CN111836231A - 用于定位可移动对象的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于定位可移动对象的方法，可移动对象包括第一发送器和第二发送器，其中，第一发送器和第二发送器相对彼此以几何间距来布置，并且第一发送器发送第一信号，而第二发送器发送第二信号，其中，第一信号和第二信号在时间上彼此同步；并且此外设置接收器，该接收器通过接收装置接收第一信号并且确定第一方向，其中从所述第一方向来接收第一信号，并且接收第二信号并且确定第二方向，其中从所述第二方向来接收第二信号，并且确定第一信号和第二信号之间的运行时间差，并且由评估装置由该运行时间差、该间距、该第一方向和该第二方向来确定可移动对象的位置。

Description

用于定位可移动对象的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于定位可移动对象的方法和系统。
背景技术
在许多应用中，需要精确地定位对象，例如车辆、机器人或集装箱，以便履行如导航、工业过程或物流这样的领域中的任务。
高精度定位可能在技术上变得非常复杂，或者系统可能例如限制足够的电源功率可用性，或者对无线电通信在作用距离、发送器方向或带宽方面进行限制，由此可能会不希望地限制定位。
因此，例如对于UWB无线电通信（超宽带）可能存在以下要求：仅仅移动单元允许在专门设置用于交通应用的频率范围内进行发送，其中所述频率范围具有针对精确定位所需的带宽。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于精确定位对象的方法或设备，其中，固定放置的单元接收相应的高频信号并且不发射高频信号，也就是说，不执行数据的发送，而是仅仅由待定位的对象所包括的移动单元发送高频信号或数据。
根据本发明的用于定位可移动对象的任务通过一种方法来解决，在该方法中，可移动对象包括第一发送器和第二发送器，其中，第一发送器和第二发送器相对彼此以几何间距来布置，
并且第一发送器发送第一信号，而第二发送器发送第二信号，其中，第一信号和第二信号在时间上彼此同步；
并且此外设置接收器，该接收器通过接收装置
· 接收第一信号并且确定第一方向，其中从所述第一方向来接收第一信号，并且
· 接收第二信号并且确定第二方向，其中从所述第二方向来接收第二信号，并且
· 确定第一信号和第二信号之间的运行时间差，
并且由评估装置由该运行时间差、该间距、该第一方向和该第二方向来确定可移动对象的位置。
由此实现以简单的方式提供一种方法，该方法允许以高精度进行定位，并且省去了用于远离该对象地进行位置确定的发送器的运行。
一种优选的实施方式规定：远离可移动对象地布置接收器。换句话说，在接收器和可移动对象之间不存在物理连接。
在本发明的一种扩展方案中规定，借助通信装置将可移动对象的位置从评估装置传输到控制设备。
由此实现了，布置在可移动对象上的设备可以接收并进一步处理可移动对象的位置。
根据本发明的用于定位可移动对象的任务也通过一种系统来解决，在该系统中，所述可移动对象包括第一发送器和第二发送器，所述第一发送器和所述第二发送器相对彼此以几何间距来布置，
并且该第一发送器被设立用于发送第一信号，而该第二发送器被设立用于发送第二信号，其中，第一信号和第二信号在时间上彼此同步，
并且此外设置接收器，该接收器被设立用于，通过接收装置
·接收第一信号并且确定第一方向，其中从所述第一方向来接收第一信号，并且
·接收第二信号并且确定第二方向，其中从所述第二方向来接收第二信号，并且
· 确定第一信号和第二信号之间的运行时间差，
并且，接收器包括评估装置，该评估装置被设立用于，由该运行时间差、该间距、该第一方向和该第二方向来确定可移动对象的位置。
在本发明的一种扩展方案中规定，可移动对象是车辆，尤其优选是公共汽车，并且可移动对象例如处于交通路线上。
通过利用具有相应的发送设备的可移动的车辆来应用该方法，能够实现车辆相对于接收器的相对位置确定。由此，例如，可以以非常高的精度、例如在cm范围内的精度以简单的方式来确定车辆、例如载客汽车、载重汽车或公共汽车在交通路线上或在交通区、例如道路或十字路口上的位置。
有利的是，车辆侧的发送装置具有小的结构型式、简单的系统架构并且是低成本的，如通过简单的没有复杂的信号处理的发送设备能够实现的那样。
在本发明的一种扩展方案中规定，接收器以固定的方式优选布置在交通路线上或交通路线旁。
有利的是，道路侧的接收装置具有信号评估设备，因为在道路侧，与车辆侧的设备相比，鉴于结构尺寸、电流消耗、系统复杂性或成本方面通常存在较低的要求。
在交通路线上或在交通路线旁意指，实现在两个发送器和接收器之间的几何上的邻近，以便有利地设计系统的作用距离并且能够以足够的质量接收和评估接收信号。发送功率通常通过无线电规定（Funkvorschrift）来调节。
由此实现了，可以将接收器例如安装在以下位置处：例如道路上或道路旁的交通标志、交通信号灯或其他装置处。接收器的位置可以借助常规的测地学（geodätisch）方法来确定，由此可以进行车辆的绝对位置确定。
在本发明的一种扩展方案中规定，第一发送器和第二发送器分别是UWB发送器，其优选地在4GHz或6.5GHz的频率范围内并且特别优选地以500MHz的带宽来工作。
由此实现了，可以将有利的大的带宽用于高精度的位置确定。
在本发明的一种扩展方案中规定，此外包括控制设备以及通信装置，其中，该通信装置被设立用于，在评估装置与控制设备之间建立通信信道，并且该系统被设立用于，将可移动对象的位置从评估装置经由通信信道传输到控制设备。
由此实现了，经由无线电通信连接的控制设备可以接收并进一步处理可移动对象的或车辆的所确定的位置。
在本发明的一种扩展方案中规定，控制设备由可移动对象所包括并且优选地是驾驶员辅助系统，特别优选地是导航系统。
由此实现了，将控制设备布置在例如车辆上，由此可以在车辆上进一步处理所求取的位置信息。
在本发明的一种扩展方案中规定，通信装置是根据ITS-G5或IEEE 802.11p标准的无线电通信系统。
由此实现了，同样通过根据本发明的方法利用已经可以集成在车辆中用于其他应用的通信信道并且因此可以产生与车辆中的其他系统的协同作用。
本发明的所提到的扩展方案可以彼此相结合。
附图说明
下面根据在所附的图中示出的实施例进一步阐述本发明。在图中：
图1示出根据本发明的方法的用于定位车辆的情形（Szenario）的示意性示例；
图2示出根据图1的布置的示意性框图；
图3示出图2的简化示图。
显然，未示出根据本发明的系统的或用于实施根据本发明的方法的所有部分，例如电子控制组件、电源和紧固组件。为了更好理解的目的，未示出和描述这些部分。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明的系统的一个实施例，该实施例具有用于定位车辆100、例如公共汽车的情形，其中该车辆处于交通区（Verkehrsfläche）上，该交通区在本示例中是交叉路口。
车辆100具有相对彼此以几何间距105来布置的第一发送器110和第二发送器120。
两个发送器110和120之间的几何间距105应该尽可能大，例如2至5米，并且通常受到车辆100的尺寸的限制。如果车辆例如是公共汽车，则可以实现还要更大的间距，例如5至15米。
第一发送器110被设立用于发送第一信号111。第二发送器120被设立用于发送第二信号121，其中，第一和第二信号111、121在时间上彼此同步。
第一和第二发送器111、121分别是UWB发送器，其例如在4GHz或6.5GHz的频率范围内并且以500MHz的带宽工作。
在交通区或交通路线旁或者邻近交通区或交通路线，以固定的方式设置接收器10-12，该接收器10-12被设立用于通过接收装置
· 接收第一信号111并确定第一方向112，其中从所述第一方向来接收第一信号111，以及
· 接收第二信号121并确定第二方向122，其中从所述第二方向来接收第二信号121。
如现有技术中已知的那样，可以通过相应的接收装置——例如通过天线组、IQ接收器和评估单元来确定相对于相应的发送器110、120的接收角112、122。
图2详细地示出根据图1的情形。
接收器10-12还被设立用于通过接收装置20确定第一信号111和第二信号121之间的运行时间差115。
这例如可以通过两个信号111和121之间的相位测量来进行。
接收器10-12还具有评估装置21，该评估装置被设立用于由运行时间差115、间距105、第一方向112和第二方向122来确定可移动对象100的位置。
例如，为了改善两个信号111和121的信号质量，可以使用卡尔曼滤波器，由此，可以减小真实测量值中的误差或者可以提供针对不可测量的系统参量的估计。
图3示出三角形的示图，三角形应以简化的方式代表图2的情形。
第一个三角形由点A、B和C构成。
点A相应于第二发送器120的位置。
点B相应于根据图2的位置107。
点C相应于第一发送器110的位置。
此外，为更简单的表示，棱边也意指其棱边长度。
棱边a连接点B和C，其中，可以由运行时间差115计算棱边a的棱边长度，作为等效几何距离：
Figure 343945DEST_PATH_IMAGE001
。
因此，可以由光速c和所测量的时间t大致确定路径s。换句话说，运行时间差115可以由接收装置20通过第一信号111和第二信号121之间的时间偏移来确定。
在第一个三角形中，角α与棱边a相对置。
棱边b连接点A和C并且相应于第一发送器110和第二发送器120之间的间距105。
在三角形中，角β与棱边b相对置。
棱边c连接点A和B。
在三角形中，角γ与棱边c相对置。
等腰的第二个三角形由点A、B和D构成，其中，点A和B以及棱边c与所述第一个三角形相同。
点D相应于接收装置20的位置，即，例如接收装置20的接收天线的位置。
所述第二个三角形的分别等长的两个腰d张开角δ，其中，该角δ通过相对于发送器的第一接收角112与相对于发送器的第二接收角122之间的角度差形成。通过确定角度差来补偿用于接收角测量的参考坐标系。
角δ与棱边c相对置。
所述第二个三角形可以简单地分为两个对称的第三三角形，它们包围：具有δ/2的第一角、第二角ε和直角的第三角。
根据三角形的内角定理（Innenwinkelsatz）
Figure 526664DEST_PATH_IMAGE002
以及所述第一个三角形和所述第二个三角形之间的关系
Figure 775243DEST_PATH_IMAGE003
可以确定角
Figure 373715DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 656928DEST_PATH_IMAGE005
由正弦定理
Figure 744970DEST_PATH_IMAGE006
可以确定角
Figure 979380DEST_PATH_IMAGE007
。
因此可以确定角
Figure 381543DEST_PATH_IMAGE008
Figure 722525DEST_PATH_IMAGE009
。
现在，通过余弦定理可以确定棱边长c：
Figure 919151DEST_PATH_IMAGE010
此外，所寻求的距离d可以通过以下来确定：
Figure 939060DEST_PATH_IMAGE011
并且因此确定车辆100的位置。
此外，该系统可以包括控制设备30和通信装置22，其中，通信装置22被设立用于，在评估装置21和控制设备30之间建立通信信道25，并且该系统被设立用于，将可移动对象100的位置从评估装置21经由通信信道25传输到控制设备30。
控制设备30可以由车辆100所包括并且可以是例如驾驶员辅助系统或导航系统。
通信装置22可以是根据ITS-G5或IEEE 802.11p标准的具有相应的通信信道的无线电通信系统。
附图标记列表
10-12 接收器
100 车辆
105 两个发送器之间的几何间距
106 三角形的棱边长
107 三角形的角点
110、120 发送器
111、121 信号
112、122 相对于发送器的接收角
121 两个发送器的信号之间的运行时间差
130 三角形的角
20 接收装置
21 评估装置
22 通信装置
25 通信信道
30 控制设备
a、b、c、d 三角形的棱边
A、B、C、D 三角形的角点
α、β、γ、δ、ε 三角形的角。

Claims (9)

1.一种用于定位可移动对象（100）的方法，所述可移动对象包括第一发送器（110）和第二发送器（120），所述第一发送器和所述第二发送器相对彼此以几何间距（105）来布置，
并且所述第一发送器（110）发送第一信号（111），而所述第二发送器（120）发送第二信号（121），其中，所述第一信号和所述第二信号（111、121）在时间上彼此同步，
并且此外设置接收器（10-12），所述接收器通过接收装置（20）
· 接收所述第一信号（111）并且确定第一方向（112），其中从所述第一方向来接收所述第一信号（111），并且
· 接收所述第二信号（121）并且确定第二方向（122），其中从所述第二方向来接收所述第二信号（121），并且
· 确定所述第一信号（111）和所述第二信号（121）之间的运行时间差（115），
并且，由评估装置（21）由所述运行时间差（115）、所述间距（105）、所述第一方向（112）和所述第二方向（122）来确定所述可移动对象（100）的位置。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中，借助通信装置将所述可移动对象（100）的位置从所述评估装置（21）传输到控制设备（30）。
3.一种用于定位可移动对象（100）的系统，所述可移动对象包括第一发送器（110）和第二发送器（120），所述第一发送器和所述第二发送器相对彼此以几何间距（105）来布置，
并且所述第一发送器（110）被设立用于发送第一信号（111），而所述第二发送器（120）被设立用于发送第二信号（121），其中，所述第一信号和所述第二信号（111、121）在时间上彼此同步，
并且此外设置接收器（10-12），所述接收器被设立用于，通过接收装置（20）
· 接收所述第一信号（111）并且确定第一方向（112），其中从所述第一方向来接收所述第一信号（111），并且
· 接收所述第二信号（121）并且确定第二方向（122），其中从所述第二方向来接收所述第二信号（121），并且
· 确定所述第一信号（111）和所述第二信号（121）之间的运行时间差（115），
并且，所述接收器（10-12）包括评估装置（21），所述评估装置被设立用于，由所述运行时间差（115）、所述间距（105）、所述第一方向（112）和所述第二方向（122）来确定所述可移动对象（100）的位置。
4.根据前述权利要求所述的系统，其中，所述可移动对象（100）是车辆，优选地是公共汽车。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的系统，其中，所述接收器（10-12）以固定的方式来布置，优选布置在交通路线上。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其中，所述第一发送器和所述第二发送器（111、121）分别是UWB发送器，其优选地在4GHz或6.5GHz的频率范围内并且特别优选地以500MHz的带宽工作。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的系统，其中，所述系统此外包括控制设备（30）以及通信装置（22），其中，所述通信装置（22）被设立用于，在所述评估装置（21）和所述控制设备（30）之间建立通信信道（25），并且所述系统被设立用于，将所述可移动对象（100）的位置从所述评估装置（21）经由所述通信信道（25）传输到所述控制设备（30）。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述控制设备（30）由所述可移动对象（100）所包括，并且优选地是驾驶员辅助系统，特别优选地是导航系统。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的系统，其中，所述通信装置（22）是根据ITS-G5或IEEE 802.11p标准的无线电通信系统。
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