Mems-sensoren volgen scheepsbewegingen langs zes assen

MEMS_News_0

Embed Engineering heeft een Mems-gebaseerd sensorsysteem ontwikkeld dat bergingspersoneel inzicht geeft in de bewegingen van een schip.

Vroeger was het al een hele kunst om een systeem te bouwen dat de beweging rond een enkele as kon meten. Voor meerdere assen was dat helemaal ingewikkeld vanwege afwijkingen in drift en onderlinge synchronisatie. De komst van geavanceerde micro-elektromechanische systemen (Mems) heeft dat een stuk makkelijker gemaakt.

De Mems van tegenwoordig maken onder meer complexe meetsystemen mogelijk. Een voorbeeld is de bewegingssensor met zes vrijheidsgraden (six degrees of freedom, 6DOF). Dit Mems-componentje registreert zowel de translatie als de rotatie in drie assen die loodrecht op elkaar staan: voor/achter, links/rechts en boven/onder. Respectievelijk pitch, yaw en roll. Toepassingen zijn te vinden in de uiteenlopende markten, waaronder automotive, consumentenelektronica, gaming, gezondheidszorg en industriële automatisering.

In opdracht van maritiem specialist Siri Marine uit Appingedam heeft Embed Engineering een deel van het zogeheten motion monitoring decision support system gebouwd op basis van 6DOF-sensoren. Dit systeem is onder meer bedoeld om de dagelijkse vaart en vrachtladingen van een schip te monitoren of om bergers te ondersteunen bij reddingsoperaties door inzicht te verschaffen in de scheepsbewegingen. Behalve de sensorinfrastructuur hebben we ook een black box voor data verwerking en een uitgebreide kalibratietool ontwikkeld.

Beveiligd

De 6DOF sensoren worden op verschillende plekken van het schip geplaatst, waar ze de beweging langs zes assen registreren. De meetdata sturen ze door naar de black box aan boord, die ze lokaal logt. Bergingspersoneel kan de gegevens realtime bekijken via internet, bijvoorbeeld om te bepalen of een schip veilig benaderbaar is.>

De black box draait op embedded Linux. Hardwarehart is een DSP met acht kernen. Op elke zwarte doos zijn acht sensoren aan te sluiten via evenzoveel RS485-ingangen. Belangrijk is dat er geen metingen verloren gaan door bijvoorbeeld synchronisatiefouten. De standaard Linux-kernel is echter niet realtime. Daarom heeft elke sensorpoort een eigen extra microprocessor. Deze kan tijdstempels met hoge nauwkeurigheid vaststellen en bufferen. Dit waarborgt de verwerking van alle samples.

Na ontvangst van de sensorgegevens verwerkt en analyseert de black box de data en genereert hij waarschuwingen bij het bereiken van de maximaal toegestane bewegingen en krachten. Met behulp van speciale wiskundige algoritmes doet hij bovendien een voorspelling voor de toekomstige bewegingen.De computer slaat alle gegevens ook lokaal op voor verwerking achteraf.

De data-analyse loopt asynchroon aan de logging. Daarbij passen we filters en matrixberekeningen toe die we hebben gemodelleerd met behulp van Octave, een opensource variant van Matlab, en geoptimaliseerd voor de black box. Door de modellen in een simulatieprogramma te vergelijken met de originele meetgegevens hebben we aangetoond dat de zwarte doos de bewerkingen juist uitvoert.

Samen met een partner van Siri hebben we software ontwikkeld om de gegevens op afstand uit te lezen en direct in een pc-applicatie te visualiseren, met een minimale vertraging tussen binnenkomst en weergave. Omdat de sensordata bedrijfsgevoelige informatie bevatten, zijn ze slechts toegankelijk via een strikt beveiligd protocol.

Klimaatkast

Het hele systeem vereist een nauwkeurige inregeling om in de praktijk de juiste meetgegevens te verkrijgen. Specifiek voor Siri hebben we daarom een 6DOF-kalibratietool gebouwd. Dit is een mechanische constructie die een bewegingssensor 24 uur om zijn assen draait terwijl de temperatuur varieert van -20 tot +50 graden Celsius – de sensor is erg temperatuurgevoelig door de Mems-technologie die erin zit.

Tijdens het kalibreren is het van belang dat alleen de sensoren onderhevig zijn aan de temperatuurveranderingen. Als ook de mechanische constructie eraan blootstaat, geeft dat onnauwkeurigheden in de hoekverdraaiingen, als gevolg waarvan de kalibratie niet goed verloopt. Dit hebben we opgelost door de sensoren direct op verwarmingselementen te zetten en de gehele tool in een klimaatkast op constante temperatuur te plaatsen.

Na kalibratie levert de sensor nauwkeurige meetresultaten, met een maximale absolute hoekafwijking van 0,07 graad. De tool kwalificeert ook, met als resultaat een rapport dat aangeeft hoe goed de gekalibreerde component uit de productie is gekomen.

Dit artikel is verschenen in Bits & Chips 2, 2013. Het artikel is geschreven door dhr. Marc Bisscheroux, business developer bij Embed Engineering. Redactie: Nieke Roos, Bits & Chips.

Het artikel: Mems-sensoren volgen scheepsbewegingen langs zes assen