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Forschungsbereich C: Lokalisierung von Mikrosystemen

Die Fähigkeit zur Selbstlokalisierung eingebetteter Mikrosysteme ist eine wichtige Voraussetzung für die sinnvolle Fusion der akquirierten Daten, aber auch für den Aufbau und die Rekonfigurierung von Kommunikations-Netzwerken zwischen mobilen Komponenten eingebetteter Systeme.

Projekte im Forschungsbereich C "Lokalisierung von Mikrosystemen":

C.1
Magnetische Mikrosysteme für die Lokalisierung und Steuerung
C.2
Sensordatenfusion und Navigation für eingebettete Mikrosysteme
C.3
Miniaturisierte Positionssensorik für kleinskalige Flugroboter
C.4
Entwicklung von thermischen Mikrosystemen für die medienunabhängige Strömungs- und Gassensorik

C.1   Magnetische Mikrosysteme für die Lokalisierung und Steuerung


Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung von höchstempfindlichen mikrosystemtechnischen Magnetfeldsensoren für die Lokalisierung. Wie die bisherigen Vorarbeiten gezeigt haben, ist die Realisierung solcher Bauteile durch die Anwendung eines neues Sensorprinzips und durch die Kombination von mikrosystemtechnischen Siliziumkomponenten mit weichmagnetischen Magnetfeldkonzentratoren möglich. Obwohl rekordhohe Sensitivitäten erreicht wurden, war der Preis im bisher erprobten Betriebsmodus ein relativ hoher Energieverbrauch. Dieser rührte in erster Linie von einem Hilfsspulenstrom her, dank welchem ein linear vom externen Magnetfeld abhängendes Frequenzsignal extrahiert werden kann. Die Fortsetzung der Arbeiten zielt nun einerseits auf die Untersuchung alternativer, sparsamerer Betriebsmodi, ferner auf die Integration des Sensors in ein rückgekoppeltes System, das den stabilen Betrieb in der Resonanzfrequenz ermöglicht, sowie auf die weitere Miniaturisierung und Optimierung des magnetomechanischen Sensors. Das Zusammenspiel dieser verschiedenen Aspekte erfordert die Formulierung und Zusammenführung von Skalierungsmodellen der mechanischen, magnetischen, thermischen und elektrischen Aspekte, unter welchen in den Vorarbeiten dem magnetischen Aspekt die größte Aufmerksamkeit gewidmet worden ist. Weitere Arbeiten zielen auf die Verallgemeinerung der bisherigen eindimensionalen Strukturen auf zweidimensionale vektorielle Magnetfeldsensorik ab, sowohl als resonantes System als auch in der Kombination von Konzentratorstrukturen mit Halbleiter-Hallplatten. Beide Ansätze erfordern die Untersuchung neuer Konzentratorgeometrien sowie ggf. neuer Konzepte für die nunmehr zweidimensional schwingende Struktur.

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

Kontakt:
Prof. Dr. Ulrike Wallrabe
Lehrstuhl für Mikroaktorik
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 102, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7580 | Fax: 0761-203-7439 | E-Mail

C.2   Sensordatenfusion und Navigation 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. Insbesondere im Kontext von Schätzproblemen und eingeschränkten Ressourcen ergibt sich daher die Frage, welche Daten verwendet werden sollen, um eine möglichst gute Performanz des Systems zu erhalten. In diesem Teilprojekt sollen Strategien untersucht werden, die es einem eingebetteten Mikrosystem erlauben, aktiv Daten zu selektieren, die sich für die Zustandsschätzung als besonders nützlich erweisen. In diesem Kontext soll sowohl das Lernen von Kontrollstrategien für autonome Luftschiffe als auch das Problem des so genannten Simultaneous Localization and Mapping betrachtet werden. Dabei sollen insbesondere Techniken aus dem Bereich des Reinforcement Learning verwendt werden um zu effiziente Strategien für dieses Datenselektionsproblem zu lernen.

Darüber hinaus soll untersucht werden, wie die Abhängigkeiten zwischen Messungen unterschiedlicher Sensoren unter Berücksichtigung der vorhandenen Ressourcenbeschränkungen möglichst gut modelliert werden können. Insbesondere soll dabei die Frage beantwortet werden, welche Methoden sich am besten eignen, wenn man die eingeschränkte Rechenkapazität eingebetteter Mikrosysteme berücksichtigt. Beispielsweise können durch eine geeignete Modellierung der Abhängigkeiten zwischen den Sensoren zwar im Prinzip genauere Schlussfolgerungen gezogen werden. Allerdings sind manche der Operationen so rechenaufwändig, dass einfachere Algorithmen, die mehr Daten verarbeiten können, tatsächlich bessere Ergebnisse liefern. Ziel dieses Projekts ist daher die Untersuchung von online-Verfahren für die probabilistische Modellierung von Sensorsystemen in eingebetteten Mikrosystemen. Ein Schwerpunkt soll dabei auf der Betrachtung von Realzeitaspekten liegen. Dabei sollen insbesondere Techniken für die Positionsschätzung von eingebetteten Mikrosystemen, z.B. für ein autonomes Luftschiff, betrachtet werden.

Des weiteren sollen in diesem Projekt effiziente Navigationsstrategien für ressourcenbeschränkte Systeme entwickelt werden. Auch hier sollen Techniken des Reinforcement Learning zum Einsatz kommen, mit dem Ziel, Navigationsaufgaben zuverlässig und effizient zu bewältigen. Die "Effizienz" bezieht sich hierbei sowohl auf die benötigte Zeit zur Berechnung und Durchführung der einzelnen Navigationsaktionen wie auch auf die Ausführungszeit bis die gesamte Aufgabe erledigt ist. Beispielsweise kann eine schnelle Bewegung ein mobiles System kurzfristig näher ans Ziel bringen, jedoch zu dem Problem führen, dass aufgrund ungenauer Beobachtungen die Positionsgenauigkeit reduziert wird und somit das Ziel nicht mehr sicher erreicht werden kann. Durch die gelernten Navigationstrategien sollen mobile Systeme in die Lage versetzt werden, diese Aspekte gegeneinander abzuwägen und bestmögliches Verhalten in den einzelnen Situationen zur erreichen.

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

Kontakt:
Prof. Dr. Maren Bennewitz
Lehrstuhl für Humanoide Roboter
Institut für Informatik
Georges-Köhler-Allee 079, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-8025 | Fax: 0761-203-8007 | E-Mail

C.3   Miniaturisierte Positionssensorik für kleinskalige Flugroboter


Das in diesem Teilprojekt zu entwickelnde Local Positioning System (LPS) soll der berührungslosen Echtzeit-Erfassung der Koordinaten von mikrosystemischen Positionssensoren dienen. Die Information über den aktuellen Ort und die zugehörige Orientierung in Echtzeit gehört zu den zentralen Regelgrößen jeglicher autonomer oder halbautonomer Systeme. Für den Outdoor-Bereich liefern GPS Systeme diese Ortsinformationen mit einer Genauigkeit von einigen Metern. Um für regelungstechnische Aufgaben und autonom agierende Systeme eingesetzt werden zu können, muss die erzielte Genauigkeit allerdings deutlich über die Genauigkeit des GPS Systems hinausgehen und etwa 1 cm erreichen. Die benötigte Reichweite des zu entwickelnden Systems beschränkt sich jedoch meist auf den Nahbereich bis mehrere 100 Meter, wie in einer Halle oder einem Freigelände. Das System muss robust sein gegenüber Störungen wie Unterbrechungen der Funkverbindung durch Abschattung sowie Fehler aufgrund von Reflexionen und Stehwellen. Funktional muss hierzu das LPS eine absolute Ortsbestimmung mit einer Relativsensorik (Inertial measurement unit, IMU) mittels Gyrometern, Beschleunigungssensoren, Magnetfeldsensoren und ähnlichem kombinieren. Die Sensorfusion der absoluten Ortsbestimmung mit der Relativsensorik kann über ein prädiktives Filter wie erweitertes Kalman-Filter oder Partikelfilter erreicht werden.

Für einen Einsatz in autonomen kleinskaligen Flugrobotern müssen je nach System Updateraten von mehr als 100 Hz bei minimaler Größe und Gewicht verwirklicht werden. Hierzu sind eingebettete mikrosystemtechnische Sensoren und Aktoren hervorragend geeignet.

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

C.4   Entwicklung von thermischen Mikrosystemen für die medienunabhängige Strömungs- und Gassensorik


Für die exakte Steuerung von beweglichen Objekten und im Speziellen bei Flugobjekten ist eine genaue lokale Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung unumgänglich. Insbesondere die aufeinander abgestimmte Bewegung vieler Objekte zur gleichen Zeit verlangt eine selbstkonsistente Steuerung, welche mit speziellen Algorithmen respektive Schätzverfahren arbeiten muss. Für diese Schätzverfahren, z.B. erweiterte Kalmanfilter oder Partikelfilter, ist nicht nur die genaue lokale Positionsbestimmung in Echtzeit erforderlich, sondern auch die Messung der Relativgeschwindigkeit der beweglichen Objekte zur Umgebung. Diese Messungen müssen auch unter sich schnell verändernden Umgebungsbedingungen wie Luftfeuchte, Temperatur, Nebel, Brandgase oder Rauch bestimmt werden können. Es ist nunmehr ein Sensorsystem erforderlich, welches energiesparend sowohl zweidimensionale Strömungsmessungen wie auch die veränderlichen Umgebungsvariablen für eine medienunabhängige Strömungsmessung bestimmen kann.

Bei Lösung dieser Aufgabe kann auch an eine hochrelevante industrielle Applikation gedacht werden, da in der Prozessmesstechnik medienunabhängige Strömungssensorik ein ungelöstes Problem darstellt. Ebenso kann die thermische Gassensorik für eine Umwelt-Feldüberwachung verwendet werden. Generell müssen die geforderten Mikrosensorarrays und elektronischen Auswertemodule mit Telemetrieeinheiten zu einem Gesamtsystem integriert werden.

Testsystem

Abb. C.4: (a) Sensor Chip Variante bestehend aus einer dünnen, runden Membran mit 5µm minimaler Strukturgröße, 9 Thermistoren und 4 Heizern. (b) Temperaturverteilung in der Membran und im Fluid bei 5 m/s Flußgeschwindigkeit und konstanter Heizer-Temperatur.

 Statusreport :
Differenzielle thermische Analyse für die thermische Charakterisierung von Fluiden und für die Messung der Flussgeschwindigkeit von Ali Sükrü Cubukcu

Kontakt:
Prof. Dr. Gerald Urban
Lehrstuhl für Sensoren
Institut für Mikrosystemtechnik
Georges-Köhler-Allee 103, 79110 Freiburg
Telefon: 0761-203-7260 | Fax: 0761-203-7262 | E-Mail

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