Neue integrierte Funktion zur Schwingungsüberwachung

Ziel dieses Artikels ist es, die Notwendigkeit der Vibrationsüberwachung in einer IMU und die Vorteile der Entwicklung einer integrierten Vibrationsüberwachungsfunktion zu begründen.

Warum Vibrationsüberwachung in einer IMU ?

Wer Erfahrung mit der Verwendung einer IMU (Micro-Electro-Mechanical Inertial Measurement Unit) in einer rauen Umgebung hat, weiß, dass Schwingungen und Akustik sorgfältig berücksichtigt werden müssen. MEMS-Sensoren basieren auf intern schwingenden mechanischen Elementen. Dies hat zwei wesentliche Konsequenzen:

• Leistungsverschlechterung unter Vibrationen: Vibrationen können die IMU-Genauigkeit durch den sogenannten Vibration Rectification Error (VRE) oder Vibration Rectification Coefficient (VRC) beeinträchtigen. Für hochpräzise Anwendungen wie Vermessung oder Koppelnavigation können diese Fehler erhebliche Auswirkungen haben.
• Resonanzeffekte: Da der Sensor selbst vibriert, können die IMU-Messwerte gestört werden, wenn die Schwingungsfrequenzen des Fahrzeugs mit den internen Resonanzfrequenzen des Sensors übereinstimmen.

Diese Effekte sind oft wichtige Überlegungen während der frühen Designphase. Teams verwenden in der Regel viel Aufwand für komplexe Simulationen. Diese Simulationen sagen das reale Verhalten nur teilweise voraus.

Sie müssen teure Testkampagnen mit Überwachungsgeräten durchführen. Diese Tests validieren die Simulationen. Wir haben festgestellt, dass selbst gründliche Simulationen die realen Bedingungen nicht vollständig nachbilden können. Einige Kunden haben unsere IMUs in raueren Umgebungen als vorgesehen integriert. Sie halten Vibrationen von bis zu 30 g RMS und einem Schallpegel von 150 dB stand.

Das Hinzufügen eines externen Überwachungsgeräts ist eine gute Entwicklungspraxis. Es ist jedoch nicht perfekt. Es wird niemals die tatsächliche Erfahrung der IMU vollständig widerspiegeln:

• Position der Messung ist versetzt
• Eine durch das externe Überwachungsgerät erzwungene Änderung der Masse/des Aufbaus wird das Ergebnis verändern.

Einführung unserer integrierten Funktion zur Schwingungsüberwachung

Um dem entgegenzuwirken, haben wir eine innovative Funktion zur Vibrationsüberwachung integriert. Sie befindet sich direkt in unseren IMUs und GNSS/INS. Unsere Systeme bieten jetzt eine Echtzeit-Vibrationsanalyse. Diese umfasst einen vollständigen Spektrum-Bericht und einen synthetischen Bericht.

Vollständiger Spektrum-Bericht

Eine vollständige FFT (Fast Fourier Transform) zeigt die Schwingungsamplitude über alle Frequenzen. Das folgende Bild entspricht dieser vollständigen Spektralansicht. Es zeigt die Intensität der Vibrationen, die für jede Frequenz im Zeitverlauf gemessen wurden.

Vereinfachter Vibrationsbericht

Eine benutzerfreundliche Zusammenfassung, die das Spektrum in vier Frequenzbänder unterteilt. Für jedes Band liefert der Bericht die gesamte Vibrationsintensität (in g RMS), die dominante (Peak-)Frequenz und ihre Größe. Das folgende Bild zeigt einen Screenshot des synthetischen Vibrationsberichts, wie er in unserem sbgCenter-Tool angezeigt wird.

Technische Eigenschaften

Das eingebaute Vibrationsüberwachungsmodul arbeitet vollständig eingebettet in der IMU/INS und gewährleistet so eine Echtzeit-Performance ohne zusätzliche Hardware. Die wichtigsten Spezifikationen sind:

• Bandbreite: bis zu 8 kHz (abhängig vom IMU-Modell).
• Dynamikbereich: bis zu 40 g RMS (abhängig vom IMU-Modell).
• Zeitsynchronisation: Schwingungsberichte werden mit der IMU-Uhr mit einem Zeitstempel versehen, um die Analyse zu erleichtern.
• Vollständig eingebettet: alle FFT-Berechnungen werden onboard durchgeführt.
• Aktualisierungsrate & Auflösung: Schwingungsberichte werden alle 0,25 s mit einer Auflösung von 4 Hz generiert.
• Fensterkonfiguration: Benutzer können aus mehreren FFT-Fenstermodi wählen — Flat Top, Hanning oder Rechteck — mit verschiedenen Kompromissen zwischen Amplitude, Genauigkeit und Frequenzlecks.

Dies ermöglicht Ihnen die Durchführung detaillierter Schwingungsanalysen am Ort der IMU. Benutzer können Trägheitsrauschen und IMU-Leistung mit tatsächlicher mechanischer Anregung korrelieren. Echtzeit-FFT-Daten bieten beispielsweise eine zusätzliche Metrik. Dies ergänzt den Continuous Built-in Test (CBIT) der IMU. Es zeigt Montageresonanzen oder harmonische Anregungen auf. Diese fallen mit Änderungen des Beschleunigungsmesserrauschens oder der Gyroskop-Bias zusammen.

Anwendungsfälle unserer integrierten Schwingungsüberwachungsfunktion

Die integrierte Funktion zur Vibrationsüberwachung kann auf vielfältige Weise eingesetzt werden – und wir erwarten, dass unsere Kunden noch weitere finden werden. Hier sind ein paar Beispiele:

• Schwingungsanalyse in der Designphase: Während der Fahrzeugkonstruktion hilft diese Funktion, die IMU-Montage zu optimieren. Die direkte Messung von Vibrationen an der IMU ermöglicht es Ingenieuren, den besten Ort auszuwählen, Dämpfer abzustimmen und einen akustischen Schutz zu entwerfen – ohne schwere oder teure externe Sensoren hinzuzufügen.
• IMU-Qualifizierung auf Rütteltischen: Die Vibrationsüberwachung kann während der Qualifizierung einer IMU oder eines INS verwendet werden, wenn diese Vibrationen ausgesetzt werden (Random oder Sweep). Dies ermöglicht die Bestätigung, dass die gemessene Vibration mit der eingebrachten Vibration übereinstimmt (Übertragungsfunktion). Sie kann auch als Werkzeug verwendet werden, um zu unterscheiden, ob eine Resonanz mit dem Shaker, dem Aufbau oder der IMU zusammenhängt.
• UAV- und Luft- und Raumfahrtsysteme: Die Schwingungsüberwachung kann verwendet werden, um Resonanzmoden für Drehflügler oder Turbinentriebwerke zu erkennen und die Nutzlastisolierung zu validieren, wenn die IMU auf einer kardanischen Aufhängung oder einer stabilisierten Plattform montiert ist.
• Bodenfahrzeuge: Unsere INS werden häufig in Bodenfahrzeugen zur Georeferenzierung (Mobile Mapping) eingesetzt. Die FFT kann in diesem Zusammenhang auf innovative Weise eingesetzt werden: Vibrationsdaten könnten zur Analyse von Straßenzuständen oder zur Klassifizierung von Geländetypen verwendet werden.
• Missionsbezogener Built-In Test (BIT): In rauen Betriebsumgebungen deuten übermäßige Vibrationen oft auf Fehler wie Motorausfall, Probleme mit der Verstärkungsregelung oder aerodynamische Instabilität hin. Der eingebaute Monitor kann diese Anomalien in Echtzeit erkennen, ohne dass zusätzliche Sensoren erforderlich sind.
• Strukturüberwachung und Modalanalyse: Die FFT-Schwingungsdaten können zur Verfeinerung der Modalanalyse genutzt werden, wobei Verschiebungen in den Resonanzfrequenzen erkannt werden, die auf potenzielle strukturelle Ermüdung, Lockerung oder Materialdegradation im Laufe der Zeit hinweisen. Dies wandelt die IMU in einen Dual-Sensor um: sowohl einen Bewegungstracker als auch ein Langzeit-Strukturüberwachungsinstrument.

Zugriff auf die Funktion zur Schwingungsüberwachung

Wenn Ihr Gerät kompatibel ist, aktualisieren Sie einfach auf die neueste Firmware. Aktivieren Sie als Nächstes die Vibrationsüberwachungsmeldungen in der Ausgabekonfiguration. So verarbeiten Sie die Daten:

1 – sbgCenter – Visualisierung von Vibrationsberichten auf einfache Weise.

2 – sbgBasicLogger – Export von Daten im ASCII-Format.

3 – sbgECom Bibliothek – Schnelles und effizientes Parsen von Binärdaten.

Bleiben Sie dran für zusätzliche Dokumentation und Beispielcode, die Ihnen helfen, diese Funktion optimal zu nutzen.

Produktkompatibilität

Dieser Abschnitt beschreibt die spezifischen Produkte, die derzeit die Built-In Vibration Monitoring Feature unterstützen. Die Kompatibilität hängt sowohl von der Hardware-Revision als auch von der installierten Firmware-Version ab. Wir haben die aktuellen Anforderungen unten aufgeführt, um sicherzustellen, dass Sie diese Funktionalität nutzen können.

Die Schwingungsüberwachungsfunktion ist derzeit verfügbar auf:

• neueste Hardware-Revisionen für die Ekinox Micro, Quanta Micro, Quanta Plus und Quanta Extra (INS) — mit Firmware-Version 5.5 oder höher
• Pulse-80 und Pulse-40 (IMUs) — mit Firmware-Version 2.0 oder höher

Bitte wenden Sie sich an unser Support-Team, wenn auf Ihrem Produkt eine ältere Firmware-Version ausgeführt wird. Sie bieten Anleitungen zur Kompatibilität und zu Upgrade-Optionen. Diese Funktion wird in naher Zukunft in weitere Produkte integriert.