Untertägiger Einsatz von Inertialsensoren zur Positions- und Orientierungsbestimmung

Abstract

Durch die Verfügbarkeit globaler Satelliten-Navigationssysteme (wie GPS oder Gallileo) – ist die präzise, auf wenige Zentimeter genaue, Positionsdatenbestimmung zu einer alltäglichen Selbstverständlichkeit geworden, die Nutzerinnen und Nutzern in Fahrzeugen und auf Mobilgeräten uneingeschränkt und jederzeit zur Verfügung steht. Voraussetzung ist eine stabile Verbindung zu den eingesetzten Satelliten. Wo diese nicht gegeben ist – insbesondere im Bergbau unter Tage oder unter Wasser – entfällt diese Möglichkeit der Positionsdatenbestimmung. Für den Einsatz semi- oder vollautonomer Bergbaumaschinen sowie von Arbeitsgeräten ist die sichere Kenntnis der Position in Echtzeit erforderlich. Als Alternative bieten sich hier Inertialsensoren – wie Beschleunigungs- oder Drehratensensoren – an. Um mit diesen die aktuelle Position eines Gerätes bestimmen zu können, müssen Lage und Ausrichtung im dreidimensionalen Raum bestimmt und definiert werden. Während Roll- und Nickwinkel (Drehungen um die x- bzw. y-Achse) mittels Beschleunigungssensoren ermittelt werden können, unterliegen die Messung des Gierwinkels (Drehung um die z-Achse) der Schwerebeschleunigung, die das Messergebnis verfälscht. Hinzu kommt, dass eine ideale Ausrichtung entlang definierter rechtwinklig zueinanderstehender Koordinaten nicht gegeben ist. Mittels Drehratensensoren, die unabhängig vom Schwerefeld der Erde messen, können die Eulerwinkel bestimmt werden, die eine Information zur Rotationsdynamik liefern. Weitere Herausforderungen sind herstellungsbedingte Ungenauigkeiten der Sensoren sowie sich dynamisch ändernde Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Normalschwere oder einsatzbedingte Schwingungen und eine nicht konstante Spannungsversorgung, die den Messwert beeinflussen und verfälschen sowie zu unvermeidlichen Messabweichungen führen. Hier kommen Stützungsmethoden (z.B. der Einsatz zusätzlicher Sensoren für Temperatur, Druck oder Magnetfeld) sowie Filter zum Einsatz, mit denen die Messabweichung korrigiert werden kann. Erste Einsätze der so konzipierten Sensoreinheit sind die Überwachung von Spurlatten in Schächten, die Ortung von Fahrzeugen unter Tage oder Lage und Position von Fahrkörben.

Thanks to the availability of global satellite navigation systems (such as GPS or Gallileo), precise positioning data accurate to a few centimetres has become an everyday matter of course that is available to users in vehicles and on mobile devices at any time and without restriction. The prerequisite for this is a stable connection to the satellites used. Where this is not the case - especially in underground mining or underwater - this option of determining position data is not available. For the use of semi-autonomous or fully autonomous mining machines and equipment, reliable knowledge of the position in real time is required. Inertial sensors - such as acceleration or angular rate sensors - are an alternative here. In order to determine the current position of a device with these, the position and orientation in three-dimensional space must be determined and defined. While roll and pitch angles (rotations around the x or y axis) can be determined using acceleration sensors, the measurement of the yaw angle (rotation around the z axis) is subject to gravitational acceleration, which distorts the measurement result. In addition, there is no ideal alignment along defined coordinates at right angles to each other. Using angular rate sensors, which measure independently of the Earth's gravitational field, the Euler angles can be determined, which provide information on the rotational dynamics. Other challenges include manufacturing-related inaccuracies in the sensors as well as dynamically changing ambient conditions such as temperature, humidity, air pressure, normal gravity or vibrations caused by use and a non-constant power supply, which influence and falsify the measured value and lead to unavoidable measurement deviations. This is where support methods (e.g. the use of additional sensors for temperature, pressure or magnetic field) and filters are used to correct the measurement deviation. Initial applications for the sensor unit designed in this way include monitoring track slats in shafts, locating vehicles underground or the position and orientation of cages.