Magnetometer und Magnetfeldsensoren

Magnetometer und Magnetfeldsensoren werden häufig in unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), unbemannten Unterwasserfahrzeugen und anderen Robotersystemen für Anwendungen wie Navigation, geophysikalische Vermessung und wissenschaftliche Forschung eingesetzt. Sie liefern genaue Daten für Aufgaben, die von der präzisen Navigation bis zur Erkennung magnetischer Anomalien reichen, und ermöglichen den effektiven Betrieb von Systemen in magnetfeldempfindlichen Umgebungen.

Was ist ein Magnetometer?

Ein Magnetometer ist ein Sensor, der die Stärke, Richtung oder Schwankungen von Magnetfeldern misst. Sie werden in der Regel von Drohnen- und Roboterplattformen verwendet, um eine zuverlässige Navigation in Gebieten ohne GPS-Empfang zu gewährleisten, sowie für Vermessungsanwendungen wie die Überwachung magnetischer Störungen und die Durchführung wissenschaftlicher Forschung.

Magnetometer sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, von einfachen Modellen für Verbrauchergeräte bis hin zu hochempfindlichen Systemen für industrielle, militärische oder wissenschaftliche Anwendungen. Sie werden häufig in Verbindung mit anderen Sensoren wie Trägheitsmesseinheiten (IMUs) und GNSS-Empfängern eingesetzt, um umfassende Daten für eine präzise Steuerung und Navigation zu liefern. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Magnetfelder mit äußerster Präzision zu messen, sind sie auch für anspruchsvolle Anwendungen wie magnetische Kartierung, Mineralexploration und Erkennung von Objekten unter der Oberfläche unverzichtbar.

Wie funktioniert ein Magnetometer?

Magnetometer erfassen Veränderungen in Magnetfeldern und wandeln diese Messungen in lesbare Daten um. Je nach Typ basieren sie auf unterschiedlichen Prinzipien. Zu den gängigen Ausführungen gehören Fluxgate-, Hall-Effekt- und optisch gepumpte Magnetometer, die jeweils ihre eigenen Betriebseigenschaften und Vorteile haben.

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  MG01 Drohnen-Magnetometer von UAV Navigation

  Fluxgate-Magnetometer: Diese werden aufgrund ihrer kompakten Größe, hohen Empfindlichkeit und relativ geringen Leistungsaufnahme häufig in unbemannten Plattformen eingesetzt. Ein Fluxgate-Magnetometer misst Magnetfelder, indem es Änderungen im Magnetfluss durch seinen Kern erfasst.

• Hall-Effekt-Magnetometer: Basierend auf dem Hall-Effekt messen diese Geräte die Spannung, die entsteht, wenn ein Leiter einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Sie sind in der Robotik und in UAVs für Anwendungen beliebt, die eine moderate Empfindlichkeit und kostengünstige Designs erfordern.
• Optisch gepumpte Magnetometer: Diese fortschrittlichen Sensoren verwenden optische Techniken, um Magnetfelder mit extrem hoher Präzision zu messen. Sie werden vor allem in der wissenschaftlichen Forschung oder in Verteidigungsanwendungen eingesetzt, wo Genauigkeit von besonderer Bedeutung ist.

Magnetometer liefern in der Regel Rohdaten, die verarbeitet werden müssen, um Störungen durch elektronische Komponenten oder Umweltfaktoren zu korrigieren. Mit Hilfe fortschrittlicher Algorithmen werden diese Daten gefiltert und kalibriert, um auch unter schwierigen Betriebsbedingungen zuverlässige Magnetfeldmessungen zu gewährleisten.

Arten von Magnetometern

Magnetometer sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen und Betriebsanforderungen geeignet sind. Die Auswahl des richtigen Magnetometers hängt von Faktoren wie Empfindlichkeit, Genauigkeit und Umgebungsbedingungen ab. Nachfolgend sind die gängigsten Arten von Magnetometern aufgeführt, die in unbemannten Systemen verwendet werden:

Skalare Magnetometer

Diese Sensoren messen die gesamte Magnetfeldstärke, ohne die Richtung zu erfassen. Sie werden häufig in geophysikalischen Untersuchungen eingesetzt, bei denen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Feldänderungen erforderlich ist, um Mineralvorkommen zu erkennen oder unterirdische Strukturen zu kartieren.

Vektormagnetometer

Diese messen sowohl die Richtung als auch die Stärke von Magnetfeldern und eignen sich daher ideal für UAVs, Drohnen und Roboter, die präzise Orientierungs- und Kursinformationen benötigen.

3-Achsen-Magnetometer

Diese vielseitigen Sensoren messen Magnetfelder entlang dreier Achsen und liefern umfassende Felddaten für Kartierung, Navigation und wissenschaftliche Analysen.

Für unbemannte Systeme sind 3-Achsen-Magnetometer besonders wertvoll, da sie Magnetfelder in allen drei Dimensionen messen und es Plattformen ermöglichen, die Ausrichtung genau zu bestimmen und subtile magnetische Schwankungen zu erkennen. Diese Sensoren sind unverzichtbar für Plattformen, die in dynamischen Umgebungen eingesetzt werden, wie z. B. Drohnen, die magnetische Vermessungen durchführen, oder Unterwasserfahrzeuge, die unter Wasser liegende Objekte erkennen.
Wozu werden Magnetometer in Drohnen und Robotern verwendet?
Zu den wichtigsten Anwendungen von Magnetometern im Bereich Drohnen und unbemannte Systeme gehören:

Navigation und Orientierung

Veronte MEX 3-Achsen-Magnetometer von Embention

Bei UAVs und Drohnen können Magnetometer zur Bereitstellung präziser Kursdaten eingesetzt werden und sind besonders wichtig in Umgebungen, in denen GPS-Signale beeinträchtigt oder nicht verfügbar sind, wie beispielsweise in städtischen Schluchten, Wäldern oder unterirdischen Tunneln. Magnetfeldmessungen werden über Sensorfusion mit Daten von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern kombiniert, um robuste Kursausgaben zu erzielen.

In den meisten UAV- und Roboterplattformen wird dieser Sensorfusionsprozess von einem Attitude and Heading Reference System (AHRS) übernommen, das Magnetometer-, Gyroskop- und Beschleunigungsmesserdaten integriert, um kontinuierliche Schätzungen von Kurs, Roll- und Nickwinkel zu liefern.

Magnetometer können auch verwendet werden, um die Ausrichtung der Drohne relativ zum magnetischen Nordpol zu bestimmen und so eine Schätzung des Gierwinkels zu liefern.

Geophysikalische und magnetische Untersuchungen

Die Magnetometrie wird häufig in geologischen Vermessungen eingesetzt, um Mineralvorkommen aufzuspüren, Verwerfungslinien zu kartieren und vulkanische Aktivitäten zu überwachen. Mit 3-Achsen-Magnetometern ausgestattete UAVs können schnell hochauflösende Magnetfelddaten über große Gebiete erfassen und bieten damit eine kostengünstige und effiziente Alternative zu herkömmlichen Vermessungsmethoden. Diese Drohnen werden auch in der Umweltüberwachung eingesetzt, um durch menschliche Aktivitäten oder Naturereignisse verursachte Magnetfeldstörungen zu bewerten.

Erkennung von Objekten unter der Oberfläche

In der Robotik und in Unterwassersystemen werden Magnetometer eingesetzt, um metallische Objekte zu lokalisieren, die unter der Erde oder unter dem Meeresboden vergraben sind. Zu den Anwendungsbereichen gehören die Erkennung von Blindgängern (UXO), Unterwasserpipelines, Schiffswracks und anderen unter Wasser liegenden Infrastrukturen. Mit Magnetometern ausgestattete autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) können in schwierigen Unterwasserumgebungen präzise Erkennungs- und Kartierungsaufgaben durchführen.

Verteidigung und Sicherheit

In militärischen Anwendungen werden Drohnenmagnetometer zur Überwachung, Aufklärung und Erkennung versteckter oder getarnter Objekte eingesetzt. Magnetometer können ferromagnetische Materialien erkennen und sind daher nützlich, um Fahrzeuge, Waffen oder andere metallische Objekte im Gelände zu identifizieren. Sie werden auch in der elektronischen Kriegsführung eingesetzt, um Magnetfeldstörungen zu überwachen und zu analysieren, die durch feindliche Systeme verursacht werden.

Wissenschaftliche Forschung und Magnetfeldanalyse

Magnetometer spielen eine wichtige Rolle in der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere bei der Untersuchung der geomagnetischen Eigenschaften der Erde und der Verfolgung von Weltraumwetterphänomenen. UAVs und andere unbemannte Systeme, die mit Magnetometersensoren ausgestattet sind, können Langzeitstudien zu Magnetfeldveränderungen durchführen und ermöglichen so Durchbrüche in Bereichen wie Seismologie, Klimatologie und Astrophysik.

Überlegungen zum Einsatz von Magnetometern in unbemannten Systemen

Die Integration von Magnetometern in unbemannte Plattformen ist mit besonderen technischen Herausforderungen verbunden. Magnetische Störungen durch Bordelektronik, Motoren und Batterien können die Messwerte verfälschen, sodass eine sorgfältige Platzierung und Abschirmung der Sensoren erforderlich ist. Fortschrittliche Kalibrierungstechniken und softwarebasierte Kompensationsalgorithmen sind unerlässlich, um genaue Magnetfeldmessungen in realen Umgebungen zu gewährleisten.

Unbemannte Plattformen werden häufig unter rauen Bedingungen betrieben, sodass Magnetometer besonders robust sein müssen. Ein geringes Gewicht und eine hohe Energieeffizienz sind ebenfalls wichtige Anforderungen für Plattformen mit begrenzten SWaP-Werten. Ingenieure müssen diese Faktoren bei der Entwicklung von Systemen für bestimmte Anwendungen sorgfältig abwägen. Beispielsweise benötigt ein UAV, das Vermessungen in großer Höhe durchführt, ein Magnetometer mit geringem Stromverbrauch und geringem Gewicht, während ein AUV, das in der Tiefsee eingesetzt wird, möglicherweise einen hochempfindlichen, druckbeständigen Sensor benötigt.