Smarte Neigungssensoren für mobile Maschinen

IMU-Funktionalität und Sensordatenfusion bei den SMX.igs-e Neigungssensoren

Die Automatisierungs- und Digitalisierungsexperten von Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) machen ihre SMX.igs-e Neigungssensoren noch smarter. Sie verfügen nun über eine Inertial Measurement Unit-(IMU)-Funktionalität und ermöglichen künftig die Sensordatenfusion mittels Kalman-Filter.

Sensoren sind längst keine reinen Datenerfassungsgeräte mehr. Eine Vorverarbeitung der erfassten Messgrößen wird immer gängiger, um die Datenflüsse auf der Maschine gering zu halten und die Zentralsteuerung zu entlasten. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, hat STW den Funktionsumfang seiner Neigungs- und Gyrosensorfamilie SMX.igs-e erweitert. Typische Anwendungsfälle der SMX.igs-Serie sind etwa die Positionsbestimmung eines Baggerlöffels, die Nivellierung von Arbeitsmaschinen und Anbaugeräten oder die Gewährleistung der Stabilität von Fahrzeugen mit Auslegern.

Unseren Kunden steht künftig die Funktionalität einer Inertial Measurement Unit (IMU) zur Verfügung. Dabei werden die auftretenden Beschleunigungen und Drehraten in allen drei Raumachsen gemessen und ausgegeben. Auf Basis dieser Messwerte erfolgt die Berechnung und Ausgabe ein- bzw. zweidimensionaler Neigungswerte im Bereich 360° oder ±90°. Die bei allen mobilen Anwendungen und speziell bei mobilen Maschinen im robusten Einsatz auftretenden Störungen durch dynamische Einflüsse sowie durch parasitäre Beschleunigungen wie zum Beispiel Bewegungen, Stöße und Vibrationen beeinflussen die Messergebnisse. Zur Verbesserung der Messwertstabilität bei dynamischen Einflüssen stehen dem Anwender je nach Sensortyp verschiedene konfigurierbare Filteralgorithmen zur Verfügung. Der Nutzer kann aus verschiedenen Filterarten die für die jeweilige Anwendung optimalen Einstellungen und die bestmögliche Charakteristik auswählen. Neben den klassischen Tiefpassfiltern wie Butterworth und „kritisch gedämpft“ steht nun eine Sensorvariante zur Verfügung, bei der zusätzlich auch ein Kalman-Filter ausgewählt werden kann. Dieser führt die Daten der Beschleunigungen und Drehraten mittels Sensordatenfusion zusammen. Auf Basis dieser Informationen werden die Messwerte berechnet, deren weiterer Verlauf abgeschätzt und korrigiert. Der verwendete Kalman-Filter zeichnet sich durch seine hohe Dynamik und dennoch sehr gute Dämpfung der parasitären Beschleunigungen aus. Die Dämpfung ist vergleichbar mit dem klassischen Tiefpassfilter, die Signalverzögerung ist jedoch nahezu vernachlässigbar.

Vergleich der Verzögerung von Tiefpass- und Kalman-Filter

Die erfassten Messwerte werden über ein CAN-, CANopen- oder SAE J1939-Interface an nachfolgende Steuerungen weitergegeben. Die aktuelle Version der Sensoren ermöglicht die freie Konfiguration des Messbereichs (±90° oder 360°) als auch des Protokolls auf der Schnittstelle (CAN, CANopen oder SAE1939). Dies bietet maximale Flexibilität im Design-In Prozess. Die Inbetriebnahme erfolgt über die STW Software-Toolchain openSYDE zudem maximal intuitiv. Vorkonfigurierte Projekte und Dashboards unterstützen eine zügige und komfortable Integration des Sensors in bestehende wie auch neuentwickelte Applikationen.

Der SMX.igs-e ist Teil des STW-Sensorikbaukastens für die Mobilhydraulik. Dieser bietet eine umfassende Produktpalette zur Erfassung physikalischer Größen wie Temperatur, Druck, Dehnung, Neigung und Winkelgeschwindigkeit. Die Messwerte dienen in mobilen Maschinen u.a. der Überwachung und Regelung des Antriebs, der Arbeitsfunktion oder des Energiemanagements und können zusätzlich mit Onboard-Software- und Cloudlösungen aus dem Hause STW im Internet, z.B. für vorausschauende Instandhaltungsmaßnahmen, zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus zeichnen sich die STW Sensoren durch ihre besondere Belastbarkeit und Langlebigkeit aus.

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