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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Beschleunigungsmessung


Autor: Christian P. (johncoffey)
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Hallo,
ich bin noch relativ neu hier und auf dem Gebiet der Elektronik und 
Sensortechnik noch recht am Anfang, habe aber mal eine Frage bei der ich 
hoffe dass mir hier geholfen werden kann..

Und zwar habe ich die Aufgabe bekommen die Beschleunigung und den 
Neigungswinkel eines Fahrzeugs in Fahrtrichtung zu bestimmen.
Als erstes habe ich mir gedacht, gut bestell ich mir einfach mal einen 
Beschleunigungssensor. Gesagt getan. Bestellt habe ich mir einen SCA3000 
von VTI Technologies der auf einem Evaluation Board sitzt und den ich 
über meinen µC über I2C-Bus ansteuere. Funktioniert auch alles 
wunderbar.
Die Beschleunigungen aller 3 Achsen kann ich ohne Probleme auslesen.
Nach kurzer Einarbeitung ist mir dann aufgefallen, dass ich zwar den 
Neigungswinkel aus den 3 Beschleunigungen bestimmen kann, allerdings nur 
wenn der Sensor nicht in Bewegung ist, da sonst der berechnete Winkel 
verfälscht wird. Andererseits kann ich auch die Beschleunigung in 
Fahrtrichtung bestimmen, aber nur wenn ich den Neigungswinkel weiß.
Da sich das ein wenig wiederspricht hab ich noch mal genauer nachgelesen 
und herausgefunden, dass man deshalb ein Gyroskop mit dem 
Beschleunigungssensor kombiniert.
Das Gyroskop soll dann den Neigungswinkel messen, während der 
Beschleunigungssensor diesen nicht messen kann, also bei Bewegung.
Jetzt habe ich vorhin auch noch etwas über Neigungssensoren 
(Inclinometer) gelesen, mit denen auch der Winkel bestimmt werden kann.
Deshalb meine Frage: Welcher dieser Sensoren wäre sinnvoller??
Oder ist es überhaupt sinnvoll einen der beiden mit meinem 
Beschleunigungssensor zu kombinieren?
Ich hoffe hier kennt sich jemand ein bisschen mit dieser Problematik aus 
und kann mir helfen.

Ich freue mich auf eure Antworten ;)

Autor: Axel (Gast)
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Hallo John,
bei Fahrzeugen kenne ich eine Geschwindigkeitsmessung / 
Beschleunigungsmessung mittels Kamera die auf den Asphlat zeigt und die 
Bildänderung erfasst. Dann bist Du langeunabhängig bei der 
Beschleunigung


Axel

Autor: Christian P. (johncoffey)
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An sowas hatte ich auch schon gedacht, allerdings soll der Sensor/ die 
Sensoren mit auf einer Platine integriert werden, die irgendwo im 
Fahrzeug (Lage ist unbekannt) sitzt, also der Installationsaufwand soll 
eigentlich möglichst gering sein. Deshalb kommt wahrscheinlich nur ein 
Beschleunigungssensor in Frage.

Autor: Henry (Gast)
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Das Inclinometer arbeitet doch genau wie das Accelerometer mit einer 
trägen Masse. Ist also kein Unterschied.

Die üblichen Gyroskope können die Drehrate messen. Das System muss also 
mit den Accelerometern auf Absolutwert geeicht werden.

Billige Piezogyros sind extremst temperatursensibel und können nur 
Drehimpulse messen. Gute, wie das MLX90609, halten bis zu mehreren 
Minuten den Winkel.

Autor: Hoch das Glas (Gast)
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@John Coffey,
willkommen bei den Zauberern. Ohne einen Geschwindigkeits sensor geht es 
nicht. Denn nur mit so einem lassen sich Beschleunigung und Neigung 
trennen.

Autor: ... (Gast)
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hat jemand erfahrung mit MEMS - gyros?

Autor: Trafowickler (Gast)
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Beschleunigungsmesser werden in Schüttel-Prüfungen als Istwert-Aufnehmer 
eingesetzt ( "Schütteltische" ).
Es sind cm-grosse Sensoren, oft mit Gewinde zum Einschrauben.

Es handelt sich prinzipiell um eine kleine Masse, die gegen eine Feder 
einen Quarzkristall o.ä. verbiegt, so dass auf ihm Ladungen enstehen. 
Die werden mit Metallfolien abgeleitet und auf einen Ladungsverstärker 
gegeben.
Integriert man dessen Ausgangssignal 2-mal, gewinnt man ein Signal für 
die Geschwindigkeit bzw. für den Weg ( Auslenkung ).

Autor: ... (Gast)
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>Es sind cm-grosse Sensoren, oft mit Gewinde zum Einschrauben.


heute, 15 jahre später, gibt es MEMS beschleunigungsmesser in 
prinfausführung für die platinenmontage in gehäusen bis 3x3mm

ebenso mems gyros

und nach meinem wissen liefert die erste integration der beschleunigung 
die geschwindigkeit, die zweite die strecke...

Autor: Frank B. (frankman)
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erstmal das hier: www. mikrocopter.de


dann weiter zum thema:
Ich würde 2 Beschleunigungssensoren für jede Achse nehmen, die Du mit 
einem Abstand von sagen wir mal 100 mm montierst. Nun kannst du den 
Beschleunigungswert der beiden Sensoren subtrahieren, übrig bleibt der 
Neigungswinkel..

Inklinometer gehen auch, aber da ist der Winkel meist begrenzt.
(+/-30 Grad oder ähnlich)

Gyroskope gehen natürlich auch, aber du bekommst eine Drehrate, bei der 
Du den Drehwinkel durch Integrieren ermitteln mußt.

Autor: Trafowickler (Gast)
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"und nach meinem wissen liefert die erste integration der beschleunigung
die geschwindigkeit, die zweite die strecke..."

Ja, genauso hatte ich es gemeint, ich hatte nur zusammengefasst 
geschrieben:
"Integriert man dessen Ausgangssignal 2-mal, gewinnt man ein Signal für
die Geschwindigkeit bzw. für den Weg ( Auslenkung )."

Autor: Stefan (Gast)
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>Ich würde 2 Beschleunigungssensoren für jede Achse nehmen, die Du mit
>einem Abstand von sagen wir mal 100 mm montierst. Nun kannst du den
>Beschleunigungswert der beiden Sensoren subtrahieren, übrig bleibt der
>Neigungswinkel..
???
Beide Sensoren messen dieselbe Beschleunigung und denselben Winkel... 
Subrahiert man kommt 0 raus!

>Inklinometer gehen auch, aber da ist der Winkel meist begrenzt.
>(+/-30 Grad oder ähnlich)
Die sind doch genauso beschleunigungsempfindlich!

Ich hab's nicht im Detail nachgerechnet, aber folgender Ansatz:
x-Achse in Fahrtrichtung, z-Achse parallel zur Erdbeschleunigung.
Ist Neigungswinkel = 0, misst x nur Beschleunigung in Fahrtrichtung, z 
nur Erdbeschleunigung. Wird Neigungswinkel <> 0 misst jede Achse eine 
Kombination aus Beschleunigung und Erdbeschleunigung (bedingt durch 
Neigungswinkel) mit sin() und cos() verquirrlt.
MathCad sagt, die Lösung dieses Gleichungssystems mit 2 Gleichungen und 
2 Unbekannten (Beschl., Winkel) sei zu groß um angezeigt zu werden... 
aber rein theoretisch müsste man die Gl. lösen können!

Autor: ... (Gast)
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sory trafowickler, hab ich nich richtig gelesen...

Autor: Stefan (Gast)
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So in etwa:
Gleichungssystem mit 2 Gleichungen und 2 Unbekannten (Beschleunigung, 
Neigungswinkel). Auflösen könnte vielleicht etwas schwierig werden... 
;-)
Vielleicht kann man sin und cos durch Polynome annähern...

Autor: ... (Gast)
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ich hatte schon mal nen thread geöffnet, in dem ich nach "schnellen sin, 
cos, arcsin, arccos" fragte (bibliothek, cordic, und reihenetwicklung zu 
langsam, und tabelle zu gross) kennt hier wer noch einen kleinen 
schnellen algorhitmus um diese funktionen anzunähern?

Autor: Stefan Kunz (Gast)
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Zu bedenken ist, dass ein Gegenstand in Ruhe(dazu gehört auch mit einer 
konstanten Geschwindigkeit fortbewegen) keine Beschleunigung erfährt. 
Daher wäre es besser einen seperaten Sensor für die Neigung zu nehmen, 
da die Beschleunigugnsphasen beim Auto ehr kurz sind oder ziemlich 
niedrig sind.

Autor: Stefan Kunz (Gast)
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zu...
innerhalb von 0 bis 3 Degree kannst du sin(x)=tan(x)=x verwenden 
ansonsten bist du wohl oder übel auf Tabellen oder die Reihenentwicklung 
beschränkt.

Autor: Guido Körber (Gast)
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@Stefan (Gast): Das "Rausrechnen" klappt nur dann, wenn die 
Beschleunigung nur in einer Achse wirkt. Bei einem Fahrzeug, das sich um 
mehrere Achsen gleichzeitig bewegen kann und dazu nicht unbedingt 
geradeaus fährt klappt das nicht.

Es ist eine Erfassung von Beschleunigungskräften und Drehraten 
notwendig.

@Stefan Kunz (Gast): In Schwerelosigkeit vielleicht, auf der Erde hat 
man aber die leidige Erdbeschleunigung. Selbst wenn man einen 
Beschleunigungssensor verwendet der nur die Änderung der Beschleunigung 
misst (Funktionsprinzip Geophon) wird das nichts, da auch dann 
Zentripetalkraft nicht von Beschleunigung unterschieden werden kann.

Wenn es mit ein Bischen rechnen getan wäre, dann würden inertiale 
Navigationssysteme schon lange keine Gyros mehr verwenden, da die 
inherent driften und viel Aufwand machen.

Autor: Stefan Kunz (Gast)
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@Guido Körper
vielleicht hab ich mich ein wenig falsch ausgedrückt. Es ging darum, 
dass der Winkel des Fahrzeuges mit hilfe der Beschleunigungen berechnet 
werden sollte. Und dies geht nun mal nicht so einfach, aus den Gründen 
die du genannt hast.

Zur Zentripetalkraft(^^ bin mal erfreut das einer den korrekten 
ausdruckt benutzt) auf der erde ist zu sagen, dass das keine Rolle 
spielt. Wenn du den Sensor einfach irgendwo hinstellst, wird dieser 
keine Beschleunigung messen, da der Sensor auch keine Veränderung seiner 
Position sieht.

In der Universität haben wir mal eine kleine Tauchdrohne damit 
ausgerüstet, um deren Position zu bestimmen, an sich gutes Prinzip, 
leider war der der Sensor zu ungenau.

Autor: Jan (Gast)
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@Stefan Kunz (Gast)

Im Stillstand (gegenüber der Erdoberfläche) mißt der Sensor eben doch 
eine Beschleunigung (siehe auch Datenblatt/App-Notes der Sensoren). Und 
zwar in Höhe von 1 g. Global betrachtet ändert der Sensor ja auch seine 
Position, z.B. durch Erdrotation usw.

Diese Beschleunigung ist auch immer Bestandteil der Messung, je nach 
Lage des Sensors halt verteilt auf die 3 Achsen. Problematisch ist nur 
das "Rausrechnen" dieser statischen Komponente.

Autor: Guido Körber (Gast)
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Ich meinte nicht die Zentripetalkraft durch die Erddrehung, sondern 
durch die Tatsache, dass sich der Sensor nicht immer im Drehpunkt einer 
Bewegung des Fahrzeuges befindet. Die genaue Messung der Bewegungs- und 
Raumdaten mit inertialen Methoden ist nicht einfach und immer einer 
gewissen Drift unterworfen.

Die Kompensation dieser Drift war es ja, die den Start der ersten Ariane 
5 ein kleines Bischen versaut hat: 
http://www.youtube.com/watch?v=wXyHNKU1amk

Autor: Guido Körber (Gast)
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Nachtrag: Die fehlerhafte Software zur Kompensation der Drift war das 
Problem.

Autor: Christian (Gast)
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Gibs eigentlich die möglichkeit mit die Ausgange vom Sensor jeweils 2 
led´s pro achse zu versorgen so das wenn ich den rechts Schwenke eine 
led angeht und wenn ich nach Links eine andere led angeht, das gleiche 
für die 2 achse ?

Autor: Peter Diener (pdiener) Benutzerseite
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>Und zwar habe ich die Aufgabe bekommen die Beschleunigung und den
>Neigungswinkel eines Fahrzeugs in Fahrtrichtung zu bestimmen.

Eine Messung über Beschleunigungen ist nicht möglich. Mathematisch 
schon, numerisch nicht, weil man dazu vektoriell so hoch auflösen 
müsste, dass man auch bereits eine geringe Abweichung in der 
z-Achsbeschleunigung von der Erdbeschleunigung erfassen kann. Das ist 
eigentlich mit keinem bezahlbaren Sensor möglich.

Ich habe genau dieses Problem in einem selbstbalancierendem 2-Rad 
Fahrzeug (Segway).

Der einzig praktikable Weg geht über die zweifache Differentiation des 
Fahrwegs. Diesen kann man ja einfach an den Rädern abgreifen. Die Masse 
und die Beschleunigung des Fahrzeugs kennt man jetzt (also die Masse 
kannte man schon vorher). Zusammen mit einer Drehmomentmessung im 
Antriebsstrang und der Bewegungsdifferentialgleichung ist es kein 
Problem, den Neigungswinkel der Fahrbahn zu bestimmen. Dafür braucht man 
keine einziges Accelerometer.

Grüße,

Peter

Autor: Guido Körber (Gast)
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Und Drehmomentsensoren sind billiger als Beschleunigungssensoren?

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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@Peter:
Wie misst man denn "ganz einfach" das Drehmoment?

Autor: Peter Diener (pdiener) Benutzerseite
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In meinem Fall war das Messen (oder genauer gesagt das Berechnen) des 
Drehmoments nicht so schwierig, ich hab in dem Fahrzeug zwei 
Brushlessmotoren mit Umrichtern, da entspricht das Moment einfach dem 
Strom in der q-Achse der Maschine. Als Antriebsmoment rechne ich den 
Mittelwert der beiden Maschinen.

Bei einem echten Auto (KFZ) steht das Motormoment in der Regel auf einem 
der Bussysteme zur Verfügung. Wenn nicht, kann man es auch über das 
Motorkennfeld ausrechnen, dazu bräuchte man beispielsweise die Drehzahl 
und einen Abgriff der Einspritzzeiten. Das ganze muss man dann nur noch 
einmal auf ebener Strecke mit einem Accelerometer kalibrieren und schon 
hat man wirklich gute Werte für das Drehmoment.

Aber aus eigener Erfahrung kann ich sagen, dass das Verfahren mit 
alleiniger Auswertung der 3-achsigen Beschleunigung und Drehraten in der 
Praxis nicht funktioniert. Es ist extrem anspruchsvoll ein ungebremstes 
Herunterrollen auf einer schiefen Fahrbahn von einfachem Stillstand auf 
der Ebene unterscheiden zu können, da sich die beiden Fälle 
ausschließlich um einem marginalen Betrag in der z-Achs Beschleunigung 
unterscheiden, den man gegenüber der reinen Erdbeschleunigung 
herausrechnen können muss.

Und so wie diese Sensoren rauschen und über die Temperatur driften, kann 
man das einfach nur vergessen.

Grüße,

Peter

Autor: Jan (Gast)
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Buchtip zu dem Thema:

Wendel, Jan
Integrierte Navigationssysteme
Sensordatenfusion, GPS und Inertiale Navigation

Die bisher beste Abhandlung zu dem Thema, welche ich gelesen habe. 
Auszugsweise auch bei Google-Books zu lesen. Das "beste" bezieht sich 
dabei auf die Verständlichkeit im Vergleich zu anderer Literatur. 
Dennoch geht es in dem Buch recht mathematisch zu. Es werden auch 
verschiedene Sensorsysteme und die zeitlich zu erwartende 
Fehlerentwicklung betrachtet.

Als Schlagwort für gängige Suchmaschinen kann man auch mal 
Strapdown-Algorithmus verwenden.

Gruß Jan.

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