CN112020728A - 用于工业制造的室内定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在对工件进行工业加工时受室内定位系统支持地对工艺流程进行生产控制的方法。提供多个移动收发单元(15)，所述移动收发单元用于发送和接收电磁信号以确定其在三维空间中的位置。提供分析单元(11)，所述分析单元用于在位置确定过程中根据移动收发单元(15)之间的电磁信号传播时间来确定移动收发单元(15)之一的位置。在该方法中，将移动收发单元(15)之一识别为待定位的移动收发单元(15')，其位置要在用于跟踪目标对象的运动的位置确定过程中被确定。将移动收发单元(15)中的多个识别为暂时位置已知的移动收发单元(15)，其在位置确定过程期间在地点上暂时位于分析单元(11)已知的位置。确定目标对象的位置信息并将目标对象的所确定的位置信息整合到生产控制中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在对工件进行工业加工时、尤其在金属处理和/或板材处理中受室内定位系统支持地对工艺流程进行生产控制的方法。本发明还涉及一种室内定位系统和一种具有这种室内定位系统的生产控制系统，该生产控制系统用于控制在生产厂、尤其进行金属处理和/或板材处理的工业制造设施中的制造过程。
背景技术
例如对于金属处理工业，在工业金属处理和/或板材处理中，许多不同尺寸的零件通常被送入不同的加工步骤。因此，在工作站上借助机床对例如工件、例如由预成型的基础材料所制成的激光切割件或经冲压的板材零件进行分类，并将其送入进一步的加工步骤。在此，通常可以将经切割或经冲压的工件在加工过程之后组合式地提供给相应的下游生产步骤。在此，可以将移动收发单元分配给工件，以便能够在不同的处理步骤期间对工件进行空间上的跟踪。
可以在生产车间中使用的室内定位的集成使得可以方便地监视和控制加工步骤。例如由申请日为2016年10月21日的(尚未公开的)德国专利申请DE 10 2016 120 132.4(“Werkstücksammelstelleneinheit und Verfahren zur Unterstützung derBearbeitung von Werkstücken”)和DE 10 2016 120 131.6(“Absortierunterstützungsverfahren und Flachbettwerkzeugmaschine”)已知用于支持用平台机床生产的工件的分拣过程的方法，一般性地说用于支持工件加工的方法。此外，由申请日为2017年4月5日的德国专利申请DE 10 2017 107 357.4(“Absortierunterstützungsverfahren undFlachbettwerkzeug-maschine”)已知一种在分拣例如平台机床的切割件时进行的支持方法。由申请日为2017年9月5日的德国专利申请DE 10 2017 120 381.8(“AssistiertesZuordnen eines Werkstücks zu einer Mobileinheit eines Innen-raum-Ortungssystems”)还已知移动单元、任务和工件的数字式和物理式分配。在申请日为2017年9月5日的德国专利申请DE 10 2017 120 378.8(“Innenraum-Ortung-basierteSteuerung von Fertigungsprozessen in der metallverarbeitenden Industrie”)中描述了使用室内定位的其他方面。所提及的德国专利申请全部纳入本文。
由US 2016/0100289 A1已知室内定位的一个示例，在该示例中描述一种用于例如借助“超宽带”(Ultra Wide Band，UWB)技术确定移动无线设备的位置的定位和跟踪系统。在此，例如通过计算到达时间差来获得移动设备的位置。基于UWB技术的运动传感器还可以用加速度传感器扩展，根据US 2015/0356332 A1公开了该运动传感器例如用于运动中的功效分析。
发明内容
本公开的一个方面基于以下任务，提出一种尤其在金属处理和/或板材处理领域提供灵活的室内定位的方法和系统。另一任务是，将室内定位系统可以在其中进行定位的区域构型得可灵活成形，以便可以遵循制造过程。
通过根据权利要求1的方法、根据权利要求9的室内定位系统和根据权利要求13的生产控制系统来解决这些任务中的至少一个。扩展方案在从属权利要求中说明。
一方面，提出一种用于在对工件进行工业加工时受室内定位系统支持地对工艺流程进行生产控制的方法，所述工业加工尤其在机床上、尤其根据加工计划进行。该方法尤其在金属处理和/或板材处理中用于制造最终产品，该方法包括以下步骤：
-提供多个移动收发单元，所述移动收发单元构造为用于发送和接收、尤其也处理和生成电磁信号，以确定所述移动收发单元在三维空间中的位置，并且，在工艺流程的范畴中，所述移动收发单元可以在空间上分别如此分配有对象组中的一个对象，使得移动收发单元的位置表示所分配的对象的位置信息，所述对象可以在三维空间中在一个或多个维度上自主地或受驱动地运动。
-提供分析单元，该分析单元构造为用于在位置确定过程中根据在移动收发单元之间的电磁信号的传播时间来确定所述移动收发单元之一的位置。
-将移动收发单元之一识别为待定位的移动收发单元，其位置要在用于跟踪目标对象的运动的位置确定过程中被确定，该目标对象从对象组中分配给待定位的移动收发单元。
-将至少一个移动收发单元识别为暂时位置已知、尤其暂时静止的移动收发单元，其在位置确定过程期间在地点上暂时位于分析单元已知的位置。(该位置尤其可以是暂时静止的。)
-通过借助分析单元确定待定位的移动收发单元的位置来确定目标对象的位置信息，其中，使用所述至少一个位置已知、尤其暂时静止的移动收发单元和待定位的移动收发单元的电磁信号的传播时间。
-将目标对象的所确定的位置信息整合到生产控制中。
在开始所提及的公开文献中，尤其为了确定待定位的移动收发单元的位置，求取在静止的、即固定安装的收发单元与待定位的移动收发单元之间的传播时间，所述静止的收发单元的位置对于分析单元是已知的。发明人已经认识到，如果将在移动收发单元之一(在此称为所谓的“暂时位置已知的移动收发单元”)与待定位的收发单元之间的传播时间整合到对待定位的移动收发单元的位置确定中，则可以改善对目标对象的位置确定。有利地，可以将多个移动收发单元作为所谓的“暂时位置已知的移动收发单元”一起整合到位置确定中。以这种方式，可以建立支持位置确定的非常密集的收发单元网络。这可以改善对单个目标对象的位置确定。在金属加工行业的制造厂中尤其是这种情况，在金属加工行业中，由于大量电磁性差或不可穿透以及强烈反射的物体，借助求取电磁辐射的传播时间实现的定位可能会受到不可预知的影响。此外，在一些实施方式中，可以减少(或者甚至可以完全省略)用于位置确定的静止收发单元的数量，而不会损害位置确定。
在此公开的生产控制和在此公开的生产控制系统具有室内定位系统和MES(Manufacturing Execution System，制造执行系统)。MES可以设计为，可以在其中创建待生产的工件的加工计划并借助其来工作。在此，MES还可以设计为描述工件的状态。这意味着，MES可以设计为不仅输出加工步骤的顺序而且输出已经执行的加工步骤。有利地，MES可以附加地设计为将各个加工计划分配给机床。有利地，MES还可以设计为使得可以在任何时候手动地或自动地干预加工计划的加工步骤。这具有以下优点：在多个不同加工计划的制造流程期间，可以非常灵活地对不同的、尤其意外发生的事件做出反应。这些事件例如可以是：加工计划或生产任务的优先级的改变、新的高优先级的生产任务、生产任务的取消、缺少的材料(例如在错误供货情况下)、机器故障、缺少专业人员、事故、在制造步骤中发现质量不良等情况下。
在此，生成电磁信号意味着将来自例如直流电源、尤其电池或蓄电池的电功率转换成射频范围或更高频率中的电磁信号，该电磁信号适合于发送给其他移动收发单元(一般用于通信)。
电磁信号的处理在此意味着将电磁信号模拟转换和/或数字转换为可以被存储和/或进一步处理并且可能导致移动收发单元的进一步动作的信息。
因此，移动收发单元和静止收发单元具有电子电路和电源，并且可以设计为处理借助电磁信号传输的数据。
本文公开的生产控制和在此公开的生产控制系统可以设计为用于金属加工行业。在金属加工行业中，机床、尤其平台机床可以设计为用于创建工件作为后续加工过程(在此也称为加工步骤)的起始元件。工件例如可以由冲压机或激光切割机根据加工计划以不同的形状和数量由尤其以板状形式存在的扁平材料、例如板材制成，或者是金属物体，例如管子、金属板或钢板。该加工计划尤其可以数字式地存储在对加工过程或加工步骤进行监视和控制的生产控制系统中，或者存储在生产厂的生产控制装置中。例如在冲压机或激光切割机中，加工计划可以包含用于操控在何处例如以冲压工具或激光切割束分割材料的指令。加工计划还可以具有关于后续加工步骤例如成形、接合、焊接、表面处理等的进一步信息。对于工件的已执行的和后续的工业加工，所有待实施的加工计划可以尤其数字式地存储在生产控制系统或生产控制装置中。在数字加工计划中，可以存储相应于用于对复合工件进行工业加工的任务信息的相应信息。此处所提及的最终产品已经按照所分配的加工计划经过了所有加工步骤。
本文所提及的分析单元尤其可以是处理信号的电子电路，具体说分别单独处理、相互组合地处理或两者都有。分析单元尤其可以根据预给定的或可调整的模拟阈值或数字阈值进行分析。分析单元尤其可以具有存储器、算术逻辑计算设备以及输入和输出接口和/或设备。
本文描述为“暂时位置已知的移动收发单元”的收发单元是移动收发单元组中的如下收发单元：其位置在位置确定过程中对于分析单元是已知的。对此，暂时位置已知的移动收发单元在位置确定过程期间可以是静止的，也就是说，其在三维空间中(基本上)不运动。尤其在金属加工行业中，许多移动收发单元通常在数秒、数分甚至数小时的一定时间段是位置固定的，即静止的。分析单元可以构造为用于识别一个或多个这种移动收发单元并将它们符合目的地用于对待定位的收发单元进行确定位置。
但是“暂时位置已知的移动收发单元”在位置确定过程期间不必一定是静止的。传播时间的确定可以在几毫秒内进行，因此特别缓慢的位置变化不会造成干扰。通过确定暂时位置已知的移动收发单元与待定位的移动收发单元之间的传播时间，可以确定两个收发单元之间的距离。因此，即使在暂时位置已知的移动收发单元在三维空间中运动、例如非常缓慢且可计算地运动时，也可以对待定位的移动收发单元进行位置确定。通过以这种方式使用信号并将其引入到分析中，至少可以进一步改善位置确定。
即使仅设有几个静止的收发单元，也可以进行多个冗余的位置确定并将其相互比较以改善位置确定。
另一方面，提出一种室内定位系统，该室内定位系统用于在对工件进行工业生产时、尤其在金属处理和/或板材处理中支持对工艺流程的生产控制。该室内定位系统包括多个移动收发单元，所述移动收发单元构造为用于发送和接收、尤其也处理和生成电磁信号，以确定其在三维空间中的位置，并且，在工艺流程的范畴中，所述移动收发单元在空间上分别如此分配有对象组中的一个对象，使得移动收发单元的位置表示所分配的对象的位置信息，所述对象可以在三维空间中在一个或多个维度上自主地或受驱动地运动。室内定位系统还包括分析单元，该分析单元构造为用于在位置确定过程中根据在被识别为暂时位置已知、尤其暂时静止的移动收发单元的移动收发单元之间的电磁信号传播时间来确定被识别为待定位的移动收发单元的收发单元的位置，以便跟踪从对象组中分配给待定位的移动收发单元的目标对象的运动。
另一方面，提出一种生产控制系统，其包括这种室内定位系统，该生产控制系统用于控制在生产厂中、尤其在进行金属处理和/或板材处理的工业制造设施中的制造过程。该室内定位系统构造为生产控制系统的一部分，用于提供关于至少一个移动收发单元在生产厂中的位置的数据。生产控制系统构造为用于将分配给至少一个对象的待定位的移动收发单元的位置引入到生产控制中。该生产控制系统还可以设置为用于执行本文公开的方法。
室内定位系统还可以包括至少一个空间上固定安装的收发单元，其可以有助于确定待定位的移动收发单元的位置。相应地，移动收发单元可以根据暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元和至少一个空间上固定安装的收发单元的位置来展开定位区域，在所述定位区域中分析单元可以执行位置确定过程。
移动收发单元中的至少一个可以具有显示单元，该显示单元构造为用于显示分配给移动收发单元之一的对象的信息和/或用于显示移动收发单元之一、尤其待定位的移动收发单元在生产厂的平面图中的位置。
移动收发单元可以构造为定位系统的一部分，该定位系统在1至200GHz的收发频率范围内工作。定位系统尤其可以基于“超宽带(Ultra Wide Band，UWB)”技术。位置信号模块中的至少一个可以构造为用于从对应的收发单元的能量源中接收能量以进行运行和/或设定在所接收的信号和所发送的信号之间的时间延迟。位置信号模块例如包括用于接收和发射信号的信号接收单元、信号发送单元和天线系统。此外，位置信号模块可以包括信号处理单元，该信号处理单元设置为用于处理所接收的信号并安排发射信号。此外，该位置信号模块可以包括对应的收发单元的能量源。
在一些实施方式中，移动收发单元中的至少一个可以包括传感器系统。该传感器系统可以设置为用于当检测到移动收发单元的如下状态时产生状态信号：在该状态中，移动收发单元可以有助于位置确定。
为了位置确定过程，可以在生产厂坐标系中标定尤其不运动的、暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元的位置，从而在生产厂坐标系中确定待定位的移动收发单元的位置。
在一些实施方式中，可以根据暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元的位置来展开定位区域，在该定位区域中，分析单元可以对待定位的移动收发单元执行位置确定过程。在此，至少一个空间上固定安装的收发单元可以有助于确定待定位的移动收发单元的位置。可以根据暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元和至少一个空间上固定安装的收发单元的位置来展开定位区域，在该定位区域中，分析单元可以对待定位的移动收发单元执行位置确定过程。移动收发单元的位置可以由分析单元测量。这尤其在移动收发单元的运动结束之后发生。暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元的对应的位置数据组被保存在分析单元中，由此，定位区域的大小以及尤其室内定位的测量精度根据暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元的位置而动态地变化。
可以借助暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元和/或借助传感器系统来检测待定位的移动收发单元的运动的开始和结束，所述传感器系统设置在相应的待定位的移动收发单元中。
在扩展方案中，可以由移动收发单元子组展开子组定位区域。通过将移动收发单元的子组的位置信息传送给另一定位系统的另一分析单元，可以使子组定位区域转移。在此，可以借助该另一分析单元的移动收发单元来扩大/展开该另一分析单元的定位区域。
在一些实施方式中，将目标对象的所确定的位置信息整合到生产控制中的步骤包括将移动收发单元分别在空间上固定地分配给对象组中的对象。尤其可以将移动收发单元固定在对象上，或者可以将其保存在对象的空间周围环境区域中。对象组例如包括工件、工件的运输工具、尤其移动的机床、尤其移动的工具、参与制造的工人。因此，移动收发单元的位置可以表示所分配的对象在定位区域中、尤其在生产厂坐标系中的特定位置信息。
本文提出的方法克服了在位置已知的、尤其暂时静止的(位置固定的)单元与位置可改变的待定位单元之间的严格分离。这通过对移动收发单元在生产厂、例如制造车间的坐标系中的位置进行初始测量来实现，在此之后，所述移动收发单元作为暂时位置已知的、尤其暂时静止的移动收发单元用于定位。
此外，通过移动收发单元的通用性消除了静止(位置固定)单元的费事的初始安装，原则上所需的设备类型更少(仅还需要一种类型，即移动收发单元)。此外，通过运行中的移动收发单元量可以实现对生产厂的完全覆盖。
通过许多移动收发单元的大量冗余得出较稳健的室内定位系统。此外，可以容易地扩展定位区域，因为可以通过移动收发单元延续信号链，例如延续到办公区域(例如图4中的控制区域30)或延续到相邻的车间中。
本文公开的方面的其他优点涉及将基于移动收发单元的室内定位简化、节能地整合到制造过程中。
这种室内定位系统允许将在制造车间内的制造中的材料流详细地映射到数字工艺加工中。在此，定位系统简化了生产环境中参与制造的对象/人员的定位。因此，通过室内定位系统可以减少对工件、工具或人员的费时的搜索过程。
本文公开的构思基于使用2D/3D室内(in-door)定位系统作为用于与位置相关的信息处理的基础。当待定位的移动单元在定位模式下运行时，室内定位系统将所述待定位的移动单元的位置数据连续地传送给包括MES(制造执行系统)的生产控制系统。
附图说明
本文公开了允许至少部分地改善现有技术的方面的构思。尤其从借助附图的对实施方式的以下描述中得出其他特征及其用途。附图中：
图1示出具有室内定位系统的生产控制系统的示例性示意图，
图2示出待定位的移动收发单元的一种示例性实施方式的图示，
图3示出示例性的另一待定位的移动收发单元的图示，该移动收发单元位于工件的运输车上，
图4示出制造车间的示例性数字平面图，
图5示出用于说明移动收发单元的能耗优化的运行的流程图。
具体实施方式
室内定位系统可以基于不同技术。这些技术主要包括：超宽带(UWB)定位系统、低功耗蓝牙(BLE)定位系统和基于WLAN的定位系统。这些技术主要在其确定位置的精度和速度方面以及在安装或集成到制造厂中时的费用方面有所不同。一些技术基于场强测量和三角测量来确定移动收发单元在空间中的位置。其他技术利用传播时间方法来确定移动单元的位置。这些方法在精度、稳健性和耗电方面可能有所不同。
然而，如果待定位的移动收发单元例如位于手动工作站的环境中并且在那里用于跟踪例如工人的运动，则需要对位置的高采样率，以便实现足够的数据密度。如果待定位的移动收发单元离开制造厂并被例如装载到运输工具例如卡车或火车上，则待定位的收发单元失去与UWB定位系统的联系并激活GPS定位系统，直到接下来与UWB定位系统联系，该UWB定位系统例如带有BLE系统。
运输工具中设置的BLE或UWB系统的收发单元可以仅记录待定位的移动收发单元的存在，并建立与运输工具的分配。因此，在运输期间可以通过运输工具的GPS定位系统执行定位。
下面结合附图示例性地阐述本文提出的借助在能耗方面受操控的移动收发单元来支持在工件的工业生产中对工艺流程进行的生产控制。
图1示意性地示出生产控制系统1，其包括MES(制造执行系统)3和室内定位系统5(在此简称为定位系统)。
通常，MES 3用于在借助机床7对工件进行的工业制造中控制工艺流程/制造步骤。MES 3例如通过无线的或有线的通信连接9来与位于制造车间中的一个或多个机床7连接。为此，MES 3接收关于机床7的工艺流程/制造步骤的信息以及状态信息。MES 3可以在数据处理设备中实现。该数据处理设备可以是单个电子数据处理设备(服务器)，也可以是多个数据处理设备的联合(服务器联合/云)。该数据处理设备或该联合可以在制造厂本地提供，也可以在外部非中心地建造。
定位系统5构造为借助移动收发单元(也称为定位系统的移动单元)来执行室内定位，其中，要确定移动收发单元之一的位置。在图1中例如示出待定位的移动收发单元15'。为此，定位系统5使用多个移动(即位置上可运动的，但暂时位置已知、尤其暂时静止的)收发单元15以及可选地附加使用静止(即在空间上固定安装的)收发单元13。定位系统5与MES3在生产控制方面共同作用。待定位的移动收发单元15'通过收发单元13、15例如借助传播时间分析来定位。位置已知并且暂时不运动的移动收发单元15被用作似乎静止的收发单元。在本文中，“暂时”涉及执行定位过程所必需的时间段。除了纯测量时间之外，该时间段可以附加地包括用于通信和整合关于暂时位置已知、尤其暂时静止的收发单元的信息所必需的时间。这例如涉及传输/获取暂时位置已知、尤其暂时静止的收发单元的位置信息，即该收发单元在哪里，以及可能的时间方面，如它从什么时候起静止以及它可能将保持静止多长时间。
移动收发单元15的位置根据制造厂的运行而反复变化，与此不同，静止收发单元13在制造厂中通常位置固定地安装在车间天花板上、车间墙壁上、机床7上、仓储结构等上。静止收发单元13的位置例如被存储在制造车间的数字平面图中(也参见图4)。
借助开头提到的UWB技术，即使在GPS卫星信号无法到达的制造车间中，也可以以例如小于30cm的精度确定位置。为了局部地提高精度，可以在各个区域中增加收发单元13的密度以进行更准确的定位。
为了确定位置，室内定位系统5还具有分析单元11。分析单元11例如构造为用于确定在收发单元13、15与待定位的移动收发单元15'之间的电磁信号传播时间。分析单元11由传播时间推导出待定位的移动收发单元15'在制造车间中的位置，并且将关于移动收发单元15'的位置的数据(位置数据)提供给MES 3。分析单元11例如可以构造为MES 3的一部分，在该部分中，将所测得的位置与同样存在于MES 3中的数据组进行比较。在此，室内定位系统的特征在于，可以仅通过分析单元就确定移动收发单元的位置，即无需手动交互。
移动收发单元15(以及可选地静止收发单元13)例如可以设置为用于将UWB无线电信号发送给待定位的移动收发单元并从所述移动收发单元接收UWB无线电信号。如果求得从待定位的移动收发单元到多个其位置在测量时间点分别已知的收发单元15的距离，则例如可以通过三角测量法确定该待定位的移动收发单元相对于这些收发单元15的空间位置。待定位的移动收发单元15'与暂时位置已知、尤其暂时静止的收发单元15之间的距离可以通过信号越过两个单元之间的距离所必需的时间来确定。
为了确定传播时间，收发单元13、15可以具有高度精确的时钟，所述时钟可以将时间确定到几ns甚至几分之一ns。即使收发单元13、15中的时钟高度精确，这些时钟也不必一定同步。可以使用不同的时钟同步方法或消除由异步时钟历程引起的误差。例如，收发单元13、15之一例如可以作为主定位单元在第一时间T1发送一个信号并在第二时间T2发送第二信号。时间差T2-T1可以是移动收发单元15已知的或者可以与信号一起传送给该移动收发单元，使得其可以与其他收发单元13、15的时间同步。替代地，主定位单元可以以先前已知的时间间隔Ta发送两个信号。在这种情况下，收发单元13、15(或分析单元11)可以根据用自己的时钟测量的从接收第一信号到接收第二信号的时间来求取并从距离测量中计算出同步偏差。第一信号和第二信号之间的时间间隔应该很小，以使待定位的移动收发单元15'在这段时间内没有位置上的明显运动。该时间间隔可以由移动收发单元如此选择，使得该时间间隔是移动收发单元从接收到其应响应的信号到输出第一信号所必需时间的预给定倍数或预给定分数。
位置固定地安装的收发单元13还可以通过无线的或有线的通信连接来与分析单元11连接。移动收发单元例如可以(仅)通过静止收发单元13进行通信。替代地或附加地，移动收发单元可以独立地通过另外的通信连接9(例如WLAN连接或BLE连接)与分析单元11/MES 3通信。
分析单元11例如可以用作中央主定位单元(也称为“服务器”)。其例如定义用于UWB通信的通信帧(Kommunikationsrahmen)。通信帧尤其包含帧/UWB无线电信号的发送时间。在室内定位的一个示例性实现方式中，收发单元13、15之一作为主定位单元为了对待定位的移动收发单元15'进行位置感测而将通信帧传送给收发单元13、15。该通信帧例如用于仅在移动收发单元15之间的位置确定过程信号交换。静止收发单元13相对于主定位单元的位置例如通过查询中央数据库而被这些收发单元得知，使得收发单元和分析单元11通过信号传播时间得知在UWB无线电信号的发送和接收之间的时间偏差。
在例如100ms的预定时间间隔之后，主定位单元传送第二通信帧，该第二通信帧被收发单元接收。通过检测从开始接收第一帧到开始接收第二帧的时间，收发单元知道主定位单元例如准确地理解100ms是什么。收发单元因此可以将其时间确定单元的频率与主定位单元同步。
在不同的、先前已配置的时间间隔(从接收第二帧开始测量)之后，移动收发单元15发送响应帧。例如在10ms后发送“标签1”、在20ms后发送“标签2”、在30ms后发送“标签3”等。该无线电传输由收发单元接收，相对于主定位单元的第二帧的发送开始的确切接收时间点被传送给分析单元11。然后，分析单元11例如通过三边定位法来求取待定位的移动收发单元15'的位置的位置数据并将其进一步递交给MES 3。
通过例如上述对传播时间分析和三边定位法，室内定位系统5可以使用UWB技术通过收发单元13、15来检测一个或多个待定位的移动收发单元15'的位置。UWB技术使用例如从3GHz至5GHz的频率范围，其中，UWB技术使用相对大的频率范围来形成时间上边界清晰的信号变化(通信帧)。即，为了能够尽可能精确地定位发射无线电波的对象，需要具有很陡的边沿的信号。即该信号关于时间更希望显示出矩形信号曲线而不是正弦形曲线。为此需要如下信号：在该信号中，多个具有不同频率的正弦信号叠加。这是因为，可以由具有不同频率的多个正弦信号形成一个信号，该信号具有陡的边沿并且可以关于时间近似具有基本矩形的走势。这意味着，为了形成一个信号，必须有宽带频谱中的多个频率可供使用。相应地，具有宽带频谱的UWB技术尤其适合于精确定位。例如在标准“IEEE 802.15-2015”中描述了UWB技术的工艺和可用频带。
图2和图3示出示例性的移动收发单元15A、15B，它们一方面可以被定位，另一方面可以在位置确定过程中被用作暂时位置已知、尤其暂时静止的移动收发单元15A，15B。移动收发单元15A、15B可以在制造时在工艺流程中用作独立单元。为了支持和/或检测过程，移动收发单元一般可以由人员在制造过程中携带或安装到辅助工具例如运输车、机器和工具上。例如它们可以在空间上分配于一个或多个工件23地存放在运输车21的存放区域24上(见图3)，然后由操作者将其与分配的工件23一起从一个加工步骤带到另一加工步骤/从一个机床7带到另一机床7。
为了操作者与移动收发单元15A、15B的交互，移动收发单元例如具有可电操控的显示器17，例如电子墨水显示器(也称为电子纸显示器)。所述显示器用于输出对于人和/或机器可读的例如任务信息，以编码和/或书面形式和/或图形形式。移动收发单元15B例如接收关于所存放的工件23的数量、仍缺少的工件、后续加工步骤、基础任务(客户)、应有材料等的信息，并将所述信息输出在显示器17上。显示器17还可以用作信号发出设备，用于向用户反馈。信号发出设备的其他示例是LED和扬声器。
移动收发单元15A、15B的电子装置通常借助电池或蓄电池运行。
在制造期间，移动收发单元15A、15B表现为待定位的移动收发单元或者有助于定位的移动收发单元，如果其位置要被检测和处理或者暂时不改变。此外，如果移动收发单元暂时不运动，则它们可以作为似乎静止的收发单元有助于位置确定过程。
移动收发单元在其一般形式下可以具有信号输出设备18。其可以是光发射设备(例如LED)、声发射设备(例如信号发生器、压电蜂鸣器、扬声器、超声波发射器)或者用于电信号、磁信号或电磁信号的发射器等。
移动收发单元在其一般形式下还可以具有用于执行触觉运动(如振动、敲击、抽动)的设备。
移动收发单元在其一般形式下还可以具有用于识别运动(例如摇动、碰撞、敲击、手势识别)的设备，例如加速度传感器、MEMS或陀螺仪。
此外，可以将用于输入参数的信号输入设备19集成到移动收发单元中。为了输入信号，用户例如可以按下移动收发单元15的按钮或用移动收发单元的摄像机20来记录代码。信号输入设备19一般可以是传感器，尤其是光传感器、IR传感器、温度传感器、压力传感器(尤其按钮或开关)、声传感器(例如麦克风或超声波传感器)或者用于其他电信号、磁信号或电磁信号的传感器等。
如在开头列出的申请人的专利申请中示例性地描述的那样，移动收发单元可供在制造中以多种方式使用。
例如，图1还示意性地说明，加工计划37被数字地存储在生产控制系统1中，在该加工计划中分别存储有用于特定于加工计划的工件进行工业加工的任务信息。加工计划37通常包括任务信息，其例如以任务所基于的工件的几何数据组37A和/或标识该任务的编码数据组37B的形式存在。此外，加工计划37可以包括工件的一个或多个加工参数和工件参数以及任务的数字式加工时间计划37C。这些数据也可以被单独地、组合地或全部地显示在移动收发单元的显示器17上。附加地可以显示例如关于状态、材料、任务、客户、零件数量、制造过程步骤(尤其当前制造过程步骤和/或下一个制造过程步骤)、错误报告等的其他信息37'、37”、37”'(见图2)。
此外，在图1中表示出位置数据组39，这些位置数据组由室内定位系统针对移动收发单元15检测。
在图1中还示意性地说明可以如何借助移动收发单元15来运行室内定位系统5。如结合图3所阐述的那样，可以在工艺流程的框架内给移动收发单元15在空间上分别分配一个对象(例如运输车或对象子组，例如一个任务的工件)，使得移动收发单元15的位置表示所分配的对象的位置信息。因此，当对象在三维空间中(在一个或多个维度上)自主地或受驱动地运动时，移动收发单元15允许对所分配的对象(对象子组)进行跟踪。
对象通常可以源自例如在生产厂中在工件的工业制造范畴中存在的可运动对象的组。因此，对象组例如包括工件、工件的运输工具、移动式机床、移动式工具以及参与制造的工人。
移动收发单元15的位置信号模块用于室内定位。如果相关的移动收发单元15在室内定位的范畴中有助于确定移动收发单元15中的至少一个在三维空间中的位置，则位置信号模块在定位模式下运行，用于接收、处理、生成和发送电磁信号63。在本文中，位置待确定的移动收发单元也被称为待定位的移动收发单元。
定位系统的分析单元11构造为在位置确定过程中根据在待定位的移动收发单元与其他收发单元之间的电磁信号63的传播时间来确定待定位的移动收发单元15'的位置。在此，所述其他收发单元可以包括一个或多个移动收发单元15，其为了位置确定过程而至少暂时在空间中不运动。此外，其他收发单元可以包括固定地安装在制造车间中的静止收发单元13。位置确定过程例如用于跟随对象组中的目标对象在制造车间中的运动，该目标对象分配有待定位的移动收发单元。
在一些实施方式中，位置信号模块61构造为基于“超宽带(UWB)”技术的定位系统的一部分。
位置信号模块61与相关收发单元15的能量源67A连接，该位置信号模块从该能量源获得用于运行(尤其UWB)定位模式的能量。位置信号模块61本身尤其可以包括能量源，例如可充电蓄电池。
位置信号模块61还可以具有用于接收和发射(尤其UWB)信号的信号接收单元62A、信号发送单元62B和天线系统62C。
位置信号模块61还可以具有信号处理单元67B，该信号处理单元设置为用于处理所接收的(尤其UWB)信号并安排(尤其UWB)信号的发射以及设定接收的和发送的(尤其UWB)信号63之间的时间延迟。
如还在图1中示例性地表明的那样，移动收发单元15之一可以具有传感器模块73。传感器模块73设置为用于当检测到移动收发单元15的如下状态时产生状态信号：在该状态下，移动收发单元15可以有助于位置确定。
传感器模块73例如可以将状态信号75发出给位置信号模块61，以便位置信号模块随后主动向分析单元11报告其可以作为几乎静止的单元用于位置确定。传感器模块73可以具有一个或多个传感器，例如加速度传感器、位置传感器、磁传感器。传感器模块73例如可以构造为用于检测移动收发单元15在空间上静止的静止状态，其中，传感器模块在检测到空间上静止的静止状态期间连续地输出状态信号75。
图4示出具有多个工作站和机床7的示例性制造车间的数字平面图25的俯视图。可以看出，分布在整个制造车间上的大量移动收发单元15(可选地结合固定安装的收发单元13)如何展开跨越整个制造车间的定位区域34(例如包括办公室)。
金属处理和金属加工中的机床7的示例是切割机(尤其激光切割机)、冲压机、打磨机、弯曲机等。在图4中可以看到多个静止安装的收发单元13和移动收发器单元15的多个瞬时位置。
在平面图25中示例性地示出联网程度非常低的工作站26A，例如具有简单机器的手动工作站，例如用于钻孔、锯切、铣削、弯曲，其没有联网或仅通过监控系统联网。此外在图4中看到存储区域26B，在该存储区域中可以在一段时间上临时存储工件、运输工具和分配于它们的移动收发单元15。
此外，在平面图25中看到(虚拟的，数字式设置的)区域27和(虚拟的，数字式设置的)栏杆29。区域27和栏杆29已经由操作者在机床7的使用和相关工作过程方面进行了定义。栏杆29在制造车间中在空间上(例如线性地)延伸并且限定边界，移动收发单元越过边界会触发特定动作。通常可以将特定于工件的或特定于物体/操作者的属性分配给区域27和栏杆29。
借助室内定位系统可以检测移动收发单元15的位置并显示在平面图25中，前提是，平面图25所基于的制造车间包含在室内定位系统的定位区域内。
在绘制在平面图25中的控制区域30中表示出生产控制系统1的生产控制装置的位置。分析单元11以及能量需求识别模块的组件/控制协议可以位于控制区域30中。作为办公空间的示例，还可以在控制区域30中有带有屏幕(监视器)的数据处理设备30A(例如PC)位于，在其上例如显示图4所示的数字平面图25。
图5例如以流程图示例性地示出用于说明由室内定位系统支持的制造的方法步骤。
对于该方法，相应地提供如上所述的室内定位。例如在步骤51A中提供多个移动收发单元15，它们构造为用于发送和接收电磁信号以确定它们在三维空间中的位置。在工艺流程的范畴中，给移动收发单元15在空间上分别如此分配对象组中的一个对象。在此，所述对象可以在三维空间中在一个或多个维度上自主地或受驱动地运动。所述分配使得移动收发单元15的位置表示所分配的对象的位置信息。
在步骤51B中，提供分析单元11，该分析单元构造为在位置确定过程中根据在移动收发单元15之间的电磁信号的传播时间来确定移动收发单元15之一的位置。
在步骤53A中，将移动收发单元15之一确定为待定位的移动收发单元15'。即在位置确定过程中确定待定位的移动收发单元15'的位置，因而该位置确定过程可以用于跟踪目标对象的运动。目标对象在此是从对象组中分配给待定位的移动收发单元15'的对象。
在步骤53B中，将移动收发单元15中的多个识别为暂时位置已知、尤其暂时静止的移动收发单元15。在位置确定过程期间，它们位置固定地处于分析单元11已知的位置处。
在步骤55中，确定目标对象的位置信息，其方式是，对待定位的移动收发单元15'进行位置确定，具体说，借助分析单元11使用在暂时位置已知、尤其暂时静止的移动收发单元15与待定位的移动收发单元15'之间的电磁信号的传播时间进行位置确定。
在步骤57中，将目标对象的确定的位置信息整合到生产控制中。
在本文所述的定位方法中，移动收发单元在一个设备中合并两个功能：一方面，每个移动收发单元的位置可以借助于其他移动收发单元来确定。另一方面，每个移动收发单元本身可以用作用于对其他移动收发单元进行位置确定的锚点。由此得出移动收发单元的两种应用场景：以位置变化的方式使用移动收发单元(例如固定在运输工具上)，以便对其进行定位。随后，定期地、尤其在运动完成时或运动完成后重新对其进行测量并因此在定位系统的坐标系中被标定。示例性的坐标系33在图4中参考平面图25表明。由此，该移动收发单元又可以作为“锚点”(暂时位置已知、尤其暂时静止的移动收发单元)用于测量其他移动收发单元。
通过锚点的这种动态变化能够动态地定义定位区域，在所述定位区域中移动收发单元提供良好照明。定位区域因此可以匹配当前生产环境中的特定要求。通过这种方式的信号链接，尤其也可以照明难以进入的区域或阴影区域，从而确保对生产厂的全面覆盖。
移动收发单元的本地传感装置与移动收发单元之间的相对测量相结合，使得可以得出可靠的结论，即哪些移动收发单元刚好位置固定而哪些移动收发单元刚好在运动中。位置固定的设备被相对于对生产厂的坐标系标定(定位)，而运动的设备在该坐标系中被分别重新标定，即确定其在生产厂中的位置。在这个意义上，本文公开的定位包括连续测量位置以校准定位功能。
这使得能够简单地扩展定位区域。在生产厂的原始坐标系上标定的移动收发单元足以作为基础以便在新工作空间中展开标定后的坐标系并在该工作空间中又建立动态定位系统。
新工作空间尤其还可以是运输工具例如卡车或铁路货车。通过后续例如与GPS测量的链接，测量链可以穿越整个供货链得以保持。相应地，定位区域也可以从一个定位系统转变到另一定位系统。
这在图1中以另一MES 3'表明，该另一MES包括其自己的定位系统5'。这由另一分析单元11'说明，该另一分析单元与其自身的移动收发单元15共同作用。
定位系统5的移动收发单元的子组35可以被转移给定位系统5'。相应地，分配的对象、其位置信息和其他信息被转移给所述另一MES 3'。移动收发单元可以被整合到另外的生产控制中。
例如，五批货物分别设有移动收发单元并被装载到卡车上。通过与卡车的本地定位系统的联系，移动收发单元以新的本地的、相对于卡车标定的坐标系扩大了定位区域。从而明确地定义了卡车中货物的相对位置。通过五个移动收发单元的冗余性，当货物被搬入时，可以探测各个货物在装载空间中的运动。
如果卡车现在将货物转运至另一生产厂，则在运动期间通过移动收发单元在卡车中建立本地坐标系并且例如借助相对于初始车间系统的GPS追踪进行跟踪。到达时，卡车中的所有货物仍然明确相对彼此甚至相对于初始车间系统被标定。
现在可以将移动收发单元与货物一起转移给进行继续加工的生产厂。在此，移动收发单元被转移到另一定位系统5'和MES 3'中。在那里，移动收发单元动态地补充另一定位系统5'的已经存在的定位区域。
明确强调的是，在说明书和/或权利要求中公开的所有特征，出于原始公开目的以及出于限制所要求保护的发明的目的，应被视作彼此分开、彼此独立，与在实施方式和/或权利要求中的特征组合无关。明确指出，所有范围说明或单元组说明出于原始公开目的以及出于限制所要求保护的发明的目的都公开了每个可能的中间值或每个可能的单元子组，尤其也作为范围说明的边界。
Claims (14)
1.一种用于在对工件(23)进行工业加工时、尤其在金属处理和/或板材处理中受室内定位系统支持地对工艺流程进行生产控制的方法，所述方法用于制造最终产品，所述方法包括以下步骤：
提供(步骤51A)多个移动收发单元(15)，所述移动收发单元构造为用于发送和接收电磁信号以确定所述移动收发单元在三维空间中的位置，并且，在工艺流程的范畴中所述移动收发单元能够在空间上分别如此分配有对象组中的一个对象，使得移动收发单元(15)的位置表示所分配的对象的位置信息，所述对象能够在三维空间中在一个或多个维度上自主地或受驱动地运动，
提供(步骤51B)分析单元(11)，所述分析单元构造为用于在位置确定过程中根据由所述移动收发单元(15)接收和发送的电磁信号的传播时间来确定所述移动收发单元(15)之一的位置，
将所述移动收发单元(15)之一识别(步骤53A)为待定位的移动收发单元(15')，其位置要在用于跟踪目标对象的运动的位置确定过程中被确定，所述目标对象从所述对象组中分配给所述待定位的移动收发单元(15')，
将所述移动收发单元(15)中的至少一个识别(步骤53B)为暂时位置已知的移动收发单元(15)，其在所述位置确定过程期间在地点上位于所述分析单元(11)已知的位置，
通过借助所述分析单元(11)使用在至少一个暂时位置已知的移动收发单元(15)和所述待定位的移动收发单元(15')之间的电磁信号的传播时间对所述待定位的移动收发单元(15')执行位置确定来确定(步骤55)所述目标对象的位置信息，并且
将所述目标对象的所确定的位置信息整合(步骤57)到所述生产控制中。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，根据暂时位置已知的移动收发单元(15)的位置来展开定位区域，在所述定位区域中，所述分析单元(11)针对所述待定位的移动收发单元(15')能够执行位置确定过程，和/或
其中，至少一个空间上固定安装的收发单元(13)有助于对所述待定位的移动收发单元(15')进行位置确定，并且，根据暂时位置已知的移动收发单元(15)和所述至少一个空间上固定安装的收发单元(13)的位置来展开定位区域，在所述定位区域中，所述分析单元(11)能够针对所述待定位的移动收发单元(15')执行位置确定过程。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中，尤其在所述移动收发单元(15)的运动完成之后，由所述分析单元(11)重新测量所述移动收发单元(15)的位置，并且，将暂时位置已知的移动收发单元(15)的对应位置数据组保存在所述分析单元(11)中。
4.根据权利要求2或3所述的方法，
其中，由所述移动收发单元(15)的子组(35)展开子组定位区域。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中，通过将所述移动收发单元(15)的所述子组(35)的位置信息传输给另一定位系统(3')的另一分析单元(11')来转移子组定位区域，以便借助所述另一分析单元(11')的移动收发单元(15)来展开所述另一分析单元(11')的定位区域。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，
其中，借助暂时位置已知的移动收发单元(15)和/或借助设置在对应的待定位的移动收发单元(15')中的传感器系统(73)来检测所述待定位的移动收发单元(15')的运动的开始和结束，其中，所述传感器系统(73)可选地包括加速度传感器、位置传感器或气压计传感器。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，
其中，为了进行位置确定过程，在生产厂坐标系(33)中标定暂时位置已知的移动收发单元(15)的位置，从而确定所述待定位的移动收发单元(15')在所述生产厂坐标系(33)中的位置。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，
其中，在制造最终产品时将所述目标对象的所确定的位置信息整合(步骤57)到所述生产控制中包括：
将所述移动收发单元(15)在空间上固定地分配给对象组中的对象，尤其将所述移动收发单元固定在所述对象上或者保存在所述对象的空间周围环境区域中，和/或
其中，所述对象组包括：
-工件(23)，
-用于工件(23)的运输工具(21)，
-尤其移动式的机床，
-尤其移动式的工具，以及
-参与所述制造的工人(31)，
使得所述移动收发单元(15)的位置表示所分配的对象在所述定位区域中、尤其在生产厂坐标系中的特定位置信息。
9.一种室内定位系统(5)，所述室内定位系统用于对在工件(23)进行工业生产时、尤其在金属处理和/或板材处理中支持对工艺流程进行的生产控制，所述室内定位系统具有：
多个移动收发单元(15)，所述移动收发单元构造为用于发送和接收电磁信号以确定所述收发单元在三维空间中的位置，并且，在工艺流程的范畴中，所述移动收发单元能够在空间上分别如此分配有对象组中的一个对象，使得移动收发单元(15)的位置表示所分配的对象的位置信息，所述对象能够在三维空间中在一个或多个维度上自主地或受驱动地运动，以及
分析单元(11)，所述分析单元构造为用于在位置确定过程中根据所述移动收发单元(15)的电磁信号的传播时间来确定被识别为待定位的移动收发单元(15')的移动收发单元的位置，以便跟踪从所述对象组中分配给所述待定位的移动收发单元(15')的目标对象的运动。
10.根据权利要求9所述的室内定位系统(5)，所述室内定位系统还具有
至少一个空间上固定安装的收发单元(13)，其能够有助于对所述待定位的移动收发单元(15')进行位置确定，使得所述移动收发单元(15)根据暂时位置已知的移动收发单元(15)的位置和所述至少一个空间上固定安装的收发单元(13)的位置展开定位区域，在所述定位区域中所述分析单元(11)能够执行位置确定过程。
11.根据权利要求9或10所述的室内定位系统(5)，
其中，所述移动收发单元(15)中的至少一个具有显示单元，所述显示单元构造为用于显示分配给所述移动收发单元(15)之一的对象的信息和/或用于显示所述移动收发单元(15)之一、尤其所述待定位的移动收发单元在生产厂的平面图(25)中的位置。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的室内定位系统(5)，
其中，所述移动收发单元(15)具有位置信号模块(61)，所述位置信号模块构造为定位系统的一部分，所述定位系统在1至200GHz的收发频率范围内工作，尤其基于“超宽带”技术工作，并且
所述位置信号模块(61)中的至少一个构造为用于
-从对应的收发单元(15)的能量源(67A)接收能量以进行运行和/或
-设定所接收的信号和所发送的信号之间的时间延迟，
并且所述位置信号模块(61)之一包括：
-用于接收和发射信号的信号接收单元(62A)、信号发送单元(62B)和天线系统(62C)，
-信号处理单元(67B)，所述信号处理单元设置为用于处理所接收的信号并安排发射信号，和/或
-对应的收发单元(15，15A，15B)的能量源(67A)；和/或
其中，所述移动收发单元(15)中的至少一个包括传感器系统(73)，其中，所述传感器系统(73)设置为用于当检测到所述移动收发单元(15)的如下状态时产生状态信号：在所述状态中，所述移动收发单元(15)能够有助于位置确定，并且，所述传感器系统(73)可选地包括加速度传感器、位置传感器和/或气压计传感器。
13.一种生产控制系统(1)，所述生产控制系统用于控制在生产厂、尤其在进行金属处理和/或板材处理的工业制造设施中的制造过程，所述生产控制系统具有：
根据权利要求9至12中任一项所述的室内定位系统(5)，其中，所述室内定位系统(5)构造为所述生产控制系统(1)的一部分，用于提供关于至少一个移动收发单元在所述生产厂中的位置的数据，并且
所述生产控制系统(1)构造为用于将分配给至少一个对象的待定位的移动收发单元(15)的所获得的位置引入到生产控制中。
14.根据权利要求13所述的生产控制系统(1)，
其中，所述生产控制系统(1)还设置为用于实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
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