Motivation

Die Exploration von unbekannten Gebieten, sei es auf der Erde oder in der Raumfahrt, beinhaltet vielfältige Forschungsgebiete. Eines der spannendsten Themen ist hierbei die Suche nach Leben oder Lebensräumen. Sie erfolgte – mit Ausnahme der amerikanischen Mondmissionen – bisher nur mit Raumsonden und teilautonom agierenden Erkundungsfahrzeugen, wie den beiden Mars-Rovern „Spirit“ und „Opportunity“ der NASA. Die letztgenannten, autonomen und teilautonomen Fahrzeuge ermöglichen es Bereiche zu erkunden, zu denen großes schweres Gerät keinen Zugang hat und aus Gründen der Distanz und der Umweltbedingungen kein Mensch mitreisen kann. Der Bereich der teilautonomen Exploration beinhaltet die robotergestützte Bodenerkundung und die autonome Flugerkundung einschließlich miniaturisierter Flugobjekte als Schwarmteilnehmer. Um diesen eine präzise und zuverlässige Entscheidungsbasis für ihre Navigation zu geben, werden die Ortungsmethoden derzeit in unterschiedlichen Forschungsvorhaben optimiert.

Für eine Vielzahl der Ortungsanwendungen ist die Inertialnavigation ein unverzichtbarer Bestandteil, da sie zuverlässig, robust gegen Störungen und in der Lage ist, den vollständigen Bewegungszustandsvektor zu liefern. Dies findet Anwendung in der Positionsbestimmung von Flugzeugen, Fahrzeugen und Schiffen aber auch von Satelliten, autonomen Robotern, in der personengebundenen Navigation und in vielen anderen Anwendungen. Eine Inertialnavigationseinheit besteht in der Regel aus drei Kreiseln und drei Beschleunigungsmessern. Die Kreisel dienen dazu die Drehraten zu messen und mit diesen durch Integration die Lagewinkel zu bestimmen. Durch die Integration akkumulieren sich die Messfehler der Drehraten über der Zeit linear in den Lagewinkeln. Ein Messfehler in der Beschleunigungsmessung wirkt sich außerdem bei der zweifachen Integration  zu der Position kubisch aus. Die Verfügbarkeit leistungsfähiger Kreisel und Beschleunigungsmesser ist entsprechend ein kritischer Faktor für eine Vielzahl von Anwendungen und Technologien.

Bekannte Anwendungen der autonomen Exploration aber auch mögliche Anwendungen in der sonstigen Luftfahrt stellen ähnliche Anforderungen an eine Verbesserung der Kreiselsysteme:

  • Gewichtsreduktion
  • Größenreduktion
  • Genauigkeitsverbesserung
  • Zuverlässigkeits-/Stabilitätsverbesserung
  • Verbesserung der Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen

 

Die heute üblichen Kreisel können unter anderem anhand des physikalischen Wirkprinzips unterschieden werden:

  • Mechanische Kreisel
  • Ringlaser Kreisel (RLG)
  • Faseroptische Kreisel (FOG)
  • Vibrierende Stimmgabeln (Coriolis Kreisel)

 

Die Genauigkeiten, die mit diesen Wirkprinzipien erreicht werden, nehmen dabei entsprechend der aufgelisteten Reihenfolge, beginnend mit den sehr genauen mechanischen- und Ringlaser-Kreiseln und endend mit den vergleichsweise ungenauen vibrierenden Stimmgabeln, ab. Allerdings nimmt die Baugröße entlang derselben Reihenfolge ab. Während die mechanischen und Ringlaser-Kreisel besonders schwer ausgeführt werden, sind die vibrierenden Stimmgabeln das einzige Wirkprinzip, das bisher erfolgreich in Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) realisiert wird. Die geringere Genauigkeit der MEMS Coriolis-Sensoren reicht allerdings für viele Anwendungen nicht aus. Mechanische Kreisel sind andererseits sehr anfällig und schwer und können nicht beliebig miniaturisiert werden, da das rotatorische Massenträgheitsmoment ausgenutzt wird. Faseroptische Kreisel benötigen hohe Wicklungszahlen um hohe Genauigkeiten zu erreichen, und es können keine beliebig kleinen Biegeradien realisiert werden. Folglich sind sowohl Ringlaserkreisel, wie mechanische Kreisel, bislang schwer und groß. Es gibt damit momentan keine geeignete verfügbare Technologie für leichte, kleine und gleichzeitig hochpräzise Kreisel.

Schematischer Aufbau eines optischen Gyroskops

 

Arbeiten am IMT

Das in der von April 2011 bis August 2012 durchgeführten und vom BMWI geförderten Konzeptuntersuchung entwickelte, neue Sensorkonzept eines MEMS-RLG erfüllt aber die bisher widerstrebenden Forderungen nach Präzision und Miniaturisierbarkeit sehr gut und ergäbe bei einer praktischen Umsetzung einen Kreisel, der im Vergleich zu bestehenden Systemen die notwendigen Verbesserungen erreichen kann. Dafür wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen mikrooptischen Komponenten durchgeführt. Einige dieser Komponenten, wie Näherungskoppler, Y-Teiler und Ringresonatoren sind in den Abbildungen zu sehen.

Näherungskoppler aus SU-8
               
Untersuchung von Y-Teilern
               
Ringresonatoren aus SU-8

Im Oktober 2012 startete das Anschlussprojekt zur Umsetzung des entwickelten Sensorkonzepts am Institut für Mikrotechnik. Auch dieses Vorhaben wurde vom BMWI gefördert und vom DLR in Bonn betreut.

Motivation

Die Exploration von unbekannten Gebieten, sei es auf der Erde oder in der Raumfahrt, beinhaltet vielfältige Forschungsgebiete. Eines der spannendsten Themen ist hierbei die Suche nach Leben oder Lebensräumen. Sie erfolgte – mit Ausnahme der amerikanischen Mondmissionen – bisher nur mit Raumsonden und teilautonom agierenden Erkundungsfahrzeugen, wie den beiden Mars-Rovern „Spirit“ und „Opportunity“ der NASA. Die letztgenannten, autonomen und teilautonomen Fahrzeuge ermöglichen es Bereiche zu erkunden, zu denen großes schweres Gerät keinen Zugang hat und aus Gründen der Distanz und der Umweltbedingungen kein Mensch mitreisen kann. Der Bereich der teilautonomen Exploration beinhaltet die robotergestützte Bodenerkundung und die autonome Flugerkundung einschließlich miniaturisierter Flugobjekte als Schwarmteilnehmer. Um diesen eine präzise und zuverlässige Entscheidungsbasis für ihre Navigation zu geben, werden die Ortungsmethoden derzeit in unterschiedlichen Forschungsvorhaben optimiert.

Für eine Vielzahl der Ortungsanwendungen ist die Inertialnavigation ein unverzichtbarer Bestandteil, da sie zuverlässig, robust gegen Störungen und in der Lage ist, den vollständigen Bewegungszustandsvektor zu liefern. Dies findet Anwendung in der Positionsbestimmung von Flugzeugen, Fahrzeugen und Schiffen aber auch von Satelliten, autonomen Robotern, in der personengebundenen Navigation und in vielen anderen Anwendungen. Eine Inertialnavigationseinheit besteht in der Regel aus drei Kreiseln und drei Beschleunigungsmessern. Die Kreisel dienen dazu die Drehraten zu messen und mit diesen durch Integration die Lagewinkel zu bestimmen. Durch die Integration akkumulieren sich die Messfehler der Drehraten über der Zeit linear in den Lagewinkeln. Ein Messfehler in der Beschleunigungsmessung wirkt sich außerdem bei der zweifachen Integration  zu der Position kubisch aus. Die Verfügbarkeit leistungsfähiger Kreisel und Beschleunigungsmesser ist entsprechend ein kritischer Faktor für eine Vielzahl von Anwendungen und Technologien.

Bekannte Anwendungen der autonomen Exploration aber auch mögliche Anwendungen in der sonstigen Luftfahrt stellen ähnliche Anforderungen an eine Verbesserung der Kreiselsysteme:

  • Gewichtsreduktion
  • Größenreduktion
  • Genauigkeitsverbesserung
  • Zuverlässigkeits-/Stabilitätsverbesserung
  • Verbesserung der Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen

 

Die heute üblichen Kreisel können unter anderem anhand des physikalischen Wirkprinzips unterschieden werden:

  • Mechanische Kreisel
  • Ringlaser Kreisel (RLG)
  • Faseroptische Kreisel (FOG)
  • Vibrierende Stimmgabeln (Coriolis Kreisel)

 

Die Genauigkeiten, die mit diesen Wirkprinzipien erreicht werden, nehmen dabei entsprechend der aufgelisteten Reihenfolge, beginnend mit den sehr genauen mechanischen- und Ringlaser-Kreiseln und endend mit den vergleichsweise ungenauen vibrierenden Stimmgabeln, ab. Allerdings nimmt die Baugröße entlang derselben Reihenfolge ab. Während die mechanischen und Ringlaser-Kreisel besonders schwer ausgeführt werden, sind die vibrierenden Stimmgabeln das einzige Wirkprinzip, das bisher erfolgreich in Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) realisiert wird. Die geringere Genauigkeit der MEMS Coriolis-Sensoren reicht allerdings für viele Anwendungen nicht aus. Mechanische Kreisel sind andererseits sehr anfällig und schwer und können nicht beliebig miniaturisiert werden, da das rotatorische Massenträgheitsmoment ausgenutzt wird. Faseroptische Kreisel benötigen hohe Wicklungszahlen um hohe Genauigkeiten zu erreichen, und es können keine beliebig kleinen Biegeradien realisiert werden. Folglich sind sowohl Ringlaserkreisel, wie mechanische Kreisel, bislang schwer und groß. Es gibt damit momentan keine geeignete verfügbare Technologie für leichte, kleine und gleichzeitig hochpräzise Kreisel.

Schematischer Aufbau eines optischen Gyroskops

 

Arbeiten am IMT

Das in der von April 2011 bis August 2012 durchgeführten und vom BMWI geförderten Konzeptuntersuchung entwickelte, neue Sensorkonzept eines MEMS-RLG erfüllt aber die bisher widerstrebenden Forderungen nach Präzision und Miniaturisierbarkeit sehr gut und ergäbe bei einer praktischen Umsetzung einen Kreisel, der im Vergleich zu bestehenden Systemen die notwendigen Verbesserungen erreichen kann. Dafür wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen mikrooptischen Komponenten durchgeführt. Einige dieser Komponenten, wie Näherungskoppler, Y-Teiler und Ringresonatoren sind in den Abbildungen zu sehen.

Näherungskoppler aus SU-8
               
Untersuchung von Y-Teilern