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MEMS und ihre Anwendungen in der Geodäsie und Navigation

MEMS und ihre Anwendungen in der Geodäsie und Navigation
Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat dazu geführt, dass sich MEMS-Inertialsensoren (Micro-Electro-Mechanical-System) heutzutage als Massenprodukte für zahlreiche Anwendungen etabliert haben. Anwendungen von MEMS sind im Automobilbereich in Form von z.B. Airbagsystemen und ESP Steuergeräten zu finden. Weitere Anwendungen liegen unter anderem in den Bereichen der Konsumelektronik (Bildstabilisierung von Kameras, Mobilfunkgeräte, Spielekonsolen, etc.), der Medizintechnik, der Telekommunikation und der IT-Branche (vgl. Wild-Pfeiffer & Schäfer, 2011).
MEMS-Inertialsensoren haben sehr kleine Abmessungen (vgl. Abbildung 1) und Gewichte sowie einen sehr niedrigen Stromverbrauch. Mit diesen Eigenschaften bieten sie neue Möglichkeiten zum Einsatz der Trägheitsnavigationstechnologie wie z.B. im Bereich der Fahrzeug- und Personennavigation, zur Stabilisierung und Regelung von unbemannten Flugzeugen, zur Grobhorizontierung von Vermessungsgeräten und zur Unterstützung der Georeferenzierung bei photogrammetrischen Aufnahmen. Außerdem werden MEMS-Inertialsensoren für „Augmented Reality“ (AR)-Anwendungen und die gleichzeitige Ortung und Kartierung verwendet.


Mems-Vergleich

Abbildung 1: Größe der low-cost MEMS-Inertialsensoren im Vergleich mit einem Metermaß.



Das Institut für Navigation hat neben dem Betrieb und der Datenerfassung mit kommerziellen Integrierten Navigationssystemen auch Erfahrungen mit dem Betrieb von MEMS-Sensoren und deren Verarbeitung zu experimentellen Messeinheiten und Prototypen. Die hierfür nötigen Erfahrungen in der Datenverarbeitung bzw. in der der Algorithmenentwicklung werden kontinuierlich weiterentwickelt. Die eingesetzten Systeme und Sensoren umfassen ein weites Feld (siehe Abbildung 2).


Auswahl Systeme

Abbildung 2: Auswahl verschiedener Inertialnavigationssysteme und Sensoren.



Die aktuellen Forschungsschwerpunkte sind (Stand: Oktober  2013):
  • Personengebunde Innenraumpositionierung (vgl. Abbildung 3) (Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Bernhardt Schäfer)


    Auswahl Systeme

    Abbildung 3: Personennavigation.




  • Kalibrierung und Integration von MEMS-Inertialsensoren (vgl. Abbildung 4)


    Auswahl Systeme

    Abbildung 4: Zwei ISAs des Instituts für Navigation (silbern) und die IMU LN200 (schwarz).



  • Stützung der GNSS-Tracking loop mittels MEMS (Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Michael Gäb)
  • Integration von low-cost IMUs mit DGPS



Publikationen/Vorträge (ab 2009):

2009
  • Kleusberg, A., Schäfer, B., Xue, W., Fang, X. (2009) Aktivitätserfassung und Navigation. Vortrag beim Symposium Körperlich-sportliche Aktivitäten erfassen: Ambulantes Assessment in der Sportwissenschaft, Institut für Sportwissenschaften, Universität Stuttgart, 14.10.2009.
2010
  • Gäb, M., Kleusberg, A. (2010) Improved tracking of the GNSS signals by coupling with MEMS for land vehicle navigation. Vortrag und Veröffentlichung im Rahmen der Europäischen Navigationskonferenz (ENC 2010), Braunschweig, 19. - 21.10.2010.
  • Schäfer, B., Wild-Pfeiffer, F., Xue, W. (2010) Erfassung von Bewegungszuständen mittels MEMS-Sensoren. Vortrag im Rahmen der Geodätischen Woche 2010, Köln, 05.-07.10.2010.
2011
  • Reinhold, A., Xue, W., Wild-Pfeiffer, F., Pfeiffer, R. (2011) Untersuchung der Lage- und Orientierungsgenauigkeit von MEMS-Inertialsensoren hinsichtlich der Integration in einen handgeführten 3D-Scanner. Poster im Rahmen der Geodätischen Woche 2011, Nürnberg, 27.- 29.09.2011.
  • Schäfer, B. (2011) Determination of heading information from gait cycle pattern using stride length estimation with reduced IMUs on right and left foot. Vortrag und Veröffentlichung im Rahmen der International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN 2011), Guimarães, Portugal, 21.-23.09.2011.l
  • Schäfer, B., Ellmer, M., Zechmann, H. (2011) Kinematische Positionierung eines Rennwagens mit Low-Cost GPS – Aufbau des Systems und Validierung erster Ergebnisse. Poster im Rahmen der Geodätischen Woche 2011, Nürnberg, 27.-29. 09. 2011.
  • Schäfer, B., Wild-Pfeiffer, F., Xue, W., Becker, C., Lindemann, U. (2011). Applications of body-mounted MEMS inertial sensors. Vortrag im Rahmen der IUGG 2011, Melbourne, 28.06.- 07.07.2011.
  • Wild-Pfeiffer, F., Schäfer, B. (2011) MEMS-Sensoren, auch für die Geodäsie. Zeitschrift für Vermessungswesen, 136 (1/2011), S. 30-39.
  • Wild-Pfeiffer, F. (2011) Grundlagen zur Erfassung körperlicher Aktivität mittels MEMS-Sensoren. Vortrag im Rahmen des Colloquiums des Masterstudiengangs Sportwissenschaft: Gesundheitsförderung, 10.03.2011, Stuttgart.
2012
  • Miraliakbari, A., Schäfer, B., Hahn, M. (2012) A brief Note on a GPS-aided IMU Drive through Stuttgart. In: Behr, F.-J.; Rahman, A. A.; Zimmermann, M.; Pradeepkumar, A. P. (eds.): Geoinformation - Catalyst for planning, development and good governance. Applied Geoinformatics for Society and Environment, Vol. 1 (2012), Karlsruhe, Germany, pp. 17-24, ISBN 978-3-943321-06-7.
  • Schäfer, B., Miraliakbari, A., Hahn, M. (2012) Vergleich von geschätzten und gerechneten Genauigkeiten verschiedener INS Systeme. Poster im Rahmen der Geodätischen Woche 2012, Hannover, 09.-11.10.2012.
  • Peter, M., Fritsch, D., Schäfer, B., Kleusberg, A., Bitsch Link, J. Á., Wehrle, K. (2012) Versatile Geo-referenced Maps for Indoor Navigation of Pedestrians. Vortrag und Veröffentlichung im Rahmen der International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN 2012), Sydney, Australia, 13.-15. 11. 2012
2013
  • Gäb, M. (2013) GNSS-Empfängertechnologie - Der Trend zum Software GNSS Empfänger Vortrag im Rahmen des DVW- GNSS 2013 Seminars – Schneller, Genauer, Effizienter, 15.03.2013, Karlsruhe.
  • Wild-Pfeiffer, F. (2013) MEMS-Sensoren und ihre Anwendungen in der Geodäsie und Navigation. Vortrag im Rahmen des Geodätischen Kolloquiums der HCU-Geomatik, 31.01.2013, Hamburg.
  • Gäb, M., Wehr, A. (2013) Stress testing of the GNSS tracking loop for land vehicle navigation. Vortrag im Rahmen der ENC, 23.04.2013, Wien.



Studien- und Diplomarbeiten:
(siehe http://www.nav.uni-stuttgart.de/navigation/lehre/arbeiten/ )


Vorträge Externer:

14.01.2011: MEMS Sensoren in mobilen Anwendungen – vom Auto zum Handy; Dr. Gerhard Lammel (Bosch Sensortec GmbH). Vortrag im Rahmen des Geodätischen Kolloquiums.

07.02.2012: Wikipedia für Karten und Navigation - OpenStreetMap; Dipl.-Inform. Jó Agila Bitsch Link (Communication and Distributed Systems, RWTH Aachen). Vortrag im Rahmen der Lehrveranstaltung "Einführung in die Geodäsie und Geoinformatik".

24.01.2013: Bio-inspirierte Navigationsstrategien in der Robotik; Prof. Dr. sc. nat. Verena V. Hafner (Institut für Informatik, Humboldt-Universität zu Berlin). Vortrag im Rahmen der Lehrveranstaltungen "Einführung in die Geodäsie und Geoinformatik" und "Dynamische Systeme".

12.02.2015: Mikromechanische (MEMS) Sensoren: Technologie, Anwendungen und Trends im Automobil- und Consumerbereich ; Dr. A. Stötzler ( Robert Bosch GmbH, Automotive Electronics/Productmanagement
Sensors ). Vortrag im Rahmen der Lehrveranstaltungen "Einführung in die Geodäsie und Geoinformatik".