Ein Gyroskop für jeden Roboter Mit dem MPU-3300 bietet Invensense ein 3-Achsen Gyroskop für den rauen Industrieeinsatz Durch Miniaturisierung unhandlicher Sensoren wie Gyroskope Accelerometer mit den Mitteln Mikrosystemtechnik ist eine völlig neue Klasse Anwendungen entstanden, angefangen Koppelnavigation für Navis in GPS-freien Bereichen bis hin zur Elektronik gegen Verwackler bei digitalen Fotoapparaten Camcorn. Inzwischen dringen neuen Bauelemente auch in den Bereich robuster Industrieanwendungen vor erlauben kostengünstig platzsparend präzise Erfassung Auswertung jeglicher Bewegung im Raum, beispielsweise zur Verbesserung Ziel- genauigkeit Roboterarmen o gar zur autonomen Stabilisierung unbemannter Flugobjekte. Tags: invensense, mpu-3300, gyroskop, gyroscope, accelerometer, beschleunigungssensor, mems, micro electro mechanical system, nasiri fabrication platform, inertial sensor, vibratory rate gyro, degree of freedom, roll, pitch, yaw, robotics, navigation, Seite 1 8
Inhaltsverzeichnis Der Kreisel im Käfig...3 Integration in MEMS...3 Der MPU-3300...5 Anwendungen...6 Über Invensense...7 Über Scantec...7 Über den Autor...8 Abbildungsverzeichnis Kardanisch aufgehängter Kreisel er behält seine Raumlage bei, auch wenn das äußere Bezugssystem veränt wird...3 Schwingende Strukturen ermöglichen eine Realisierung mit Mitteln Mikrosystemtechnik...3 Schnitt durch ein Invensense-Gyroskop mit schematischer Darstellung Schwingstrukturen...4 Bei den Invensense-Gyroskopen wird MEMS-Struktur kopfüber auf den in CMOS realisierten Metrologie-Chip befestigt gleichzeitig elektrisch verben...4 Das 3-Achsen-Gyroskop MPU-3300 für industrielle Anwendungen...5 Blockdiagramm des MPU-3300. Die Drehratensignale 3 Gyroskope werden mit 16 bit ADCs digitalisiert...5 Anwendungsgebiete des industrietauglichen 3-Achsen-Gyroskops MPU-3300 Invensense...6 Seite 2 8
Der Kreisel im Käfig E in Gyroskop o Kreiselinstrument ist ein kardanisch aufgehängter, rasch rotieren, symmetrischer Kreisel. Aufgr Drehimpulserhaltung verharrt drehende Kreisel in seiner Raumorientierung, auch wenn Lage äußeren Aufhängung veränt werden wird. Aufgr Gyroskope zur ser Eigenschaften aktiven Lageregelung insbesone für Flugkörper eingesetzt finden sich daher auch in jedem Flugzeug-Cockpit als sog. künstlicher Horizont [REF001]. Dieser zeigt dem Piloten eine horizontale Linie, aufgr beschriebenen Achsenstabilität auch bei Ände- rungen Raumlage des Flugzeuges in ihrer ursprünglichen Position verharrt. Damit kann Flugzeugführer auch dann bestimmen, wie seine Maschine in Luft liegt, wenn menschlichen Sinnesorgane etwa durch Dunkelheit o einwirkende Fliehkräfte getäuscht werden. Gyroskope können also dazu nen, eine Drehbewegung bzw. beschleunigung des äußeren Bild 1: Kardanisch aufgehängter Kreisel er behält seine Raumlage bei, auch wenn das äußere Bezugssystem veränt wird. Bezugssystems in Relation zur rotierenden Masse zu erkennen zu messen zwar weitestgehend unabhängig Schwerkraft. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber linearen Beschleunigungssensoren dar, en Ergebnisse je nach Lage Bewegung vom Einfluss Schwerkraft freigerechnet werden müssen. Integration in MEMS Bei Integration Gyroskopen mit den Mitteln Mikrosystemtechnik stößt man rasch auf Problematik, dass sich vollständig frei drehende Objekte nur sehr schwer herstellen lassen. Es gibt jedoch einen Ausweg, denn das physikalische Prinzip des Gyroskops basierend auf sog. Corioliskraft lässt sich auch mit schwingenden mechanischen Elementen umsetzen. Diese vibratory rate gyroscopes [REF002] messen über kapazitive Wandler den Wechsel des Schwingungsmodus vibrierenden Elemente damit verursachende Drehbewegung. Tatsächlich nutzen alle heute mit den Mitteln MEMS hergestellten Bild 2: Schwingende Strukturen ermöglichen eine Realisierung mit Mitteln Mikrosystemtechnik Seite 3 8
Gyroskope, egal of tuning fork o ring gyro, kompensation sowie FLASH- ses Prinzip. Bild 1 zeigt das Implementierungs- Speicher prinzip Invensense-Gyroskope: lierungsparameter realisiert. Der CMOS-Die nt zur Ablage Kalibrier- Ska- zudem als Grplatte für den Sensor verfügt daher über notwendigen Pads zur elektrischen Verbindung des Sensors auf Leiterplatte. Dabei zeichnen sich Invensense-Sensoren durch eine fertigungstechnische Besonheit aus, nach Steven Invensense, benannt als ist. Nasiri, sog. Die kopfüber dem Nasiri-Herstellplattform MEMS-Struktur mit Grün einer wird hierbei eutektischen Metallsiegelmasse auf dem CMOS-Die befestigt, erhält darüber ihre elektrische Kontaktierung Bild 3: Schnitt durch ein Invensense-Gyroskop mit schematischer Darstellung Schwingstrukturen. gleichzeitig hermetische Versiegelung des entstehenden Hohlraums (Siehe Bild4). Mehrere Lamellen, nur verben durch dünne Stege an ihren Längsseiten, werden über elektrostatische Anregung zu ihrer mechanischen Resonanz in Vibration versetzt. Bei einer Drehung um Querachse wird ses Konstrukt aufgr entstehenden Corioliskraft ein wenig ausgelenkt veränt damit Kapazität eines verben Plattenkondensators, sich in anschließenden Metrologie auswerten lässt. 2 solcher um 90 gedrehten Konstrukte erfassen Drehungen in X- Y-Richtung, für Z-Achse (Hochachse) wird eine geänte MEMS-Struktur verwendet, bei Lamellen auf einer anen Raumrichtung schwingen. Die MPU Produktfamilie stützt sich auf bewährte 8 Ein MEMS-Sensor besteht daher aus eigentlichen Mikrostruktur sowie notwendigen Ansteuerung Messwerterfassung, mit einem klassischen CMOS-Prozess hergestellt wird. Darin sind Verstärker, Filter, Bild 4: Bei den Invensense-Gyroskopen wird MEMS-Struktur kopfüber auf den in CMOS realisierten Metrologie-Chip befestigt gleichzeitig elektrisch verben. Treiber, Temperatur- Wafer-Fabrikationslinien Herstellern mit Weltruf sowie auf eigene, serientaugliche Test- Kalibriereinrichtungen in Taiwan, um hohen Anforungen an Stückzahlen Qualität zu erfüllen. Seite 4 8
Der MPU-3300 Die Genauigkeit MPU-3300-Empfindlichkeit über den gesamten Temperaturbereich beträgt ±2% Genauigkeit des Zero-Rate-Outputs über Temperatur beträgt ±0.14 dps/ C (Winkelgrad je Seke Grad Celsius). Mit lediglich 0.005 dps/ Hz bietet MPU-3300 ein industrieweit führendes Rauschverhalten ist damit deutlich besser als Industriegyroskope des Wettbewerbs mit Werten im Bereich 0.01 bis Bild 5: Das 3-Achsen-Gyroskop MPU-3300 für industrielle Anwendungen. 0.03 dps/ Hz. Der Invensense-Sensor MPU-3300 (MPU = Motion Darüber hinaus integriert MPU-3300 hoch Processing Unit) ist ein werksseitig kalibriertes, auflösende monolithisches (ADCs), programmierbare digitale Filter, SPI- 3-Achsengyroskop in einem 16-Bit Analog-Digital-Converter 4x4x0.9 mm klei- I2C-Schnittstellen weist einen Stromverbrauch nen Gehäuse, da- lediglich 3.6 durch ma auf. sehr ein- fach bei Plat- SPI- zierung, Ausrich- Schnittstellen tung teilen brierung Kali- sich gleichen sowie Integration in Ge- sodass räte weise ringem mit I2C- ge- Pins, wahl eine o ane I/O- Platzan- gebot. Mit 2 pro- Technologie grammierbaren verwendet Messbereichen den I C mit einer Ge- 225 bei schwindigkeit 450 dps (degrees geringer Drift, ei- kann, 2 per second), sehr wer- Bild 6: Blockdiagramm des MPU-3300. Die Drehratensignale 3 Gyroskope werden mit 16 bit ADCs digitalisiert. immerhin 400 khz, bei SPI nem Temperaturbereich -40 C bis +105 C bis zu 20 MHz für das Auslesen Sensorwerte. einer Das Schockfestigkeit besons eignet. für raue 10.000 g ist Industrieumgebungen es ge- integrierte 1024 Byte-FiFo erlaubt sen schnellen Datentransfer mit Burst-Zyklen hilft so auch bei Reduzierung Stromaufnahme. Seite 5 8
Anwendungen Mit einer Bias-Stabilität 15 Winkelgrad/Ste Hersteller Industrieequipment wie z.b. mobilen auf je 3 Achsen eignet sich MPU-3300 Lagerüberwachungsgeräten haben Vorteile dank hervorragend für eine ganze Reihe indus- niedrigen Leistungsaufnahme des MPU-3300 triellen Anwendungen wie etwa Attitude Heading weniger als 10 mw. Reference Systems (AHRS, Lage- Richtungs- Weitere Anwendungen, vom neuen MPU-3300 erfassung), für eine profitieren können: An- extrem tennenstabilisierung, stabile Performance Sensoren Logistiksysteme, Über- präzisen wachungsinstrumente, Tracking Bewegungen Produktionsequipment, notwendig industrielle Geräte zum ist. AHRS- werden in Elektro- werkzeuge, unbemannte Flugzeugen, Robotern Drohnen anen Systemen einge- Unmanned baut, bei denen räum- Vehicles), liche Orientierung gemes- schaftsmaschinen, sen kungs- Steuerungs- werden muss. Die (UVAs produkte dabei maschinen. Nullpunktkalibrierung ganz erheblich. Navigationssysteme in Industriefahrzeugen, Und Bild 7: Anwendungsgebiete des industrietauglichen 3-Achsen-Gyroskops MPU-3300 Invensense. Flug- Feedback-Kanal, zeugen Schiffen können ebenfalls Bewegung hoch genauen Gyroskoptechnologie profitieren präzise zurückmeldet. Aerial Landwirt- hohe Stabilität vereinfacht - sowie LenBau- Präzisionsroboter erhalten mit Gyroskopen einen ihnen Raumlage unabhängigen ihrer tatsächliche Werkzeugarme st Seite 6 8
Literaturverzeichnis REF001: Wikipedia, Künstlicher Horizont, http://de.wikipedia.org/wiki/k%c3%bcnstlicher_horizont, () REF002: Michael S. Kranz, Gay K. Fed, Michromechanical Vibratory Rate Gyroscopes Fabricated in conventional CMOS, http://www.ece.cmu.edu/~mems/pubs/pdfs/dgon/sgt/0059_kranz-1997.pdf, (1997) Seite 7 8
Über Invensense InvenSense ist führende Anbieter MotionTracking -Bausteinen für den Markt Unterhaltungs Industrieelektronik. Die patentierte Bewegungssensortechnologie (MotionFusion ) des Unternehmens sein innovatives Nasiri-Fertigungsverfahren adressiert viele neuartige Anwendungen im Massenmarkt wie elektronische Spiele, Bildstabilisierung, Fernsteuerungen Mobilgeräte, verbesserte Performance einen größeren Funktionsumfang benötigen durch eine neue, mehr intuitive Mensch-MaschineSchnittstelle durch Bewegung o Gesten bent werden können. Die Unternehmenszentrale Invensense befindet sich in Sunnyvale, Kalifornien (USA), Nielassungen gibt es in China, Taiwan, Korea, Japan Dubai. Weitere Informationen auf http://www.invensense.com. Über Macnica Macnica wurde 1972 als Unternehmen für Distribution Halbleitern mit Hauptsitz in Yokohama, Japan gegründet verfügt über 30 Vertriebsnielassungen in Asien, Europa den USA. Mehr als 1.900 Mitarbeiter sind weltweit beschäftigt das konsolirte Jahreseinkommen betrug im Fiskaljahr 2010 ca. $2 Milliarden. Macnica ist bekannt für sein exzellentes Engineering Team mit mehr als 500 Applikationsingenieuren, IC Designern Software Entwicklern en zielgerichtetem Fokus unseren Ken über- durchschnittliche technische Unterstützung zu bieten. Macnica erweitert kontinuierlich mit Hilfe strategischer erfolgreicher Partner globale Marktpräsenz. Macnica's europäischer Hauptsitz wurde ursprünglich 2006 in UK gegründet im März 2009 nach Deutschland verlegt, um Wirksamkeit des Service für europäischen Ken zu erhöhen. Macnica bietet seinen Ken durchgehende Unterstützung, beginnend beim Design-in bis hin zur Produktion über ihr globales Service-Netzwerk, unabhängig des endgültigen Bestimmungsorts Produktlieferung o Fertigungsstätte des Ken. Weitere Informationen unter http://www.macnica.eu. Seite 8 8