Versuche zum BNO055

In den folgenden Versuchen wurde eine Eignung des BNO055 Sensors für den Drohnenbetrieb untersucht. Zu allen Versuchen lagen je 2000 Messwerte zugrunde die mit einer Frequenz von 100Hz abgetastet wurden. Die Umgebungsbedinungen waren konstant und haben sich bei den jeweiligen Messungen nicht verändert. Der verwendete Treiber wurde von Adafruit bezogen und besitzt für die Beschleunigungsdaten eine Auflösung beträgt 0,01 und für die Orientierungswinkel eine Auflösung von 0,0001(wird jedoch nicht verwendet).


Statischer Test mit dem Bosch BNO055

Versuchsbeschreibung

Hier wurde ein statischer Test in einer definierten Lage durchgeführt. Hierfür wurde das Steckbrett auf einem Tisch platziert und während der Messung wurde darauf geachtet, dass sich das Steckbrett nicht bewegt.

Versuchsaufbau



Versuchsaufbau BNO055 im statischen Test

Versuchsauswertung

Link Excel-Datei: BNO055_Sensor1_Test_Statisch

Fazit

Bei ordungsgemäßer Funktion würden sich die Messwerte bei dem statischen Test an die Gaus'sche Normalverteilung annähern. Bei der Beschleunigung in X- sowie in Y-Richtung nähern sich die Messwerte diesem Sollzustand an. Die Beschleunigungswerte in Z-Richtung nähern sich keiner Normalverteilung an und müssen deshalb näher betrachtet werden.
Aufgrund der fehlerhaften Messergebnisse der Beschleunigung in Z-Richtung wird in einer darauffolgenden Messung ein anderer BNO055 Sensor im statischen Fall betrachtet. Außerdem wurde hierzu ein neutraler Berater aus dem Gebiet der Sensortechnik befragt (siehe Gesprächsprotokoll unter Protokolle). Desweiteren wird ein erster dynamischer Test mit einem laufenden Rasierapparat neben dem Sensor durchgeführt um die Anfälligkeit des BNO055 auf Vibrationen festzustellen.

Erster dynamischer Test mit dem BNO055

Versuchsbeschreibung

Bei dem ersten dynamischen Test wollten wir sehen wie der Sensor auf Vibrationen reagiert und welchen Einfluss diese auf die Messergebnisse haben. Hierzu haben wir einen Handelsüblichen Rasierer (unbekannte Frequenz) neben dem Messaufbau platziert und während der Datenerfassung laufen lassen.

Versuchsaufbau



Versuchsaufbau mit BNO055 im dynamischen Test (laufender Rasierer neben dem Versuchsaufbau)

Versuchsauswertung

Link Excel-Datei: BNO055_Sensor1_Test_Dynamisch

Fazit

Bei den Beschleunigungswerten in X- und Y-Richtung ist keine signifikante Änderung zum statischen Test zu sehen. Die Beschleunigung in Z-Richtung zeichnet, wie schon beim statischen Test, die Messwerte nicht Normalverteilt auf.

Statischer Test mit einem anderen BNO055-Sensor

Versuchsbeschreibung

Hier wurde ein statischer Test in einer definierten Lage durchgeführt. Hierfür wurde das Steckbrett auf einem Tisch platziert und während der Messung wurde darauf geachtet, dass sich das Steckbrett nicht bewegt.

Versuchsaufbau



Versuchsaufbau BNO055 im statischen Test

Versuchsauswertung

Link Excel-Datei: BNO055_Sensor2_Test_Statisch

Fazit

An den Histogrammen der verschiedenen Beschleunigungsdaten kann man, wie schon bei der ersten Messung, erkennen das die Beschleunigungsdaten in Z-Richtung sich von denen in X- und Y-Richtung unterscheiden.
Auffällig bei der Messung mit dem zweiten BNO055 Sensors ist ein "Vorzeichenfehler" bei den Messwerten, dieser erklärt sich jedoch durch die um 180° verdrehte Montage des Sensors. Deshalb sind bei diesem Sensor ähnliche Erkenntnisse wie bei den Tests mit dem ersten BNO055-Sensors zu treffen. Die Messwerte in Z-Richtung treten auch bei diesem Sensor nicht normalverteilt auf.

Statischer Test mit einem Attitude Heading Reference System (AHRS  3DM-GX3®-25 der Firma Microstrain)

Versuchsbeschreibung

Zum Vergleich der statischen gemessenen Werte des BNO055, haben wir eine Vergleichsmessung mit einem Profigerät zur Trägheitsnavigation durchgeführt. Das AHRS haben durch Kontakte in der Hochschule erhalten. Die Kernaussage die wir mit diesem Test bestätigen wollen, ist ob die Verteilung der Messwerte in Z-Richtung bei einem Profigerät genauso streut wie bei dem BNO055 oder ob die Messung/Berechnung der Werte hier genauer erfolgt.

Versuchsaufbau

Versuchsaufbau AHRS

Versuchsauswertung

Link Excel-Datei: AHRS_Test_Statisch

Fazit

Die Ergenisse des AHRS zeigen deutlich wie genau die Beschleunigungsdaten in X-,Y- und Z-Richtung aufgezeichnet werden können. Bei diesem System ist in der Z-Richtung wie auch in der X- und Y-Richtung eine Annäherung an die Gaus'sche Normalverteilung zu sehen. Aus diesem Versuch ziehen wir den Schluss, dass die Werte in Z-Richtung bei dem BNO055 auf eine andere Weise ermittelt werden als bei dem AHRS. Diese Ergenisse wurden der Firma Bosch Sensortech mitgeteilt und nach Hinweisen auf möglichen Ursachen gefragt. In den nachfolgenden Versuchen wurden die statischen Versuche bei Neigungswinkeln von 30° um jede Achse (Grenzzustände beim Betrieb) durchgeführt. Mit diesen Versuchen wollen wir sehen wie sich die bisher "kritische" Beschleunigung in Z-Richtung bei Neigung verhält und ob sich dieses Fehlerhafte Verhalten durch die Neigungswinkel auf die anderen Achsen überträgt.

Statische Tests mit Neigung des BNO055

30° Neigung um die X-Achse (Rollen)

Versuchsbeschreibung

In den folgenden Tests haben wir die statischen Versuche mit kritischen Neigungswinkeln (30° um jede Achse) im Drohnenflug durchgeführt. Hiermit wollten wir überprüfen ob sich der Fehler in der Z-Achse auf die anderen Achsen fortplfanzt.

Versuchsaufbau



Versuchsaufbau BNO055 (30° um die X-Achse geneigt)

Versuchsauswertung

Link Excel-Datei: BNO055_Sensor1_Test_30X_Statisch

30° Neigung um die Y-Achse (Nicken)

Versuchsbeschreibung

In den folgenden Tests haben wir die statischen Versuche mit kritischen Neigungswinkeln (30° um jede Achse) im Drohnenflug durchgeführt. Hiermit wollten wir überprüfen ob sich der Fehler in der Z-Achse auf die anderen Achsen fortplfanzt.

Versuchsaufbau



Versuchsaufbau BNO055 (30° um die Y-Achse geneigt)

Versuchsauswertung

Link Excel-Datei: BNO055_Sensor1_Test_30Y_Statisch

30° Neigung um die Z-Achse (Gieren)

Versuchsbeschreibung

In den folgenden Tests haben wir die statischen Versuche mit kritischen Neigungswinkeln (30° um jede Achse) im Drohnenflug durchgeführt. Hiermit wollten wir überprüfen ob sich der Fehler in der Z-Achse auf die anderen Achsen fortplfanzt.

Versuchsaufbau



Versuchsaufbau BNO055 (30° um die Z-Achse geneigt)

Versuchsauswertung

Link Excel-Datei: BNO055_Sensor1_Test_30Z_Statisch

Fazit aus den Neigungsversuchen

An den Histogrammen der statischen Neigungsversuche ist zu erkennen, dass die Beschleunigungen in Richtung der X- sowie der Y-Achse eine Annäherung an eine Normalverteilung darstellen. Jedoch ist die Beschleunigung in Richtung der Z-Achse wie auch schon bei dem statischen Test in Nulllage nicht Normalverteilt und weist außerdem die größte Range der Messwerte auf.

Aus den Ergebnissen kann man erkennen, dass der Fehler der Z-Achse sich durch die Neigungswinkel nicht auf die X- und Y-Achse fortpflanzt.

Es ist möglich das diese Verteilung auf einer Berechnung der Messwerte in Z-Richtung beruhen. Möglicherweise wurde ein Kalman-Filter Element benutzt um die Beschleunigungswerte in Z-Richtung abzuleiten. Um diese Vermutung zu bestätigen werden weitere statische Tests mit dem BNO055 durchgeführt. Es wird eine Messreihe durchgeführt um die Stabilität der Messwerte zu überprüfen. Hierfür wird der statische Test in Nullage in 15 Minuten Abständen durchgeführt und die erfassten Messwerte werden miteinander verglichen.

Stabilitätstest des Bosch BNO055

Sensor 1

Versuchsbeschreibung

Der BNO055 Sensor wurde auf mit einem Schraubstock und zwei Schraubzwingen fest positioniert. In einem definierten Zeitintervall werden die Messwerte des Sensors aufgezeichnet. Bei den statischen Versuchen zur Stabilität wurden 6 Messreihen mit je 2000 Messwerten aufgezeichnet. Aus jeder Messreihe wurde der Mittelwert der Beschleunigungen in X-,Y- und Z-Richtung in den Schaubildern dargestellt.

Versuchsaufbau



Versuchsaufbau BNO055 (in Schraubstock eingespannt)

Versuchsauswertungen

Link Excel-Datei: BNO055_Sensor1_Test_Stabilität

Fazit

Bei den Auswertungen zur Stabilität ist zu sehen, dass die Beschleunigungen in X- und Y-Richtung eine sehr geringe Streuung aufweisen. Bei der Streuung der Z-Achse spielt sehen wir eine etwas größere "Range" und können daher die Aussage treffen, dass die Messwerte in Z-Achse nicht stabil sind.