope werden mit 16 bit ADCs digitalisiert.


AnwendungenMit einer Bias-Stabilität von 15 Winkelgrad/Stunde

auf jeder der 3 Achsen eignet sich der MPU-3300

hervorragend für eine ganze Reihe von indus-

triellen Anwendungen wie etwa Attitude Heading

Reference Systems (AHRS, Lage- und Richtungs-

erfassung), für die eine

extrem stabile

Performance der

Sensoren zum präzisen

Tracking der Bewegungen

notwendig ist. AHRS-

Geräte werden in

Flugzeugen, Robotern und

anderen Systemen einge-

baut, bei denen die räum-

liche Orientierung gemes-

sen werden muss. Die

hohe Stabilität vereinfacht

dabei die

Nullpunktkalibrierung

ganz erheblich.

Navigationssysteme in In-

dustriefahrzeugen, Flug-

zeugen und Schiffen können ebenfalls von der

hoch genauen Gyroskoptechnologie profitieren und

Hersteller von Industrieequipment wie z.B. mobilen

Lagerüberwachungsgeräten haben Vorteile dank

der niedrigen Leistungsaufnahme des MPU-3300

von weniger als 10 mW.

Weitere Anwendungen, die vom neuen MPU-3300

profitieren können: An-

tennenstabilisierung,

Logistiksysteme, Über-

wachungsinstrumente,

Produktionsequipment,

industrielle Elektro-

werkzeuge, unbemannte

Drohnen (UVAs -

Unmanned Aerial

Vehicles), Landwirt-

schaftsmaschinen, Len-

kungs- und Steuerungs-

produkte sowie Bau-

maschinen.

Und Präzisionsroboter

erhalten mit Gyroskopen

einen unabhängigen

Feedback-Kanal, der ihnen die tatsächliche

Bewegung und Raumlage ihrer Werkzeugarme

präzise zurückmeldet.

st


Bild 7: Anwendungsgebiete des industrietauglichen

3-Achsen-Gyroskops MPU-3300 von Invensense.


LiteraturverzeichnisREF001: Wikipedia, Künstlicher Horizont, http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%BCnstlicher_Horizont, ()

REF002: Michael S. Kranz, Gay K. Fedder, Michromechanical Vibratory Rate Gyroscopes Fabricated in

conventional CMOS, http://www.ece.cmu.edu/~mems/pubs/pdfs/dgon/sgt/0059_kranz-1997.pdf, (1997)



Über Invensense InvenSense ist der führende Anbieter von MotionTracking™-Bausteinen für den Markt der Unterhaltungs

und Industrieelektronik. Die patentierte Bewegungssensortechnologie (MotionFusion™) des Unternehmens

und sein innovatives Nasiri-Fertigungsverfahren adressiert viele neuartige Anwendungen im Massenmarkt

wie elektronische Spiele, Bildstabilisierung, Fernsteuerungen und Mobilgeräte, die verbesserte Performance

und einen größeren Funktionsumfang benötigen und durch eine neue, mehr intuitive Mensch-Maschine-

Schnittstelle durch Bewegung oder Gesten bedient werden können.

Die Unternehmenszentrale von Invensense befindet sich in Sunnyvale, Kalifornien (USA), Niederlassungen

gibt es in China, Taiwan, Korea, Japan und Dubai.

Weitere Informationen auf http://www.invensense.com.

Über MacnicaMacnica wurde 1972 als Unternehmen für die Distribution von Halbleitern mit Hauptsitz in Yokohama, Japan

gegründet und verfügt über 30 Vertriebsniederlassungen in Asien, Europa und den USA. Mehr als 1.900

Mitarbeiter sind weltweit beschäftigt und das konsolidierte Jahreseinkommen betrug im Fiskaljahr 2010 ca.

$2 Milliarden.

Macnica ist bekannt für sein exzellentes Engineering Team mit mehr als 500 Applikationsingenieuren, IC

Designern und Software Entwicklern und deren zielgerichtetem Fokus unseren Kunden über-

durchschnittliche technische Unterstützung zu bieten.

Macnica erweitert kontinuierlich und mit Hilfe strategischer und erfolgreicher Partner die globale

Marktpräsenz. Macnica's europäischer Hauptsitz wurde ursprünglich 2006 in UK gegründet und im März

2009 nach Deutschland verlegt, um die Wirksamkeit des Service für die europäischen Kunden zu erhöhen.

Macnica bietet seinen Kunden durchgehende Unterstützung, beginnend beim Design-in bis hin zur

Produktion über ihr globales Service-Netzwerk, unabhängig des endgültigen Bestimmungsorts der

Produktlieferung oder der Fertigungsstätte des Kunden.

Weitere Informationen unter http://www.macnica.eu.


http://www.macnica.eu/

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