Mobility 1/2022

MOBILE SENSORIK

MOBILE SENSORIK 6-ACHS-BEWEGUNGSERFASSUNG DYNAMISCH MIT POWER-IMU Mobile Power-Maschinen werden immer autonomer und vernetzter. Durch die gestiegene Zahl an Sensoren, Aktoren und Daten ist die Steuerungstechnik aufwändiger. Geräte mit erweiterten Fähigkeiten sind daher gefragt. Das Unternehmen Gemac aus Chemnitz hat eine Messeinheit entwickelt, die 6-Achs-Bewegungserfassung an mobilen Maschinen in harschen Umgebungen ermöglicht. Mit dem Gemac Motus, einer der ersten Power-IMU für Mobile Power-Maschinen, wurde eine für unterschiedlichste Einsatzgebiete konfigurierbare Sensormesseinheit entwickelt. Sie ermöglicht eine 6-Achs-Bewegungserfassung an mobilen Maschinen wie Bau-, Land- und Forstmaschinen, Kran- sowie Hebetechnik und auch bei Schiffen. HSM (Hohenloher Spezialmaschinenbau), langjähriger Partner von Gemac, setzt den Gemac Motus zum Beispiel bereits erfolgreich in seiner Forstmaschine Harvester 405H ein. Hier müssen die Sensoren mit sehr widrigen Umständen zurechtkommen wie starken Temperaturschwankungen, Nässe, Vibrationen und erheblicher Verschmutzung durch Dreck und Öle. „Die Entscheidung für Gemac fiel durch die lange zuverlässige Zusammenarbeit, die gute Betreuung, die große Flexibilität in der Sensorkonfiguration und den Spannungsausgang“, erläutert Max Skibbe, Entwicklungsingenieur bei HSM und ergänzt „die gesteckten Ziele sind voll erreicht. Es kommt zu einer sehr guten Kompensation der Fahrzeugbeschleunigungen und die Automatikfunktionen können sehr präzise und schnell arbeiten. Der Komfort für den Fahrer wurde merklich gesteigert und die Maschinenproduktion erhöht. Das Konfigurationstool eröffnet sehr gut Möglichkeiten, den Sensor kennenzulernen und zu konfigurieren“. Nach der Prototypenapplikation des Gemac Motus wird der Einsatzbereich demnächst auf den Forwarder 208F und die Rückschlepper 805/904 erweitert. Der neue Gemac Motus Blackline im Kunststoffgehäuse (erhältlich ab 2023) wird über vergleichbare technische Eigenschaften wie der Motus verfügen. Die hochpräzise Messung der statischen (± 0,1 bis ± 0,3 Grad) und dynamischen (bis ± 0,5 Grad) Genauigkeit sowie die Erhöhung der Messgeschwindigkeit durch Berechnungen in der Messeinheit sind zwei der verbesserten Eigenschaften. Weiterhin lässt sich die Anbaulage sowie die Achsen für die Neigungsausgabe automatisch und individuell konfigurieren. Eine flexible Nullpunkteinstellung und präzise Berechnung aller Winkelformate nennt der Hersteller als weitere Pluspunkte. Der bei Gemac selbstentwickelte Sensorfusionsalgorithmus für die hochgenaue Orientierungsberechnung ist durch Optimierungen noch robuster geworden und lässt sich individuell konfigurieren. Das neue Gerät wird es in drei Grundtypen in verschiedenen technischen Ausprägungen geben: 1. Erfassung statischer sowie dynamischer Neigung, Beschleunigung und Drehrate, 2. Erfassung statischer sowie dynamischer Neigung und 3. Erfassung statischer Neigung. WEITERENTWICKELT Die Produktlinie Gemac Motus Greenline wird als Low-Cost- Variante mit geringerer Genauigkeit zukünftig das Sensorportfolio abrunden und mittelfristig die bisherige Economicline ersetzen. Bei einer Genauigkeit von ± 0,5 Grad stehen vor allem Größe und Flexibilität des Sensors im Vordergrund. Im kompakten Kunststoffgehäuse und im schlankeren Design ermöglicht Greenline den flexiblen Anbau des Sensors an der mobilen Maschine mit Hilfe einer variablen, anwenderspezifischen Montageplatte sowie Lochmuster. 38 MOBILITY 2022

Alle Produktlinien sind für fünf verschiedene Schnittstellen verfügbar: mit den analogen Interfaces Strom und Spannung und den digitalen Schnittstellen CAN, CANopen sowie SAE J1939. Auf Wunsch sind Blackline und Greenline zudem für anwendungsspezifische Projekte auch in verschiedenen Farben verfügbar. EXKURS SENSORFUSIONSFILTER Der bisherige Algorithmus wird mit einem speziell auf die Bewegungserfassung optimierten Kalman Filter kombiniert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kalman Filtern ermöglicht der von Gemac entwickelte Enhanced Kalman Filter die Korrektur nichtlinearer Störgrößen, wie sie bei der Bewegungserfassung typischerweise vorkommen. Daraus resultiert eine noch bessere Dämpfung von externen Beschleunigungen oder Vibrationen. Ebenfalls neu ist die automatische Adaption der Filterparameter entsprechend dem Bewegungszustand des Sensors. Der erkennt seine aktuelle Lage sowie die Art seiner Bewegung und passt den Sensorfusionsfilter eigenständig an. Störungen wie Schläge oder ruckartige Drehungen werden schnell erkannt und vom Sensor DER FILTER KORRIGIERT NICHT- LINEARE STÖRGRÖSSEN DIE TYPISCHERWEISE VORKOMMEN kompensiert. Eine verbesserte Offsetkorrektur des Gyroskops ermöglicht eine reduzierte Drift der Ausgabedaten. Der Sensor liefert so auch bei sehr dynamischen Anwendungen und dauerhafter Bewegung einer mobilen Maschine noch zuverlässigere Werte und führt zu einer verbesserten dynamischen Genauigkeit – auch bei Temperaturänderungen. Durch den robusteren Sensorfusionsfilter funktioniert der Algorithmus unter allen Bedingungen noch präziser und muss nicht mehr aufwändig konfiguriert werden. Mehr Benutzerfreundlichkeit wird zusätzlich durch Vereinfachungen der Sensorkonfiguration erreicht. Dennoch besitzt der Sensor einen erweiterten Expertenmodus, der weitere individuelle Konfigurationen ermöglicht, zum Beispiel die Deaktivierung der Filterdynamik (adaptive Dämpfung) und die manuelle Einstellung des Dämpfungsfaktors. Erfolgreiche Nutzung des Sensors bei einem Harvester 405H GEZIELT ÜBERWACHEN Bereits in der Entwicklungsphase einer neuen Maschine spielt die Messung der Busphysik eine entscheidende Rolle. Gematec hat mit IFD Intensive Fieldbus Diagnostic einen eigenständigen Produktbereich, der Ingenieuren und Technikern hilft, einen stabileren CAN-Bus zu entwickeln, mögliche Schwachstellen zu erkennen und diese zu vermeiden. So kann entschieden werden, ob zum Beispiel eine andere Topologie zu einer Verbesserung der Signalqualität führt oder ob eine Einsparung negative Auswirkungen hat. Durch gezielte Messungen vor und nach einer Veränderung lässt sich der beste Kompromiss zwischen Aufwand und Nutzen finden. Die Folge einer solchen Vorgehensweise sind stabile CAN-basierte Feldbusse, die auch mit erhöhten Buslasten sicher arbeiten. Gemac hat Intensive Fieldbus Diagnostic Messgeräte selbst entwickelt (und fertigt diese auch), welche sowohl stationäre als auch mobile Arbeitsmaschinen gezielt überwachen und über den gesamten Lebenszyklus hinweg eine hohe Ausfallsicherheit und Langzeitstabilität ermöglichen können. Neben einer Kostenminimierung bietet der Einsatz der Diagnoselösungen zudem einen geringeren Wartungsbedarf bei optimaler Funktionalität. Bilder: Gemac www.gemac-chemnitz.de AUTOR Thomas Kießling, Head of Sales, GEMAC CHEMNITZ GMBH, Chemnitz MOBILITY 2022 39