CN102725764B - 移动读取设备以及用于定位利用主动发射机应答器进行标记的对象的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定位利用发射机应答器进行标记的对象的移动读取设备。该读取设备具有用于接收由该发射机应答器所发送的信号的天线设备（110），其中所述天线设备具有主辐射方向。此外，设置电子组件以用于借助所接收的信号计算从读取设备到发射机应答器的方向。该读取设备进一步具有方位检测器，例如能够用于确定读取设备关于外部空间的绝对方位的电子罗盘。在天线的主辐射方向在空间中进行枢轴旋转并且测量信号强度时，同时确定在空间中的方位。将在时间点t所确定的方位分配给在相同时间点所测量的信号强度允许确定到发射机应答器的方向，原因在于可以假设当主辐射方向指向发射机应答器的方向时信号具有最大值。

Description

移动读取设备以及用于定位利用主动发射机应答器进行标记的对象的方法

技术领域

本发明涉及一种用于定位利用主动发射机应答器进行标记的对象的移动定位设备。

背景技术

例如在大型工业仓库中再次定位对象是显著的成本因素，这是因为搜索对象通常是极为耗时的。使用本身已知的RFID技术（“射频识别”，或者换句话说，借助于电磁波的识别）能够加速定位。相对应的RFID系统通常具有至少一个发射机应答器以及读取设备。也可以称为“标签”的发射机应答器被固定到对象上，所述对象例如被临时存储在仓库中并且要随后再次定位。为了再次找到所述对象或发射机应答器，使用读取设备。该读取设备发送RF请求信号，所述RF请求信号被发射机应答器接收、调制并且被反射或再次主动发送，其中调制相应于应当传送到所述读取设备的数据进行。通常将调制选择为，使得其至少适于清楚地识别发射机应答器。如果发射机应答器例如具有附加的传感器，则调制也可以依据该传感器所记录的测量数值来进行。附加地或可替换地，也可以在发射机应答器的相对应存储设备中存储任意数据，例如与发射机应答器固定在上面的对象相关的信息。相对应地这些数据也将包括在调制中。

特别是在主动RFID方法中，所谓的主动发射机应答器被用于以上所提到的用途，其中读取设备所发送的信号在调制之后并不被反射而是被主动发送。结果可以获得更大的作用范围，但是以发射机应答器更费事的构造为代价。例如，在这种情况下有必要设置电源。这里，也已知从电池或蓄电池运行到从发射机应答器环境获取运行所需能量的能量自足发射机应答器的不同的可能性。

原则上，利用主动发射机应答器进行标记的所寻找对象必须处于读取设备的读取作用范围之内以便能够被找到和识别。此外，在读取设备和发射机应答器之间不允许存在屏蔽发射机应答器信号的干扰性障碍。

根据所需的定位精确度，可以采用费事程度不同的定位方法，例如与相对应算法相结合的基于运行时间或基于场强度的定位。可利用这样的方法获得1 – 5 m的精确度。然而，所有这些方法所共有的是它们的实现需要相当复杂的、由定位站点（=读取设备）构成的基础设施，这些定位站点在必要时甚至还需要进行费事的定位、校准或者可能的时间上的同步。出于这种原因，这种具有高精确度的定位特别不适用于动态仓库，这是因为例如有可能不存在电源（例如，室外的建筑工地仓库）和/或因为通常无法保证基础设施的持久性建立。此外，如精确定位所需的紧凑型基础设施是如此的高成本，以至于加快重新定位对象的经济效益是相对的或者消失了。

原则上，还可能仅在基于场强度的测量的基础上来定位主动发射机应答器，其方法是假设发射机应答器必然处于测量到最强信号的方向上。为此，在读取设备在空间中枢轴旋转期间利用该读取设备执行场强度的测量。读取设备或天线至少在检测到最大信号电平之前一直枢轴旋转。然后所寻找的发射机应答器必定处于相对应的方向上。然而，该方法需要经过培训的人员。

发明内容

本发明的任务是说明移动读取设备和用于定位发射机应答器的方法。

该任务通过在独立权利要求中说明的发明来解决。有利的实施得自于从属权利要求。

在根据本发明的解决方案中，通过将定位功能完全集成到单个移动读取设备中解决了费事和成本高的定位基础设施的问题，所述移动读取设备能够说明到利用发射机应答器进行标记的所寻找对象的方向，而无需知道该发射机应答器和/或读取设备本身的当前位置。仓库管理员因此能够借助于该读取设备导航至相应的主动发射机应答器并且由此导航至所寻找对象。

根据本发明的移动读取设备具有：

- 天线设备，其用于接收能够由发射机应答器发送的信号S，其中所述天线设备具有主辐射方向；

- 电子组件，其用于借助所接收的信号S计算从读取设备到发射机应答器的方向，

- 显示设备，其上可以显示所计算的方向，

其中

- 该读取设备具有方位检测器，利用所述方位检测器能够确定该读取设备关于分配给外部空间的坐标系K_R的方位或方位变化。

有利地，电子组件被设计为，从利用天线设备所接收的信号的信号强度以及与信号强度同时确定的读取设备的方位R或方位变化△R来计算要在显示设备上显示的到发射机应答器的方向。

方位检测器尤其是被设计为说明外部空间中的绝对方位R。此外，可以设置相对传感器，其在数量上检测读取设备在外部空间中的方位变化。

可替换地，方位检测器被设计为说明外部空间中关于读取设备的特定起始位置的相对方位，尤其是相对于该起始位置的方位变化△R。

天线设备的主辐射方向可以相对于读取设备进行枢轴旋转。尤其是，天线设备自身可以相对于读取设备进行枢轴旋转。可替换地，天线设备的主辐射方向可以电子地枢轴旋转。

一种根据本发明的用于确定移动读取设备到发射机应答器的方向的方法，其中该读取设备具有具备主辐射方向的天线设备，该方法具有以下步骤：

- 天线设备从发射机应答器接收信号，

- 主辐射方向在接收期间关于外部空间进行枢轴旋转，其中在枢轴旋转期间测量所接收信号的强度并同时确定读取设备关于外部空间的方位或方位变化，

- 包括在枢轴旋转期间所测量的信号强度以及同时确定的方位或方位变化的这些数据组相互分配，其中在所测量的最大信号强度处所确定的方位或方位变化被识别为所寻找的到发射机应答器的方向。

主辐射方向通过以下方式进行枢轴旋转，即

- 将读取设备相对于外部空间进行移动，

- 将天线设备相对于读取设备进行移动，或者

- 使用电子枢轴旋转。

发射机应答器是被动发射机应答器，并且发射机应答器所发送的信号S是首先由读取设备所发送并且在发射机应答器上被反射的信号。

可替换地，发射机应答器是主动发送信号的主动发射机应答器。

优选地，确定关于外部空间的绝对方位，并且除此之外，尤其是在已经确定了到发射机应答器的方向之后，在数量上检测读取设备的方位变化，其中这些变化被用来改善或校正方向确定的结果。

借助于根据本发明的移动读取设备以及根据本发明的方法，仓库管理员例如能够通过主动发射机应答器的自动方位定位而导航至目标。这能够通过读取设备上相对应的显示而得到支持。读取设备完全替代了诸如定位基站或GPS卫星的任意定位基础设施。即使在没有该基础设施的情况下，也能够快速定位对象。作用范围内例如通过主动RFID标签所标记的所有对象都可以被用作导航目标。通过使用读取设备中的电子罗盘，无论仓库管理员或读取设备在空间中的方位如何，所说明的定位方向都是正确的。如果仓库管理员遵循读取设备的方向说明，则读取设备将仓库管理员引导至直接通向目标的路径。

附图说明

本发明另外的优点、特征和细节得自于以下所描述的示例性实施例以及借助附图得出。

在此示出了：

图1 仓库，

图2 读取设备的示图。

具体实施方式

图1示出了仓库1，其中例如仓库管理员的用户B借助于读取设备100寻找对象O，所述对象O处于仓库的货架10上并且利用主动发射机应答器200进行标记。向仓库1分配坐标系K_R。为了定位发射机应答器200，读取设备100或者更为普遍地读取设备100的（在图1中仅勾勒出的）天线的主辐射方向H在空间中枢轴旋转。

典型地，可商业获取的读取设备100至少具有以下组件（参见图2）：

- 天线设备110，其接收由主动发射机应答器200所发送的接信号S，

- 显示设备120，其上显示所确定的、从读取设备100到发射机应答器200的方向，和

- 电子组件130，在其中通过使用所接收的发射机应答器信号S以及对显示设备120以及可能的天线设备110的控制进行用于包括计算到发射机应答器200的方向在内的数据处理的所有处理。

为了确定从读取设备100到发射机应答器200的方向，可以使用不同的方法：

a）读取设备100在不同的方向上进行枢轴旋转，其中在枢轴旋转期间测量发射机应答器信号S。术语“枢轴旋转”不仅包括仅关于垂直线的往复旋转，还包括主辐射方向关于垂直线的完整360°旋转。依据枢轴旋转方向对所接收信号S的信号强度的分析产生发射机应答器200所处于的所寻找方向，其中测量到最大信号强度的方向对应于所寻找方向。理想情况下，天线设备110是定向天线110，其方向特性具有对应于天线设备110或定向天线110的主辐射方向的最大值。

b）为了简化对读取设备100的使用，读取设备100的天线设备110也可以被实施为可控制的定向天线110。这样的定向天线110的主辐射方向可以被实施为相对于读取设备100进行旋转或枢轴旋转，以便能够省略天线设备110或读取设备100的手动枢轴旋转。

这样的枢轴旋转能够通过内部机械枢轴旋转设备140来实现，利用所述内部机械枢轴旋转设备140，定向天线110自身相对于读取设备100进行枢轴旋转，和/或通过对多元件定向天线110的电气的、相位和幅度正确的控制来实现，例如在所谓的“相控阵列天线”中。后一种选择可以被称为主辐射方向的电子枢轴旋转。

这样的多元件定向天线110具有至少两个单独天线（未示出）。对多元件定向天线和/或枢轴旋转机构的控制可以经由电子组件130来进行。

c）可替换地，可以使用SAR算法（synthetic aperture radar，“合成孔径雷达”）。这里也执行枢轴旋转并且同时测量信号强度。在SAR算法的情况下，必须要非常精确地在速度和方向方面了解枢轴旋转的分布，即读取设备100必须还要具有相对应的传感器150。从以这种方式所记录的数据，能够重构发射机应答器所处的方向。

方法a）和b）的相同之处在于天线设备110必须被设计为定向天线，其主辐射方向机械或电子地进行枢轴旋转。同时测量信号强度对于瞬时方向的依赖性。除了依据主辐射方向的瞬时方位所到来的发射机应答器信号S的信号强度之外，相位测量还允许推断出到发射机应答器200的方向。例如，如果天线设备110具有两个（或更多）接收发射机应答器信号S的单独天线，则在这些单独天线上所接收的信号的两个相位均依赖于到发射机应答器200的方向：如果两个天线到发射机应答器的距离相等则相位差为零。这适用于2π的唯一性范围。如果天线装置要进行旋转，则相位也将会变化，其中该变化取决于信号的波长和天线装置。因此，可以通过将单独天线上的相位进行比较来确定方向。自然地，相位测量方法可以与信号强度的测量相结合以提高方向确定的准确性。

利用根据a）和b）的已知方法，用户B在枢轴旋转期间观看读取设备上对所接收的信号强度的显示并且因此确定发射机应答器所处的大致方向。然而，该方法是不精确的并且在使用读取设备时以一定的灵敏度或经验为先决条件。

与a）和b）不同，在方法c）中不需要定向天线，即天线设备110在这里较不费事。另一方面，在方法c）中，在电子组件130中需要更高的计算功率或信号处理。

除了以上所提到的典型部件之外，根据本发明的读取设备100还具有方位设备160，其用于简化到发射机应答器200的方向的确定。

在第一实施方式中，方位检测器160允许在空间中确定读取设备100的绝对方位。方位检测器160例如可以被设计为电子罗盘160。罗盘160被集成到读取设备100中并且连接到电子组件130。天线设备110的主辐射方向例如如结合方法a）或b）所解释的在空间中进行枢轴旋转并且在此过程中测量从发射机应答器200所接收的信号强度，而同时使用罗盘确定读取设备100在空间中的方位R。这两个数据组都被输送至电子组件130，它们在那里相互补偿或者相互分配。该补偿例如可以在于：将在时间点t1所测量的信号强度S(t1)分配给在相同时间点t1所确定的方位R(t1)。因此可能自动确定在哪个方向上测量出最大场强度。由于假设所接收的信号在主辐射方向指向发射机应答器的方向的情况下具有最大电平，所以能够以这种方式来确定到发射机应答器的方向。

替换使用可以用于确定读取设备在空间中的绝对方位的电子罗盘，可以在第二实施方式中使用方位检测器160，其仅允许确定相对方位或者确定方位变化。该相对方位涉及读取设备的特定起始位置。该起始位置例如可以是读取设备在其开机的时间点或者在激活搜索模式的时间点等的方位。例如，可以在读取设备上设置开关（未示出），在该开关被操作时确定作为读取设备的瞬时方位的起始位置。

这样的用来确定关于起始位置的相对方位的方位检测器160可以是例如陀螺仪160的相对传感器。

因此在第二实施方式中，读取设备100的方位检测器160并不允许确定绝对方位，而是仅允许检测方位变化。然而，这对于确定到发射机应答器200的方向这一目的来说是完全足够的。同样在第二实施方式中，读取设备100的天线设备110的主辐射方向在空间中进行枢轴旋转并且在该过程中测量从发射机应答器200接收的信号强度。与此同时，利用陀螺仪160确定读取设备100在空间中的方位R的变化。这两个数据组都被输送至电子组件130，它们在那里相互进行补偿。

这两个实施例的相同之处在于可以自动借助信号强度以及绝对或相对方位的同时确定而自动显示发射机应答器处于什么方向。因此大幅简化了方向的确定，原因在于读取设备的用户不再需要手动地搜索最大信号。

关于第一实施方式，能够想到的是设置附加的相对传感器170，例如加速度传感器。在确定了到发射机应答器200的方向之后，借助于相对传感器170在数量上检测读取设备100的至少方位变化，也就是尤其是关于垂直线的旋转。此外，还可以检测位置变化。这些数据被输送至电子组件130。在那里这些数据例如被用来改善以上所描述的方向估计的结果，或者例如在读取设备100在空间中进行移动期间或之后对所述结果进行验证或校正。

可替换地或附加地，借助于相对传感器170的输出数据例如在发射机应答器信号S被障碍所屏蔽并且因此不再被接收到的情况下，可以对已经被确定并且显示在显示设备120上的到发射机应答器200的方向进行校正并相应地重新显示。例如，如果在读取设备的方位变化之前确定从读取设备100到发射机应答器200的相对方向与读取设备的纵向方向成w=±30?的角度，并且然后如果在不再接收到发射机应答器信号S之后利用相对传感器170确定方位已经变化了△w=+10?，则电子组件130将计算出经校正的到发射机应答器200的相对方向w’现在必定与读取器设备100的纵向方向成w’=w-△w=±20?的角度。相对应的计算可以在读取设备100的位置有所变化的情况下进行。

读取设备100的不同组件，即天线设备110、显示器120、枢轴旋转设备140、传感器150、电子罗盘160以及可选的相对传感器170全部连接至电子组件130（未示出）。

除了确定方向之外，例如还可以借助所测量的信号强度来估计从读取设备100到发射机应答器200的距离并且在显示设备120上进行显示。相对传感器170还可以被用来确定读取设备100和发射机应答器200之间的距离：相对传感器170确定读取设备100的所经过的路径或位置变化，而同时测量发射机应答器信号S的信号强度。这些数据被输送至电子组件130。由于信号强度随着到发射机应答器200的距离而减小，所以能够利用信号强度的分布推断出发射机应答器200所处的方向。例如，在信号强度减小时假设正在远离发射机应答器200，反之亦然。借助所测量信号强度变化的速度能够更为精确地估计方向，而不仅是估计例如是否正在远离发射机应答器200：发射机应答器200位于信号强度增大或者减小最快的方向。定向天线对此是不需要的。

已经结合主动发射机应答器对本发明进行了描述。然而，原则上对于功能性而言采用主动发射机应答器并非是绝对必要的，即原则上也可以使用被动发射机应答器，其接收例如从读取设备发送的信号，必要时对所述信号进行调制并重新发送。

读取设备例如可以被设计为PDA（Personal Digital Assistant，个人数字助理）的类型。

Claims (14)

1.一种移动读取设备（100），具有：

- 天线设备（110），其用于接收能够由发射机应答器（200）所发送的信号S，其中所述天线设备（110）具有主辐射方向；

- 电子组件（130），其用于借助所接收的信号S计算从读取设备（100）到发射机应答器（200）的方向，

- 显示设备（120），其上能够显示所计算的方向，

其中

- 该读取设备（100）具有方位检测器（160），利用所述方位检测器（160）能确定该读取设备（100）关于外部空间（1）的方位或方位变化，而且

其中

所述电子组件（130）被设计为，从在主辐射方向在接收期间关于外部空间（1）进行枢轴旋转期间对利用天线设备（110）接收的信号所测量的信号强度以及与该信号强度同时确定的读取设备（100）的方位R或方位变化△R来计算要在显示设备（120）上显示的到发射机应答器（200）的方向。

2.根据权利要求1的移动读取设备，其特征在于，所述方位检测器（160）被设计为说明外部空间（1）中的绝对方位R。

3.根据权利要求2的移动读取设备，其特征在于，还设置相对传感器（170），其在数量上检测读取设备（100）在外部空间（1）中的方位变化。

4.根据权利要求1的移动读取设备，其特征在于，所述方位检测器（160）被设计为说明外部空间（1）中关于读取设备（100）的特定起始位置的相对方位。

5.根据权利要求4的移动读取设备，其特征在于，所述方位检测器（160）被设计为说明外部空间（1）中相对于起始位置的方位变化△R。

6.根据上述权利要求1-5之一的移动读取设备，其特征在于，所述天线设备（110）的主辐射方向能够相对于读取设备（100）进行枢轴旋转。

7.根据权利要求6的移动读取设备，其特征在于，所述天线设备（110）能够相对于读取设备（100）进行枢轴旋转。

8.根据权利要求6的移动读取设备，其特征在于，所述天线设备（110）的主辐射方向能够电子地枢轴旋转。

9.一种用于确定从移动读取设备（100）到发射机应答器（200）的方向的方法，其中该读取设备（100）具有具备主辐射方向的天线设备（110），其中在该方法中：

- 天线设备（110）从发射机应答器（200）接收信号，

- 主辐射方向在接收期间关于外部空间（1）进行枢轴旋转，其中在枢轴旋转期间测量所接收信号的强度并同时确定读取设备（100）关于外部空间（1）的方位或方位变化，

- 包括在枢轴旋转期间所测量的信号强度以及同时确定的方位或方位变化的这些数据组被相互分配，其中在所测量的最大信号强度处所确定的方位或方位变化被识别为所寻找的、到发射机应答器（200）的方向。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述主辐射方向通过以下方式进行枢轴旋转，即

- 将读取设备相对于外部空间进行移动，

- 将天线设备相对于读取设备进行移动，或者

- 使用电子枢轴旋转。

11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，所述发射机应答器是被动发射机应答器，并且由发射机应答器所发送的信号S是首先由读取设备所发送并且在发射机应答器上被反射的信号。

12.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，所述发射机应答器是主动发射机应答器并且主动发送信号。

13.根据权利要求9或10的方法，其特征在于，确定关于外部空间的绝对方位，并且除此之外，在数量上检测读取设备的方位变化，其中这些变化被用来改善或校正方向确定的结果。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，在已经确定了到发射机应答器的方向之后，在数量上检测读取设备的方位变化。