Sensoren und Hardware

Funktionsweise von Aktuatoren – BLDC-, Schritt- und Servomotoren

Wir vergleichen die Aktuatoren, die als „Muskeln“ eines Roboters dienen, aus drei Perspektiven: den BLDC-Motor, den Schrittmotor und den Servomotor. Diese drei Kategorien sind eigentlich nicht parallel zu betrachten; Motorkonstruktion (BLDC/Schrittmotor) und Steuerungsarchitektur (Servo) sind zwei unterschiedliche Aspekte, die oft vermischt werden. Indem wir diese Verwirrung auflösen, verfolgen wir die tatsächlichen Kompromisse zwischen Drehmoment, Ansprechverhalten und Steuerung – von NASAs Problem des Bürstenverschleißes im Vakuum bis hin zur Entstehung von Wieners Kybernetik.

Funktionsweise von Eventkameras (DVS) und wichtige Produkte – Prophesee, iniVation

Anders als herkömmliche Kameras, die kontinuierlich Einzelbilder in festen Intervallen aufnehmen, erfassen Ereigniskameras (Dynamic Vision Sensor, DVS) von jedem Pixel unabhängig den Moment seiner Helligkeitsänderung in Mikrosekundenauflösung. Wir verfolgen die Entwicklung der realen Chips – Prophesee Metavision, iniVation DVXplorer/DAVIS, Samsung DVS-Gen4 – von der Forschung zur Silizium-Retina im Jahr 1988 bis zur Übernahme durch iniVation im Jahr 2024, den Datensatz DSEC für autonomes Fahren mit Stereo-Ereigniskameras sowie die SLAM-Forschung an Bord von UAVs.

Fundamentals · 12 Min. Lesezeit

Funktionsweise von Magnetometern und die wichtigsten Produkte – Bosch, ST, Honeywell

Das Magnetometer, das die Richtung des Erdmagnetfelds misst, um den Kurs zu bestimmen, ist der einzige Sensor, der, solange er mit Strom versorgt wird, kontinuierlich eine absolute Richtungsreferenz liefert – vom elektronischen Kompass eines Smartphones über die Gierwinkelkorrektur einer Drohne bis hin zur Lageregelung eines CubeSat. Dieser Artikel erläutert die vier zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien – den Hall-Effekt, AMR, GMR und Fluxgate-Effekt –, vergleicht die Spezifikationen realer Chips wie Bosch BMM150, STMicroelectronics LIS3MDL und Honeywell HMC5883L, behandelt den Hart-/Weicheisenfehler und dessen Kalibrierung, die AHRS-Sensorfusion mit einer IMU sowie die Geschichte der Technologie von der Erzprospektion über die U-Boot-Jagd im Zweiten Weltkrieg und die Mondforschung bis hin zur heutigen Lageregelung von CubeSats.

Funktionsweise von drahtlosen Kommunikationsmodulen – ESP32, nRF52840, SX1262

„Die Messwerte eines Sensors werden fast immer über Funkwellen außerhalb seines Gehäuses übertragen. Wir zeigen, wie Wi-Fi mit OFDM orthogonale Subträger nutzt, um Mehrwegeausbreitung zu vermeiden, wie BLE mit GFSK-Modulation und Sterntopologie einen zyklischen Betrieb ermöglicht und wie LoRa mit Chirp Spread Spectrum (CSS) die Reichweite gegen die Datenrate im Spreizfaktorbereich SF7-12 abwägt – alles anhand konkreter Chips wie dem ESP32-C6, Nordic nRF52840, Semtech SX1262, TI CC2652R7 und MultiTech mDot. Von der Namensgebungsdebatte um Wi-Fi im Jahr 1999 über den Namen Bluetooth, der 1996 von einem Beinamen eines dänischen Königs aus dem 10. Jahrhundert abgeleitet wurde, bis hin zur Geschichte der Übernahme von LoRa durch Semtech durch das von einem kleinen französischen Start-up-Unternehmen entwickelte LoRaWAN-Smart-Meter-Netzwerk von ZENNER, das bereits über 10 Millionen Nutzer umfasst.“ Bei diesen Geräten untersuchen wir, wie Frequenzband, Sendeleistung, Empfindlichkeit und Topologie ausgewählt werden.“

Sensoren und Hardware September 2, 2026

Funktionsweise von Akkus und Batteriemanagementsystemen – Molicel, DJI, Samsung SDI

Die Reichweite und Sicherheit eines Roboters oder einer Drohne hängen nicht vom Motor oder der Sensorik ab, sondern vom Akku und seinem Batteriemanagementsystem (BMS). Wir vergleichen die technischen Daten von Molicels Hochleistungszellen, DJIs intelligenten Flugakkus und Samsung SDIs Vorstoß in Richtung Festkörperbatterien der nächsten Generation – von der Elektrochemie von Lithium-Ionen-Zellen bis hin zu Zellausgleichs- und Schutzschaltungen. Dabei beleuchten wir auch, was der Brand der Boeing 787 der Branche über die Grenzen eines BMS gelehrt hat.

Fundamentals · 12 Min. Lesezeit

Sensoren und Hardware September 2, 2026

Funktionsweise von Kraft- und Tastsensoren – ATI, Bota, XELA

„Kraftsensoren verleihen einem Roboterarm sein ‚Armgefühl‘, und taktile Sensoren verleihen einer Roboterhand ihr ‚Fingerspitzengefühl‘. Wir verfolgen die physikalischen Grundlagen von Dehnungsmessstreifen über drei taktile Sensoransätze – piezoresistiv, kapazitiv und optisch – und untersuchen reale Produkte von ATI, Bota Systems und XELA Robotics bis hin zur prothesenartigen Hand von Shadow Robot mit 129 Sensoren, neben der wahren Geschichte der gleichzeitigen Erfindung des Dehnungsmessstreifens im Jahr 1938.“

Sensoren und Hardware September 2, 2026

Funktionsweise von Einplatinencomputern und wichtige Produkte – Raspberry Pi 5, Jetson, Coral

Wir vergleichen eingebettete Computer, die als „Gehirn“ von Robotern dienen, anhand dreier Designphilosophien: dem universellen SoC des Raspberry Pi 5, dem GPU-integrierten KI-Computer NVIDIA Jetson Orin und dem dedizierten ASIC von Google Coral. Wir beleuchten die Bedeutung der Effizienzkennzahl TOPS/W, die Gründe für die Wahl eines universellen SoC im Newbot-Projekt und die ab 2026 zu erwartende DRAM-Knappheit in KI-Rechenzentren, die den Markt für Hobby-SBCs treffen wird.

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Sensoren und Hardware August 28, 2026

Funktionsweise von Ultraschallsensoren und wichtige Produkte – Bosch, Murata, Toyota ICS

„Ein Ultraschallsensor misst die Entfernung eines Hindernisses in der Nähe anhand der Laufzeit eines Ultraschallimpulses – das akustische Pendant zu LiDAR. Er kann Hindernisse durchdringen, die optische Sensoren stören, darunter transparentes Glas und schwarze Objekte, seine effektive Reichweite ist jedoch auf wenige Meter begrenzt. Wir analysieren die Echoortung von Fledermäusen, die Entwicklung von Sonar im Ersten Weltkrieg, die gemessene Reichweite des Bosch USS Gen 6, die Murata MA40S4S- und MaxBotix-Module, die in der Robotik Standard sind, sowie das praktische Beispiel des intelligenten Freihaltungssonars von Toyota mit acht Sensoren – und wie sich all dies auf die tatsächliche Leistung auswirkt.“

Sensoren und Hardware August 22, 2026

Funktionsweise von Radar und wichtige Produkte – Continental, Bosch, Honda SENSIB

„Millimeterwellenradar misst Entfernung und relative Geschwindigkeit anhand der Reflexion von Radiowellen und ist damit der Sensor, der am wenigsten anfällig für Regen, Nebel, Blendung und andere widrige Bedingungen ist, die optische Sensoren beeinträchtigen. Wir erläutern, wie die Schwebungsfrequenz von FMCW gleichzeitig Entfernung und Geschwindigkeit liefert, die technologische Entwicklung des Radars, die bis zu Chain Home im Zweiten Weltkrieg zurückreicht, Teslas Abkehr von der Radartechnologie und deren spätere Wiedereinführung, die 4D-Bildgebungsspezifikationen des Continental ARS540 und das praktische Beispiel der 360-Grad-Abdeckung durch fünf Radargeräte von Honda SENSING 360 – und wie sich all dies auf das Verhältnis von Reichweite, Sichtfeld und Auflösung auswirkt.“

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Sensoren und Hardware August 16, 2026 Lab

Funktionsweise von GNSS und wichtige Produkte – u-blox, Trimble, Fixposition

„RTK kombiniert Satellitenpositionierung mit Korrekturdaten einer Basisstation und reduziert so den Fehler der alleinigen GNSS-Positionierung, der mehrere Meter beträgt, auf Zentimeterebene. Wir erläutern, wie die Zweifrequenzpositionierung die ionosphärische Verzögerung kompensiert, wie u-blox mit dem ZED-F9P kostengünstiges RTK zum Massenprodukt machte, Trimble RTX und das japanische System Michibiki (QZSS) sowie das Praxisbeispiel von Kubotas landesweitem Netzwerk aus 342 RTK-Basisstationen für Landmaschinen – und wie sich all dies auf die tatsächlich erzielbare Positionsgenauigkeit auswirkt.“

Sensoren und Hardware August 10, 2026

Funktionsweise von IMUs und wichtige Produkte – Xsens, Bosch, Analog Devices

„Eine IMU kombiniert einen Beschleunigungsmesser mit einem Gyroskop, um die translatorische Beschleunigung und die Rotationsgeschwindigkeit eines Fahrzeugs direkt zu erfassen. Im Gegensatz zu Kameras oder LiDAR ist sie von nichts Externem abhängig – doch diese Unabhängigkeit hat einen unvermeidlichen Nachteil: Mit der Zeit akkumulieren sich Fehler (Drift). Wir erläutern das Prinzip des MEMS-Gyroskops, die Allan-Varianz-Rauschanalyse, die Leistungsskala von Consumer-Chips bis hin zu Navigationsmodulen und die Produktstrategie der MTi-Serie von Xsens.“

Sensoren und Hardware August 4, 2026

Funktionsweise von Tiefenkameras und wichtige Produkte – RealSense, Kinect, Orbbec

Aktives Stereo projiziert ein Muster mit einem Infrarotstrahler und führt Stereo-Matching durch; strukturiertes Licht misst die Tiefe anhand der Verzerrung eines bekannten Musters; Laufzeitmessung ermittelt die Entfernung direkt aus einer Phasenverschiebung – drei parallel existierende Ansätze für Tiefenkameras. Wir betrachten die Prinzipien hinter jedem dieser Verfahren und praktische Beispiele der Intel RealSense D435i, Microsoft Kinect, Orbbec Femto Bolt und iPhone TrueDepth und verfolgen, wie die Technologie des israelischen Startups PrimeSense die Entwicklung von Kinect ermöglichte, von Apple übernommen wurde und schließlich als Face ID wiedergeboren wurde.

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Sensoren und Hardware July 29, 2026

Funktionsweise von Stereokameras und wichtige Produkte – ZED 2i, Subaru EyeSight

Eine Stereokamera ermittelt die Entfernung durch Triangulation der Disparität zwischen zwei Linsen und löst so das Problem der absoluten Skalierung, das monokulare Kameras grundlegend einschränkt. Wir betrachten die technischen Daten der Stereolabs ZED 2i, Luxonis OAK-D und e-con Systems TARA und verfolgen den Kompromiss zwischen Basislinienlänge anhand der Entwicklung von Subarus EyeSight, das seit 2008 in über 5 Millionen Fahrzeugen verbaut wurde – sowie die Geschichte, wie der Entwickler von EyeSight Subaru verließ, um sein eigenes Start-up für Stereovision zu gründen.

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Sensoren und Hardware July 23, 2026

Funktionsweise von Monokularkameras und wichtige Produkte – Mobileye, Tesla, Continental

Eine monokulare Kamera erfasst Fahrbahnmarkierungen, Schilder und Hindernisse durch ein einzelnes Objektiv. Dies ermöglicht niedrige Kosten und eine kompakte Bauweise, bringt aber eine grundlegende Einschränkung mit sich: Ein einzelnes Bild allein kann keine absolute Entfernung bestimmen. Wir betrachten Beispiele aus der Praxis von Mobileye EyeQ6L, Tesla HW4, Continental MFC500 und comma.ai, um zu sehen, wie diese Systeme diese Einschränkung umgehen. Außerdem verfolgen wir die Entwicklung von Mobileye aus einem Labor der Hebräischen Universität und dessen Übernahme durch Intel für über 15 Milliarden US-Dollar sowie Teslas Entscheidung von 2021, Radar aus Tesla Vision zu entfernen.

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Sensoren und Hardware July 19, 2026

Wie LiDAR funktioniert und wichtige Produkte – Livox, Velodyne, Hesai

LiDAR misst Entfernungen anhand der Laufzeit des Lichts – vom rotierenden Velodyne Puck über den nicht rotierenden Livox Mid-360S, der die Kosten senkte, bis hin zu den chinesischen Anbietern Hesai und RoboSense. Wir vergleichen die Spezifikationen realer Produkte und zeichnen die wahre Geschichte der Branche nach – von der DARPA Grand Challenge über die DJI-Ausgründung bis zum Scheitern des Volvo-Deals mit Luminar.