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Drehbeschleunigung messen vs. Drehrate messen
 
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Physinetz



Anmeldungsdatum: 20.09.2006
Beiträge: 317

Beitrag Physinetz Verfasst am: 04. Apr 2023 14:45    Titel: Drehbeschleunigung messen vs. Drehrate messen Antworten mit Zitat

Hallo,

ich frage mich, warum in einer IMU (Interial Measurement Unit) im Flugzeug Drehraten gemessen werden, nicht aber Drehbeschleunigungen. Ich bin ja an der Lage des Flugzeugs im Raum interessiert.

Analog: Wir messen dort ja auch translatorische Beschleunigungen und keine translatorischen Geschwindigkeiten. Aus der Beschleunigung erhalten wir durch Integration Geschwindigkeiten und darüber den Weg.

Vielleicht hat jemand eine Idee

Danke!

Vg Physi
Steffen Bühler
Moderator


Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7260

Beitrag Steffen Bühler Verfasst am: 04. Apr 2023 15:08    Titel: Antworten mit Zitat

Wird wohl eine Frage des Preises sein. Beschleunigungssensoren sind eben deutlich billiger als Geschwindigkeits- bzw. Wegsensoren. Und so wird es auch billiger sein, die Drehzahl zu messen als die Drehbeschleunigung.

Viele Grüße
Steffen
Ich



Anmeldungsdatum: 11.05.2006
Beiträge: 913
Wohnort: Mintraching

Beitrag Ich Verfasst am: 05. Apr 2023 08:57    Titel: Antworten mit Zitat

Vor allem will man keine Beschleunigungen messen, wenn man Geschwindigkeiten messen kann. Dann spart man sich eine Integration. Und das geht halt nur bei Rotation, nicht bei Translation.
Steffen Bühler
Moderator


Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7260

Beitrag Steffen Bühler Verfasst am: 05. Apr 2023 09:09    Titel: Antworten mit Zitat

Es gibt durchaus translatorische Geschwindigkeitsaufnehmer (Induktionsprinzip) und auch Wegaufnehmer (Dehnungsmessstreifen). Aber die nimmt man wirklich nur, wenn's sein muss, seit Piezos auf dem Markt sind.
Ich



Anmeldungsdatum: 11.05.2006
Beiträge: 913
Wohnort: Mintraching

Beitrag Ich Verfasst am: 05. Apr 2023 10:24    Titel: Antworten mit Zitat

Und damit misst du jetzt die Fluggeschwindigkeit, oder worauf willst du hinaus? In einer IMU sind Geschwindigkeitsaufnehmer physikalisch durch das Relativitätsprinzip verboten. Staurohre und Radar sind für Flugzeuge geeignete Geschwindigkeitsaufnehmer, und die nimmt man auch her, aber das hat doch mit der Frage nichts zu tun.
Steffen Bühler
Moderator


Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7260

Beitrag Steffen Bühler Verfasst am: 05. Apr 2023 10:28    Titel: Antworten mit Zitat

Ach so, ich dachte, Du redest allgemein von solchen Aufnehmern und beziehst Dich nicht mehr auf die Frage. Dann hast Du natürlich recht.
DrStupid



Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5063

Beitrag DrStupid Verfasst am: 05. Apr 2023 14:08    Titel: Antworten mit Zitat

Steffen Bühler hat Folgendes geschrieben:
Ach so, ich dachte, Du redest allgemein von solchen Aufnehmern und beziehst Dich nicht mehr auf die Frage.


Aber in der Frage geht es doch explizit um Trägheitsnavigationssysteme in Flugzeugen.
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3405

Beitrag ML Verfasst am: 07. Apr 2023 10:14    Titel: Re: Drehbeschleunigung messen vs. Drehrate messen Antworten mit Zitat

Hallo,

Physinetz hat Folgendes geschrieben:

ich frage mich, warum in einer IMU (Interial Measurement Unit) im Flugzeug Drehraten gemessen werden, nicht aber Drehbeschleunigungen. Ich bin ja an der Lage des Flugzeugs im Raum interessiert.

Um von der Drehgeschwindigkeit auf die Drehwinkel zu kommen, musst Du einmal integrieren. Von der Drehbeschleunigung auf die Drehwinkel brauchst Du zwei Integrationen.

Die Integration ist problematisch, da ein Gleichanteilsfehler bei der Drehgeschwindigkeit zu einem linear mit der Zeit ansteigenden Fehler bei den Drehwinkeln führt. Ein Gleichanteilsfehler bei der Drehbeschleunigung führt sogar zu einem quadratisch mit der Zeit ansteigenden Fehler bei den Drehwinkeln.

Die typischen 9-Achsen-IMU, die typischerweise für die Stabilisierung von Drohnen genutzt werden, bestehen aus 3 (linearen) Beschleunigungssensoren, 3 Drehratensensoren und 3 Magnetfeldsensoren.
Mit einer solchen Kombination aus mehreren Sensoren lässt sich die Lage im Raum stabil ermitteln.

Die Lageerkennung selbst ist im Detail nicht ganz einfach, aber -- wie man an den Drohnen sieht -- recht gut gelöst. Sie beruht auf der Nutzung von mathematisch optimierten Schätzern für die Lage. Vielleicht hast Du in diesem Zusammenhang schon einmal das Wort Kálman-Filter gelesen.

Wozu man die einzelnen Sensoren benötigt, lässt sich aber auch ohne dieses Detailwissen verstehen:
- Die Drehratensensoren erkennen Drehungen um die drei Raumachsen und können die Information über die Lage im Raum schnell aktualisieren. Sie "leiden" aber unter den Driftfehlern.
- Die Magnetfeldsensoren sind nützlich, weil sie aufgrund von Drift erfolgende, langfristige Drehungen um die vertikale Achse gut erkennen können. (Drehung im Erdmagnetfeld)
- Die linearen Beschleunigungssensoren helfen bei der Driftkompensation um die beiden anderen Achsen, da sie tendenziell immer "nach unten" zeigen wollen.

Verbaut man zusätzlich noch einen Drucksensor, so hat man auch eine Information über die Flughöhe.


Viele Grüße
Michael
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