Ziel des Forschungsprojektes ‚IMUcompact‘ war die Entwicklung einer Messeinheit zur präzisen Positionsbestimmung von autonomen Drohnensystemen. Die Inertial Measurement Unit (kurz: IMU) des Systems basiert im Wesentlichen auf drei Gyroskop-Achsen und drei Beschleunigungssensoren, die eine zentimetergenaue Positionsbestimmung für Navigation und Geländevermessung ohne GPS-Signal ermöglichen.

Kompakte Gyroskope mit geringer Auflösung befinden sich heutzutage in allen Smartphones und Smart Watches, um zum Beispiel die Orientierung des Bildschirms oder der Fotokamera sicherzustellen. Diese sogenannten MEMS1-Gyroskope sind zwar auch klein und leicht, für den Einsatz in Drohnen allerdings zu anfällig gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit und elektromagnetischen Feldern. IMU-Systeme mit höherer Auflösung waren bisher aufgrund ihrer Größe und Kosten für die Industrie oder Wirtschaft nicht rentabel.

Das am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) entwickelte interferometrische faseroptische Miniaturgyroskop (IFOG) ermöglicht eine höhere Detailgenauigkeit und lässt sich aufgrund seiner Kompaktheit und einem geringen Gewicht mit unterschiedlichsten Trägerdrohnen kombinieren. Da diese Form des Gyroskops keine beweglichen Teile beinhaltet und elektromagnetisch unempfindlich ist, eignet sie sich weitaus besser für den Einsatz in unbemannten Drohnen als herkömmliche MEMS-Alternativen. 1 MEMS-Gyroskop steht für mikroelektromechanisches System-Gyroskop und bezeichnet herkömmliche Messysteme, die auf einer vibrierenden Siliziumstruktur basieren.

Innovative Montagemethode für Miniaturisierung

Modell des interferometrischen Miniaturgyroskops (IFOG)

© Fraunhofer IZM

Mit einer neu entwickelten Montagemethode lassen sich die elektronischen und optischen Komponenten der IMU so anordnen, dass ein hoher Grad an Miniaturisierung ohne Einbußen bei der Genauigkeit erreicht wird. Herkömmliche IMUs verfügen nur über eine Auflösung im Bereich von 25 bis 30 cm. Das am Fraunhofer IZM entwickelte Gyroskop erlaubt jetzt eine absolute Genauigkeit von unter 10 cm. Die spezielle Anordnung der Messkomponenten auf einer 3D-gedruckten optischen Bank ermöglicht zudem eine hohe mechanische Festigkeit für industrielle Anwendungen bei sehr geringem Gewicht. Darüber hinaus wurde eine anwendungsspezifische Leiterplatte entwickelt, die aufgrund ihres Designs sehr robust und gleichzeitig kompakt ist.

Photogrammetrische Messungen aus der Luft

Eine der ersten Praxisanwendungen der neuen IMU stellt die Photogrammetrie mit unbemannten Drohnen (UAVs) dar. Photogrammetrie ist die Vermessung und Bestimmung physischer Gegenstände mithilfe der Kombination von 2D-Bildern und 3D-Messverfahren wie beispielsweise LIDAR. In diesem Fall darf das Gewicht der IMU nicht mehr als 1 kg betragen, das gesamte Messsystem inklusive IMU, LIDAR, Kameras, Datenlogger PC und der Stromversorgung via Akkus muss unter 5 kg wiegen. Mögliche Einsatzzwecke von drohnenbasierter Photogrammetrie sind die automatisierte Vermessung von Fabrikgebäuden, die technische Überwachung von Offshore Windkraftanlagen oder automatisierte Bestandsaufnahmen in der Land- und Viehwirtschaft. Auch zur Schadensbestimmung in Katastrophengebieten kann die drohnengestützte Photogrammetrie einen wichtigen Beitrag leisten, besonders wenn große Gebiete von unerwarteten Umweltereignissen betroffen sind. Anbieter von Online-Kartendiensten nutzen ebenfalls photogrammetrische Verfahren für die Erstellung von digitalem 3D-Kartenmaterial, wofür aber häufig noch kostenintensiv auf Flugzeuge oder Gyrocopter mit entsprechender Messtechnik zurückgegriffen werden muss.

Partnerschaft aus Forschung und Wirtschaft

»Als Expert*innen in der Aufbau- und der Verbindungstechnik optischer Fasern konnte das Fraunhofer IZM gemeinsam mit Projektpartner*innen einen Demonstrator entwickeln, bei dem die IMU mit einem GPS-System, sowie einem leistungsfähigen integrierten Schaltkreis zu einer vollständigen, integrierten Lösung kombiniert wurde. Dieser Prototyp soll in einem weiteren Schritt nun optimiert werden, um die zivile Nutzung autonomer Drohnensysteme weiter voranzutreiben«, fassen die Projektleiterin Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez und der Entwickler Christian Janeczka das Projektende zufrieden zusammen. Denkbar ist auch der Einsatz in anderen Trägersystemen wie Schiffen, der Luft- und Raumfahrt und autonomen Fahrzeugen bis hin zu KI-basierten Logistiknetzwerken, die einen höheren Grad an Automatisierung ermöglichen.

Projektpartner für IMUcompact waren neben dem Fraunhofer IZM die Firmen IGI – Ingenieur-Gesellschaft für Interfaces, Intranav sowie Milan Geoservice als assoziierter Partner. Das Projekt wurde für eine Laufzeit von fünf Jahren bis März 2023 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.