Industrietauglich High-Performance-MEMS-Sensoren lassen Drohnen fliegen

Lukas B. demonstriert die Flugkünste seiner neuesten Drohne direkt vor dem Hauptsitz von Bosch Sensortec. (Bild: Bosch Sensortec)

Drohnen übernehmen bereits vielfältige Aufgaben. Und damit ist ihr Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft. Neue Features und optimierte Eigenschaften werden jedoch erst durch High-Performance-MEMS-Sensoren möglich.

Anfangs waren die meisten Drohnen ein relativ simples Spielzeug. Seitdem haben sich ihre Flugeigenschaften stetig verbessert: Sie lassen sich sicherer steuern und können auch in vielen industriellen Bereichen eingesetzt werden. So wächst die Bandbreite ihrer Einsatzgebiete, und immer mehr Nutzer erkennen ihre Vorteile. Inzwischen gibt es unzählige Modelle, die mit unterschiedlicher Größe und Ausstattung für verschiedene Anwendungsbereiche maßgeschneidert sind. Und der Markt für Drohnen verzeichnet ein enormes Wachstum: Yole prognostiziert in seiner Markterhebung „Sensors for Drones & Robots, 2016“ eine Zunahme der Consumer-Drohnen von ca. 6,4 Millionen Stück in 2016 auf bis zu 12 Millionen Stück im Jahr 2020. Hier sind die vielen Spielzeug-Multicopter noch gar nicht mitgezählt. Die höchsten Steigerungsraten erzielen die Drohnen derzeit in China, doch auch in Europa und Amerika erreichen die Absatzzahlen immer neue Höhen.

Herzstück jeder Drohne: MEMS-Sensoren
 
Möglich wird dies alles erst durch die mikroelektromechanischen (MEMS) Sensoren. Sie sind essenzieller Bestandteil jeder Drohne, stellen den stabilen Flug sicher – bei hochwertigen Modellen auch bei Wind – und bestimmen maßgeblich die Fähigkeiten der Drohne. Zum Beispiel sorgt eine leistungsstarke inertiale Messeinheit (inertial measurement unit, IMU) dafür, dass Drohnen sich stabil in der Luft halten und auf Wunsch einen Looping fliegen können. Um auch die absolute Höhe halten zu können, werden die Messdaten des in der IMU integrierten Beschleunigungssensors mit den Messwerten eines präzisen barometrischen Drucksensors verknüpft.

Die Weiterentwicklung der MEMS-Sensoren und der Datenfusion mit dem GPS-Chip ermöglicht auch neue Features für Drohnen, beispielsweise das autonome Fliegen zwischen mehreren Wegpunkten, die „Return to Home“-Funktion, mit der die Drohne selbstständig zu ihrer Startposition zurückkehrt und dort sicher landet, und den „Orbit Mode“, bei dem die Drohne um einen bestimmten Punkt kreist. So entstehen neuartige Benutzererlebnisse und zuverlässigere Drohnen für den professionellen Einsatz.

Rutronik hat mit Bosch Sensortec einen der Weltmarktführer für MEMS-Sensoren im Portfolio, der speziell auf die Anforderungen von Drohnen abgestimmte Sensoren entwickelt hat. Sie liefern ausgezeichnete Signale mit extrem geringer Ausgangssignaldrift auch bei schwankenden Temperaturen. Basis hierfür ist die fortschrittliche MEMS-Technologie und das Know-how aus der Automobiltechnik.

All-in-One-Lösung
 
Eine weitere, schlüsselfertige Lösung, die das Design erheblich vereinfacht und die Komponentenanzahl und die Komponentenkosten deutlich reduziert, ist der BMF055. Der neunachsige, programmierbare Bewegungs- und Orientierungssensor kombiniert drei Sensoren und einen Mikrocontroller in einem Gehäuse. Das System in Package (SiP) integriert einen triaxialen 14-Bit-Beschleunigungssensor, ein triaxiales 16-Bit-Gyroskop mit ± 2000 °/s sowie einen triaxialen geomagnetischen Sensor. Die Sensoren bieten eine außergewöhnliche Offset-Stabilität und hohe Robustheit gegenüber Vibrationen und machen den BMF055 damit bestens geeignet für den Einsatz in Multicoptern. Der integrierte 32-Bit-Cortex-M0+-Mikrocontroller von Atmel stellt die komplette Regelungssoftware inklusive Sensorauswertung bereit, mit der sich z.B. bis zu vier Motoren mittels PWM-Signalen (Pulsweitenmodulation) steuern lassen. Dabei misst der BMF055 lediglich 5,2 x 3,8 x 1,1 mm und ist damit erheblich kleiner als vergleichbare diskrete oder System-on-Board-Lösungen.