Meine Diplomarbeit

Titel: Entwicklung und Simulation eines Low-Cost Sensorsystems zur inertialen, sechsachsigen Bewegungsmessung im Strapdown-Verfahren

Auf dieser Seite möchte ich meine Diplomarbeit auch nicht so technisch versierten Interessenten vorstellen. Wem die folgenden Ausführungen zu einfach und technisch unpräzise sind oder wer mehr Interesse an meiner Arbeit hat, der kann sich (bald) die ausführliche, schriftliche Fassung heunterladen.

Also, worum geht/ging es?

Es geht im Prinzip um den Bau eines Messgerätes, mit dem jegliche Form von Bewegungen im Raum gemessen werden kann. Dabei kann man zwischen zwei Formen der Bewegungen unterscheiden: Drehungen (Rotationen) und Verschiebungen (Translationen). Von jeder dieser Bewegungsformen gibt es im dreidimensionalen Raum drei voneinander unabhängige. Aus diesen sechs elementaren Bewegungen kann jede beliebige Bewegung zusamengesetzt werden.

Die inertiale Bewegungsmessung bedeutet, dass im Prinzip die Messungen ohne externen Bezugspunkt durchgeführt werden. Dazu mal ein Beispiel:

Man befindet sich auf einem Kreuzfahrtschiff auf dem Meer lässt einen Modellhubschrauber fliegen (man hat ja sonst nichts zu tun:-). Die Position und die Orientierung/Ausrichtung des Hubschraubers nimmt man in diesem Fall in Bezug zum eigenen Standort auf dem Deck des Schiffes wahr . Das Schiff selber bewegt sich aber auch noch (es fährt mit einer bestimmten Geschwindigkeit, ändert seinen Kurs und wegen dem extremen Seegang auch seine Höhe über normal Null). Wenn man inertial messen würde, würde man das alles mitmessen. Es geht aber noch weiter, schließlich war die vorherige Überlegung mit dem System Erde als Bezugspunkt. Doch diese dreht sich ja auch noch und ändert ihre Position (gegenüber der Sonne). Und schon wieder ein neuse Bezugssystem (die Sonne). Wie bewegt sich die?

Im Prinzip (schon wieder!) bedeutet also inertial messen, messen mit einem Bezugspunkt der sich absolut nicht verändert (vielleicht der Ursprung des Universums). So ein Schmarrn? Deshalb so oft "im Prinzip", denn in der Technik ist es gottseidank immer viel einfacher (deshalb macht es mir auch so Spass). Denn mit den verwendeten Messgeräten kann man schon die Eigendrehung der Erde nicht mehr messen, dafür reicht die Empfindlichkeit nicht. Ebensowenig können die Kräfte gemessen werden, die von der Bewegung der Erde im Universum hervorgerufen werden. Und die astronomische Entfernung vom Messpunkt zum Ursprung des Universums sowie die Geschwindigkeit, mit der sich die Erde bewegt? Bei diesen Größen verschieben wir ganz einfach den Nullpunkt, bis wir mit den Zahlen zurechtkommen. Daraus ergibt als Bezugspunkt ein frei wählbarer Punkt, der irgendwie fest mit der Erdoberfläche verbunden ist.

Warum dann aber inertial, wenn man doch einen Bezugspunkt hat? Wenn man nicht inertial misst, dann muss das Messgerät mit dem Bezugspunkt in irgendeiner Weise in Verbindung sein, man misst dann immer relativ zu diesem Punkt (ein Drehzahlmesser ist meist mit der Motorwelle und dem festen Motorgehäuse verbunden; um eine Länge zu messen, hält man einen Meterstab an den Bezugspunkt; bei Entfernungsmessung oder Drehzahlmessung mit Licht braucht man z.B. Reflektoren als Bezugsobjekte; ...; selbst bei Positionsbestimmung mit GPS ist die Lage der Sateliten das Bezugssystem). Wenn nun irgendwer diesen Bezugspunkt verändert (wenn z.B. der Meterstab oder ein Reflektor verschoben wird oder ein GPS-Satelit seine Umlaufbahn verlässt), dann ist die Messung gestört, aus vorbei. Bei der inertialen Messung ist der Bezugspunkt rein fiktiv und kann somit nicht gestört werden.

Hört sich kompliziert an? Ist es aber nicht, weil es halt einfach Physik ist. Da braucht man selber gar nix zu machen außer eben inertial zu messen:-)

Und wie misst man inertial? Naja, da ist dann doch ein Haken an der Sache. Das einzige (nach meinem Wissen, bitte klärt mich auf, wenn das falsch ist) was man da inertial messen kann sind Kräfte. Mit der Kraft (F) auf eine bekannte Massen (m), also der Beschleunigung (a, F=m*a) kann man die Geschwindigkeit berechnen und damit den Weg. Wenn man dies in drei Ebenen macht, dann kennt man auch schon die Position im Raum. Die Lage/Ausrichtung bzw. Drehung zu Messen ist ein bischen schwieriger. Dafür "benutzt" man den Coriolis-Effekt, der folgenden Zusamenhang beschreibt: Eine bekannte Masse bewegt sich in einem System mit einer bekannten Geschwindigkeit. Wenn dieses System gedreht wird (die Drehachse sei parallel zur Bewegungsrichtung der Masse), dann wirkt eine Kraft auf die Masse, die senkrecht auf die Bewegungsrichtung und senkrecht auf den Abstand der Masse zur Drehachse ist. Kraft und Masse ergibt mal wieder Beschleunigung und deshalb spricht man hier von der Coriolisbeschleunigung. Mit dieser können Drehgeschwindigkeiten erfasst werden. Die dazu gehörenden Sensoren nennt man Kreisel oder Gyros (vielleicht schon mal gehört).

Soweit so gut, mehr folgt demnächst ...

Es gibt noch ein paar Fotos zu sehen

Und noch ein paar Fotos