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Forschungsbereich C: Lokalisierung von Mikrosystemen

Die Fähigkeit zur Selbstlokalisation wird für viele Anwendungen von Mikrosystemen eine wesentliche Voraussetzung sein. In diesem Forschungsbereich werden Sensoren, Verfahren und Algorithmen dazu realisiert.

Projekte im Forschungsbereich C "Lokalisierung von Mikrosystemen":

C.1
Magnetfeldsensorsysteme für die Lokalisation
C.2
Sensordatenfusion für eingebettete Mikrosysteme
C.3
Miniaturisiertes, robustes und hochgenaues Local Positioning System

C.1   Magnetfeldsensorsysteme für die Lokalisation


Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von höchstempfindlichen integrierten Magnetfeldsensoren auf der Basis des Halleffekts in CMOS-Strukturen. Ein solches System wird durch ein vertieftes Verständnis der Offseteffekte in Silizium-Hallsensoren, durch einen optimierten Entwurf sowie durch die Implementierung von Kompensationstechniken mit Hilfe entsprechender integrierter Schaltungen ermöglicht. Die zu entwickelnden Magnetfeldsensorsysteme werden die sensorische Hardware für die geplanten Arbeiten dieses Graduiertenkollegs zum Thema Lokalisation liefern. Der Grund für die angestrebte höchstmögliche Empfindlichkeit ist offensichtlich: Je sensitiver die Sensoren sind, desto weniger dicht kann das Sensornetz zur Lokalisierung eines magnetischen Objekts gestaltet werden. Als weiterer Spin-off wird die Realisierung eines integrierten Kompasses angestrebt.

Statusreport :
Magnetsensorsysteme für die Lokalisation von Simon Brugger

Kontakt:
Prof. Dr. Oliver Paul
Lehrstuhl für Materialien der Mikrosystemtechnik
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7191 | Fax: 0761-203-7192 | E-Mail

C.2   Sensordatenfusion für eingebettete Mikrosysteme


Werden eingebettete Mikrosysteme mit Sensorik ausgestattet, beispielsweise im Kontext von Sensor-Arrays oder bei Positionierungssensoren, so stellt sich unmittelbar die Frage, wie die von den Sensoren kommenden Daten interpretiert werden können. Hierbei müssen verschiedene Fragestellungen betrachtet werden. Da Mikrosysteme nur über begrenzte Kommunikationsmöglichkeiten verfügen, müssen die Daten bereits auf dem System gefiltert werden. In diesem Kontext ist es dann insbesondere wichtig, Filteralgorithmen einzusetzen, die nur eine geringe Rechenleistung erfordern. Innerhalb dieses Projektes soll daher untersucht werden, welche Approximationen von Standard-Filteralgorithmen unter den durch das eingebettete Mikrosystem gegebenen Randbedingungen optimale Ergebnisse liefern. Gleichzeitig soll auch untersucht werden, wie die Abhängigkeiten zwischen Messungen unterschiedlicher Sensoren unter Berücksichtigung der vorhandenen Ressourcenbeschränkungen möglichst gut modelliert werden können. Dies spielt beispielsweise eine Rolle im Kontext von Sensor-Arrays. Durch eine geeignete Modellierung der Abhängigkeiten der Sensoren können aus den durch die einzelnen Sensoren gelieferten Daten bessere Schlussfolgerungen gezogen werden. Ziel dieses Projektes ist die probabilistische Modellierung von Sensorsystemen in eingebetteten Mikrosystemen. Dabei sollen zunächst die Sensoren unabhängig voneinander betrachtet werden. Im zweiten Schritt sollen dann effiziente Filteralgorithmen entwickelt werden und Abhängigkeiten zwischen den Sensoren modelliert werden. Dabei wollen wir Positionierungssensoren sowie Sensor-Arrays als Anwendungsfelder betrachten.

Statusreporte :
Wahrscheinlichkeitsmodelle für autonome Systeme von Patrick Pfaff
Effiziente Klassifikationsverfahren für eingebettete Systeme von Axel Rottmann
Lernverfahren zur Landmarkenselektion von Hauke Strasdat

Kontakt:
Prof. Dr. Wolfram Burgard
Lehrstuhl für Autonome Intelligente Systeme
Institut für Informatik
Georges-Köhler-Allee 079, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-8026 | Fax: 0761-203-8007 | E-Mail

C.3   Miniaturisiertes, robustes und hochgenaues Local Positioning System


Die fortschreitenden Integration von analogen hochfrequenten Baugruppen in höchst­integrierte digitale Schaltungen, die durch die rapide Entwicklung der Mobilfunksysteme angestoßen wurde, ermöglicht nunmehr weitere drahtlose Dienste für den industriellen, privaten und medizintechnischen Bereich. So ist zu erwarten, dass dem Boom der Mobilkommunikation ein Boom der Radartechnologien folgen wird, der unsere Gesellschaft ähnlich wie die Handys verändern könnte.

Das in diesem Teilprojekt zu entwickelnde Local Positioning System (LPS) dient zur berührungslosen Echtzeit-Erfassung der Koordinaten von mikrosystemischen Positionssensoren (Backscattern, Transpondern). Der Einsatz des Systems ist im Gegensatz zum GPS System im Nahbereich von 10 bis 100 Metern geplant, wie in einer Halle oder etwa einem Fußballplatz. Um für regelungstechnische Aufgaben eingesetzt werden zu können muss die erzielte Genauigkeit jedoch deutlich über die Genauigkeit des GPS Systems hinausgehen und etwa 1cm bis 10cm erreichen. Das System muss robust sein gegenüber Störungen, wie Unterbrechung der Funkverbindung, beispielsweise durch Abschattung.

Funktional muss hierzu das LPS eine absolute Ortsbestimmung mit einer Relativsensorik kombinieren. Die absolute Ortsbestimmung kann beispielsweise über im Boden eingelassene RF-ID Marken als Balisen, oder über die Laufzeitbestimmung mittels eines Mikrowellenradars mit aktiven Backscattern realisiert werden. In bestimmten Anwendungsfeldern können auch optische Systeme zum Einsatz kommen. Allen diesen Systemen ist aber gemeinsam, dass sie in vielen Anwendungsbereichen eine permanente Ortsbestimmung nicht leisten oder nicht garantieren können.

Hier könnte eine Relativsensorik zum Einsatz kommen, die aus Gyrometern, Beschleunigungssensoren, Raddrehsensoren und ähnlichem bestehen kann. Die Kopplung der absoluten Ortsbestimmung mit der Relativsensorik zu einem gemeinsamen System kann zum Beispiel über ein erweitertes Kalmanfilter erreicht werden.

Ziel des Teilprojekts ist es,

  • die Tauglichkeit der einzelnen Komponenten für ein LPS zu klären
  • LPS mit mikrosystemischer Absolut- und Relativsensorik zu spezifizieren, aufzubauen und zu testen
  • die Positionsdaten des LPS mit Navigationssoftware zu koppeln
  • die Tauglichkeit des Systems an ausgewählten Anwendungsgebieten zu erproben

Statusreport :
Lokalisierung von eingebetteten Mikrosystemen von Matthias Sippel

Kontakt:
Prof. Dr. Leonhard Reindl
Lehrstuhl für Elektrische Mess- und Prüfverfahren
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7220 | Fax: 0761-203-7222 | E-Mail

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