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10 2021 Elektronik 37 Embedded Technology deren integrierter Entwicklungsumgebung IDE kombinieren Um Entwicklern den Einstieg zu erleichtern bietet dieser Artikel ein Glossar der Sensorterminologie und eine kurze Diskussion über die Rolle von Bewegungsund Orientierungssensoren Anschließend wird eine Auswahl solcher Sensor-BOBs von Adafruit und ihre Verwendung vorgestellt Sensorterminologie Zwei Begriffe die häufig im Zusammenhang mit Bewegungsund Orientierungssensoren verwendet werden sind »Anzahl der Achsen« und »Freiheitsgrade« Degree of Freedom DOF Diese Begriffe werden zwar häufig synonym verwendet bedeuten aber zwei unterschiedliche Dinge Achsen und Freiheitsgrade Der Begriff Achse ist ein relativ allgemeiner Ausdruck der die Dimensionalität der Daten angibt die von einem System verwendet werden Im Zusammenhang mit Bewegung und Orientierung gibt es drei Achsen von Interesse x y und z Die Art und Weise in der diese Achsen visualisiert werden hängt vom jeweiligen System ab Bei einem Smartphone im Hochformat beispielsweise ist die x-Achse horizontal in Bezug auf den Bildschirm und zeigt nach rechts die y-Achse ist vertikal in Bezug auf den Bildschirm und zeigt nach oben und die z-Achse die senkrecht zu den beiden anderen Achsen verläuft gilt als aus dem Bildschirm herausweisend Bild 1 Bei Smartphones sind zwei Arten von Bewegung für den Entwickler relevant lineare Bewegungen und Winkelbewegungen Bei einer linearen Bewegung kann sich das System auf der x-Achse von Seite zu Seite auf der y-Achse nach oben und unten und auf der z-Achse vorwärts und rückwärts bewegen Bei einer Winkelbewegung kann sich das System um eine oder mehrere der drei Achsen drehen Der Begriff Freiheitsgrade bezieht sich auf jede der Richtungen in denen unabhängige Bewegung auftreten kann Auf dieser Grundlage kann ein physikalisches System immer nur ein Maximum von sechs Freiheitsgraden 6DOF haben weil es nur sechs Möglichkeiten gibt sich im 3D-Raum zu bewegen drei lineare Freiheitsgrade und drei winklige Orientierung Ein weiterer Begriff ist die »Orientierung« Sie bezieht sich auf die Position bzw die Ausrichtung eines Objekts relativ zu einem anderen Objekt Bei einem Smartphone bestimmt die Orientierung ob das Telefon flach auf dem Rücken liegt auf einer Kante steht entweder im Hochoder Querformat oder irgendwo dazwischen Eine Möglichkeit um den Unterschied zwischen Orientierung und Bewegung auszudrücken ist diese Betrachtung Die Orientierung eines Geräts kann durch die Werte aller möglichen Freiheitsgrade zu einem bestimmten Zeitpunkt tx angegeben werden Die Bewegung eines Geräts wird durch die Differenz der Werte aller möglichen Freiheitsgrade zwischen zwei Zeitpunkten t0 und t1 bestimmt Beschleunigungsmesser Gyroskope und Magnetometer sind für eine zwei oder drei Achsen erhältlich Ein 1-AchsenBeschleunigungsmesser erkennt beispielsweise nur Änderungen entlang derjenigen der drei Achsen auf die er ausgerichtet ist analog verhalten sich 2-Achsenund 3-Achsen-Sensoren Mehr als sechs Achsen Eine Sensorplattform wird manchmal mit mehr als sechs Achsen beschrieben Damit wird ausgesagt dass sie einen höheren Grad an Genauigkeit bietet indem sie zusätzliche Datenpunkte entlang oder um die xyund z-Achse verfolgt Ein Beispiel ist ein System das einen 12-Achsen-Beschleunigungsmesser bildet das zur linearen Beschleunigungsmessung die Messdaten von vier 3-Achsen-Beschleunigungsmessern verwendet Gerade im englischsprachigen Raum wird die Anzahl der Freiheitsgrade mit der Anzahl der Achsen verwechselt Beispielsweise kann die Kombination aus einem 3-Achsen-Beschleunigungsmesser 3-Achsen-Gyroskop und 3-Achsen-Magnetometer von einigen Anbietern als Sensor mit neun Freiheitsgraden 9DOF beschrieben werden obwohl sie korrekterweise als 9-Achsen-Sensor mit 6 Freiheitsgraden 6DOF beschrieben werden sollte Sensorfusion kombiniert Mehrere Sensoren Ein Beschleunigungsmesser misst nicht nur die Beschleunigung sondern auch die Schwerkraft Im Falle eines Smartphones kann beispielsweise ein 3-Achsen-Beschleunigungsmesser feststellen welche Richtung nach unten zeigt selbst wenn der Benutzer still steht und das Gerät bewegungslos ist Ein 3-Achsen-Beschleunigungsmesser kann auch verwendet werden um die vertikale und horizontale Ausrichtung des Geräts zu bestimmen das diese Informationen nutzen kann um seine Anzeige im Hochoder Querformat darzustellen Für eine Planetariumsfunktion bei der Sterne Planeten und Sternbilder am Nachthimmel bestimmt werden können indem das Gerät auf den entsprechenden Himmelsbereich gerichtet wird reicht ein Beschleunigungssensor nicht aus Dafür muss die Orientierung in Bezug auf das Erdmagnetfeld bestimmt werden und dafür ist ein Magnetometer erforderlich Würde das Smartphone immer flach auf einen Bild 1 Ein physikalisches System kann immer nur maximal sechs Freiheitsgrade haben weil es nur sechs Arten gibt wie es sich im 3D-Raum bewegen kann drei lineare und drei winklige Bild Clive Maxfield