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Sensor-Box IMU mit AHRS

Projekt Sensor Box Icon Gyroskop Sensor IMU

Gyroskop und Beschleunigungs-
sensor

Die Sensor-Box erfasst stetig die Drehgeschwindigkeiten sowie den Gravitationsvektor und errechnet daraus ihre Lage im 3D-Raum. Auf Knopfdruck werden die erfassten Prozessdaten gespeichert und per WLAN an eine Anlagensteuerung übertragen. 

Sensor-Box IMU zur Dekontaminierung - Ingenieur Glaser
Projekt Sensor Box Icon Zeichen Warnung Atom Radioaktiv Nuklear

Das Einsatzgebiet

Die Sensor-Box wurde für das gemeinsame Forschungsprojekt der RWE Nuclear und das Fraunhofer IGD entwickelt. Eingesetzt wird der Sensor in einer Anlage, die mit einem Industrieroboter radioaktiv kontaminierte Anlagenteile von Kernkraftwerken dekontaminiert. 

Projekt Sensor Box IMU alle Komponenten mit Zwinge

Die Sensor-Box wird während des Prozesses an das zu säubernde Anlagenteil angebracht und erfasst zwischen aufeinanderfolgenden Reinigungsprozessen dessen Verdrehung im 3D-Raum. So wird sichergestellt, dass die zu säubernden Objekte von allen Seiten vollflächig mit einem Hochdruckstrahl gereinigt werden. 

Projekt Sensor Box RWE Nuclear Frauenhofer IGD Projekt ROBBE Roboter

Robuste Hardware

Die Sensor-Box wurde mit der Schutzklasse IP66 für die rauen Umgebungsbedingungen der Dekontaminierungskabine ausgelegt. 

Projekt Sensor Box IMU Produktfoto Box
Projekt Sensor Box IMU Produktfoto Box Deckel

Schnelle Ladestation

Durch die induktive Qi-Ladestation ist die Sensor-Box kontaktfrei und immer einsatzfähig. 

Projekt Sensor Box IMU Box in Ladeschale
Projekt Sensor Box IMU Induktive Qi Ladestation Spule freigestellt

Kompakte Bauform

Als Energiespeicher dienen langlebige Gold Caps, die sehr platzsparend untergebracht wurden. In den Freiräumen zwischen den Zellen findet die Elektronik Platz. 

Projekt Sensor Box IMU Elektronik Kondensatoren in Box
Projekt Sensor Box IMU Elektronik Kondensatoren

Leistungsstarke Elektronik

In der kleinen Box wurden die Gold Caps, das Qi Modul, der Laderegler, die DC/DC-Wandler, der Taster, zwei LED-Strips, sowie das Gyroskop mit Beschleunigungssensor und ein digitaler Kompass untergebracht. Das Herzstück der Box ist ein ESP32, das mit einer Taktfrequenz von 240MHz ausreichend Rechenleistung zur Verfügung stellt. 

Projekt Sensor Box IMU Elektronik Steckboard
Projekt Sensor Box IMU Elektronik Oszilloskop

Raumfahrttechnologie

Bereits 1969 wurde für die Apollo-Mission zum ersten Mal das Kalman-Filter zur Bestimmung der Raumlage der Rakete implementiert. Auch in unserem Projekt kommt ein AHRS (Attitude Heading Reference System) mit einem Kalman-Filter zum Einsatz, um die Vorteile von Gyroskop und Beschleunigungssensor zu vereinen und eine möglichst präzise Bestimmung der absoluten Raumlage zu ermöglichen. 

Projekt Sensor Box IMU AHRS Rotationsmatrix Quaternion Kalman Filter
Projekt Sensor Box IMU AHRS Rotationsmatrix Quaternion

Hardwarenahe Software

Die Software wurde mit der Entwicklungsumgebung Visual Studio Code in der hardwarenahen Programmiersprache C++ geschrieben. Mithilfe von Interrupts und Einsatz des Echtzeitbetriebssystems FreeRTOS werden die rechenaufwendigen und sehr zeitkritischen Prozesse auf mehrere CPU-Kerne aufgeteilt. Eigene Funktionen für das Rechnen mit Transformationsmatrizen und Quaternionen sparen Rechenleistung und somit Energie.

Projekt Sensor Box IMU Visual Studio Code C plus plus Screenshot
Projekt Sensor Box IMU Serial Port Hterm Konsole ASCII

Präzise Fertigung

Die robusten Euromas-Gehäuse aus Polycarbonat wurden mit einer CNC-Fräse bearbeitet und das Magazin der Gold Caps mit einem 3D-Drucker aus PLA gedruckt. 

Projekt Sensor Box IMU Fertigung CNC Fräse Box
Projekt Sensor Box IMU Fertigung 3D Drucker Inlay

Innovatives Konzept

Wireless Charging statt Kontakte. Gold Cap statt Li-Ion. Vergießen statt verschleißen. Die Kombination der Vorteile aus additiver und subtraktiver Fertigungstechniken. Ein gutes Konzept in enger Absprache mit dem Kunden.

Projekt Sensor Box IMU CAD 3D Zeichnung komplett
Projekt Sensor Box IMU CAD 3D Zeichnung nah

Aus einer Hand

Aufgrund der kurzen Kommunikationswege verging von der Angebotserstellung bis zur Fertigstellung der Sensor-Box weniger als ein Monat. Die Entwicklung, Konstruktion, Programmierung und Fertigung wurden nahezu zeitgleich und ohne zusätzliche Schnittstellen durch weitere externe Dienstleister umgesetzt.

Projekt Sensor Box IMU Fertigung Winkelschleifer Funken Johannes Glaser
Projekt Sensor Box IMU Programmieren Johannes Glaser

Leidenschaft zum Detail

In der Ladeschale signalisiert rote und grünes Licht den aktuellen Ladezustand. Hierbei füllt sich das Fenster der Box. 

In der Ladeschale füllt sich das Fenster der Box nach aktuellem Ladezustand von unten nach oben mit grünem Licht und verdrängt das rote. In Betrieb und während der Referenzroutine pulsieren die RGB-LEDs in der gerade dominierenden Achsfarbe.

Projekt Sensor Box IMU alle Komponenten LED bunt

DANKE!

Das Ingenieurbüro Glaser bedankt sich für die hervorragende Zusammenarbeit bei den Auftraggebern:

 TSE Wassmann

RWE Nuclear GmbH

Fraunhofer IGD

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