CN117561455A - 用独立的uwb锚点同步实现uwb定位 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于定位至少一个UWB移动单元(14)、特别是用于定位多个UWB移动单元(14)的方法和设备(12)。通过第一UWB锚点天线(22a‑c)与(多个)移动单元(14)的通信进行定位。第二UWB锚点天线(24a‑c)用于UWB锚点(20a‑c)彼此之间的精确时间同步。第二UWB锚点天线(24a‑c)优选地还用于允许UWB锚点(20a‑c)与计算单元(28)通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于定位UWB移动单元的方法。本发明还涉及一种用于定位UWB移动单元的设备。
背景技术
对UWB移动单元进行定位是已知的。然而，可以被定位的UWB移动单元的数量和可以被定位的UWB移动单元的更新速率是有限的。
发明内容
发明目的
因此，本发明的目的是提供一种方法和一种设备，该方法和该设备显著地增加可以被定位的UWB移动单元的可能数量和可以被定位的UWB移动单元的更新速率。
根据本发明，这个目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求11的设备来实现。从属权利要求提出了优选的扩展方案。
因此，根据本发明的方法是通过一种用于使用多个UWB锚点(“beacons，信标”)定位至少一个UWB移动单元(“tag，标签”或“标签设备”)的方法来实现的。UWB锚点各自包括第一UWB锚点天线和第二UWB锚点天线。在第一频段(Frequenzband)中通过第一UWB锚点天线进行出于定位测量目的从UWB移动单元到UWB锚点的通信。相比之下，在第二频段中通过第二UWB锚点天线进行UWB锚点的精确时间同步。
UWB锚点的精确时间同步需要在UWB锚点之间频繁(大约每100ms)交换同步数据包。由于UWB锚点与至少一个UWB移动单元的通信与这些UWB锚点彼此之间的通信解耦，因此该方法可以非常精确、可靠和抗崩溃的方式执行。
UWB是一种用于短距离和工厂(工业制造设施)中定位目的的无线电标准。超宽带(UWB)对来自其他无线电的源的干扰和多次反射(这尤其在金属加工行业的工厂中会频繁地发生)尤其具有稳健性，并且确保了对材料、订单以及自动导引车辆(AGV)和无人机的精确定位，即使存在如金属反射等障碍物时也是如此。
使用UWB的构造、定位、通信和/或数据协议可以尤其根据WO 2020/212722A1的描述进行，该文献通过引用以其全文包括在本申请中。WO 2020/212722A1(名称为“Ultra-Wideband Location Systems and Methods[超宽带定位系统和方法]”)于2019年4月19日提交并于2020年10月22日公开。
优选地，将符合IEEE 802.15.4z和/或IEEE802.15.4ab标准的UWB部件用于(多个)UWB锚点和/或定位系统。
移动单元与UWB锚点之间的无线通信可以使用现有的UWB、蓝牙低功耗(BLE)和/或ZigBee进行传输。ZigBee是一种用于诸如家庭自动化、传感器网络和照明等具有低数据量和低功耗的无线网络的规范。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准，并特别通过路由和安全密钥交换的可能性扩展了其功能。
UWB锚点彼此之间的最小距离优选为5m，特别为10m，特别优选为20m。
第一UWB锚点天线和第二UWB锚点天线各自可以由微控制器和/或片上系统(SOC)共同控制。替代性地，第一UWB锚点天线可以由第一微控制器和/或第一SOC控制，并且第二UWB锚点天线可以由第二微控制器和/或第二SOC控制。
可以通过到达时间差(Time-Difference-of-Arrival，TDoA)方法来确定UWB移动单元的位置。这涉及UWB移动单元发送UWB信号，UWB锚点接收这些信号。其位置信息为已知且系统时间被同步的UWB锚点会比较这些UWB信号的到达时间。然后根据到达时间差计算出UWB移动单元的位置。
可以使用车联网联盟(Car Connectivity Consortiums，CCC，参见https://carconnectivity.org/)和/或精细测距(Fine Ranging，fira，参见https://www.firaconsortium.org/)联盟的标准来确定UWB移动单元的位置。CCC和/或fira联盟的标准中的通信优选在8GHz附近的频段中进行。这使得呈最终用户设备的形式(特别是智能手机和/或手持式设备的形式)的UWB移动单元能被检测到。
在本发明的特别优选的配置中，UWB锚点的同步在4GHz附近的频段中进行。
替代性地或附加地，UWB锚点的同步可以使用工业标准、特别是使用Omlox标准进行。
Omlox是用于室内空间的精确实时定位系统的开放标准。Omlox为可互操作的定位系统定义了开放式接口。Omlox允许不同的标签制造商使用相同的基础设施以及来自不同供应商的不同应用。由于使用相同的基础设施，降低了总体运行成本，这允许对不同的应用进行简单集成。Omlox的关键特征是实现了网络物理的简化并将工业软件和硬件解决方案的集成结合到共享生态系统中。
使用基于Omlox的UWB锚点，可以将各种类型的软件(比如制造执行系统(MES)、资产跟踪和具有防碰撞的导航)和硬件(比如无人机、AGV和装载车辆)集成到定位区域。
Omlox实现了在一个或多个跟踪区内的不同可跟踪供应商的互操作性和灵活性。Omlox通过以下两个核心部件来实现这一目标：Omlox集线器和Omlox核心区。Omlox集线器实现了不同跟踪区内的互操作性和灵活性，而Omlox核心区提供了单个跟踪区内的互操作性和灵活性。
Omlox集线器实现了跨不同互补区的互操作性和灵活性。除了UWB之外，比如RFID、5G、BLE、WIFI和GPS等其他定位技术也被用于生产、运送和储存。Omlox可以用于确保网络以流畅和互操作的方式发挥作用。因此，企业能够容易地将比如生产控制系统、安装跟踪和导航等跨不同的定位区域的应用联网。
Omlox集线器与多个跟踪区兼容。使用Omlox集线器能够高效地监控使用UWB定位区、具有GPS定位的卡车装载区域以及具有WIFI定位的仓库运行的智能工厂。Omlox集线器使得地图能够从离散的本地坐标(SLAM和其他技术的地图创建)传输、同步和对齐到智能工厂(即，制造工厂和物流系统在几乎没有人工干预的情况下自行组织以生产出所期望的产品的生产环境)的全局地理坐标。SLAM意指：同时定位和地图创建。
Omlox核心区包括开放的无线电接口，并保证在UWB范围内的互操作性。Omlox创建通过即插即用方式运行的可互操作的基础设施。使用Omlox标准，企业能够独立于制造商快速且容易地将所有UWB产品联网。
UWB通信发生在Omlox核心区内。Omlox集线器比Omlox核心区高一级。
公布于https://omlox.com的Omlox说明书更详细地描述了Omlox锚点的特性。
在本发明的变体中，UWB锚点的同步被UWB移动单元用于实现UWB移动单元的自定位。Omlox标准中可提供这种自定位。在这种类似GPS的模式下，“UWB移动单元只监听UWB”，然后自行计算自己的位置。
UWB锚点可以执行到计算单元的有线和/或无线数据传输。UWB锚点可以将关于UWB移动单元的位置的数据传输给计算单元。此外，UWB锚点还可以将关于至少一个信号参数(例如UWB移动单元的UWB信号的信号强度)的数据传输给计算单元。计算单元可以包括基于来自UWB锚点的数据对UWB移动单元的进行定位的算法。
UWB锚点之间的、特别是用于精确时间同步的数据传输可以优选地通过第二UWB锚点天线进行。由于第二UWB锚点天线不用于与UWB移动单元通信，因此在此不会有带宽冲突。
通过第一UWB锚点天线的辐射可以圆锥形地进行。替代性地或者附加地，通过第二UWB锚点天线的辐射圆形地进行。第一UWB锚点天线的波束角度优选地向下呈圆锥形，以能够实现与UWB移动单元的最佳接触。第二UWB锚点天线的波束角度优选地在水平方向上呈圆形，以能够实现UWB锚点之间的最佳接触。
根据本发明的方法可以定位至少5个UWB移动单元。通过UWB锚点之间的数据交换与UWB移动单元和UWB锚点之间的数据交换解耦，因此促进了对多个UWB移动单元进行可靠定位。该方法优选地用于定位至少100个、尤其是至少200个、特别优选地至少500个UWB移动单元。
根据本发明的目的进一步通过一种用于定位UWB移动单元的设备来实现，该设备特别是用于执行在此所述的方法。该设备包括UWB移动单元。该设备进一步包括多个UWB锚点，每个UWB锚点包括第一UWB锚点天线和第二UWB锚点天线。第一UWB锚点天线构造用于在第一频段中接收UWB移动单元的UWB信号。第二UWB锚点天线构造用于出于UWB锚点的精确时间同步的目的而在第二频段中发送和接收UWB锚点之间的UWB信号。
该设备优选地包括以无线和/或有线方式连接到UWB锚点的计算单元，该计算单元用于确定UWB移动单元的位置。
UWB锚点特别优选地被设计为通过第二UWB锚点天线与计算单元进行通信。
该设备可以包括用于设置和管理UWB锚点的中央软件模块。软件模块可以存储在计算单元中。替代性地，软件模块可以存储在设备的云中。因此，可以从远离UWB锚点的实例执行系统维护和系统更新。
该设备的UWB锚点可以具有以下特征中的一项或多项：
a)第一UWB锚点天线和第二UWB锚点天线的公共的外壳；
b)连接到第一UWB锚点天线和第二UWB锚点天线二者的公共的印刷电路板；
c)用于控制第一UWB锚点天线的第一微控制器和用于控制第二UWB锚点天线的第二微控制器；和/或
d)用于控制第一UWB锚点天线的第一片上系统(SOC)和用于控制第二UWB锚点天线的第二SOC。
在本发明的优选扩展方案中，至少一个UWB锚点集成在烟雾探测器中和/或设备的照明中。
本发明的进一步优点通过描述和附图而显而易见。类似地，根据本发明，上述特征和还有待进一步解释的特征可以在各自情况下单独使用或以任何期望的组合一起使用。所示出和描述的实施例不应被理解为详尽的列表，而是具有用于概述本发明的说明性特征。
附图说明
图1示出了用于使用各种UWB锚点天线定位UWB移动单元的定位系统的示意图。
图2示意性地示出了使用各种UWB锚点天线发送的信号。
图3示意性地示出了用于组成图2中发送的信号的标准频率范围。
具体实施方式
图1示出了内部空间、特别是工业制造设施10，其具有用于定位UWB移动单元14的设备12。UWB移动单元14可以是在此以智能手机的形式呈现的最终用户设备16的一部分。UWB移动单元14可以替代性地布置在自驾驶车辆18(AGV)上或形成在自驾驶车辆18上。自驾驶车辆18用于在内部空间、特别是工业制造设施10中运输材料。出于清晰起见，图1中未进一步详细说明该变体。
设备12包括用于定位UWB移动单元14的UWB锚点20a、20b、20c。UWB锚点20a-c各自具有第一UWB锚点天线22a、22b、22c和第二UWB锚点天线24a、24b、24c。第一UWB锚点天线22a-c用于与UWB移动单元天线26进行通信(使用虚线箭头表示)，第二UWB锚点天线24a-c用于UWB锚点20a-c彼此之间的精确时间同步(使用实线箭头表示)。UWB锚点20a-c以无线或有线方式连接到计算单元28(出于清晰起见未示出)。连接优选地通过第二UWB锚点天线24a-c进行。
计算单元28通过第一UWB锚点天线22a-c和UWB移动单元天线26求取UWB移动单元14的位置。该位置可以特别是在计算机32上使用算法30来确定。
根据本发明设置，UWB移动单元14的位置确定与UWB锚点20a-c的精确时间同步分离。这样使得即使在具有多个UWB移动单元14的情况下，位置确定也可以以更可靠和稳定的方式进行。
图2示出了UWB锚点20a-c之间的信号传输优选地在4GHz和8MHz左右的频率上进行。更具体地，第一UWB锚点天线22a-c优选地在8GHz附近的频率上发送和接收，并且第二UWB锚点天线24a-c在4GHz附近的频率上发送和接收。图2中示出的带宽仅为示意性的。带宽通常可以为500MHz。
图3示出了由第一UWB锚点天线22a-c和第二UWB锚点天线24a-c优选使用的频率。从图3可以看出，第一UWB锚点天线22a-c优选地使用中心频率为7656MHz的频段9，而第二UWB锚点天线24a-c优选地使用中心频率分别为3432MHz、3960MHz和4488MHz的频段1、频段2和频段3。
因此，综上所述，结合附图中的所有图，本发明涉及一种用于定位至少一个UWB移动单元14、特别是用于定位多个UWB移动单元14的方法和设备12。通过第一UWB锚点天线22a-c与(多个)移动单元14的通信进行定位。第二UWB锚点天线24a-c用于UWB锚点20a-c彼此之间的精确时间同步。第二UWB锚点天线24a-c优选地还用于允许UWB锚点20a-c与计算单元28通信。
附图标记列表
10 工业制造设施
12 设备
14 UWB移动单元
16 最终用户设备
18 自驾驶车辆
20a-c UWB锚点
22a-c 第一UWB锚点天线
24a-c 第二UWB锚点天线
26 UWB移动单元天线
28 计算单元
30 算法
32 计算机
Claims (15)
1.一种用于定位UWB移动单元(14)的方法；
其中，使用多个UWB锚点(20a-c)进行定位，所述多个UWB锚点分别包括第一UWB锚点天线(22a-c)和第二UWB锚点天线(24a-c)；
其中，在第一频段中通过所述第一UWB锚点天线(22a-c)进行从所述UWB移动单元(14)到所述UWB锚点(20a-c)的通信以用于定位测量；以及
在第二频段中通过所述第二UWB锚点天线(24a-c)进行所述UWB锚点(20a-c)的精确时间同步。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
a)所述第一UWB锚点天线(22a-c)分别由第一微控制器和/或第一片上系统(SOC)控制；并且
b)所述第二UWB锚点天线(24a-c)分别由第二微控制器和/或第二SOC控制。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述UWB移动单元(14)的位置通过到达时间差方法确定。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述UWB移动单元(14)的位置的确定以车联网联盟(CCC)的标准和/或精细测距(fira)联盟的标准进行。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述UWB锚点(20a-c)的同步是在4GHz附近的频段中进行的。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述UWB锚点(20a-c)的同步以Omlox标准进行。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述UWB锚点(20a-c)的同步由所述UWB移动单元(14)用于对自身进行定位。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，进行从所述UWB锚点(20a-c)到计算单元(28)的有线的数据传输和/或无线的数据传输。
9.如权利要求8所述的方法，其中，从所述UWB锚点(20a-c)到所述计算单元(28)的所述数据传输通过所述第二UWB锚点天线(24a-c)进行。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
a)通过所述第一UWB锚点天线(22a-c)的辐射圆锥形地进行；和/或
b)通过所述第二UWB锚点天线(24a-c)的辐射圆形地进行。
11.一种用于定位UWB移动单元(14)的设备(12)，所述设备特别是用于执行如权利要求1至10中任一项所述的方法，所述设备(12)包括以下：
a)UWB移动单元(14)；
b)多个UWB锚点(20a-c)，其中，每个UWB锚点(20a-c)分别包括第一UWB锚点天线(22a-c)和第二UWB锚点天线(24a-c)，其中，所述第一UWB锚点天线(22a-c)构造用于，在第一频段中接收所述UWB移动单元(14)的UWB信号，所述第二UWB锚点天线(24a-c)构造用于，在第二频段中在所述UWB锚点(20a-c)之间发送和接收UWB信号以用于所述UWB锚点(20a-c)的精确时间同步。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述设备(12)包括以下：
c)以无线和/或有线方式连接到所述UWB锚点(20a-c)的计算单元(28)，所述计算单元用于确定所述UWB移动单元(14)的位置。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述UWB锚点(20a-c)构造用于通过所述第二UWB锚点天线(24a-c)与所述计算单元(28)进行通信。
14.如权利要求11至13中任一项所述的设备，其中，所述UWB锚点(20a-c)包括以下：
a)用于所述第一UWB锚点天线(22a-c)和所述第二UWB锚点天线(24a-c)的公共的外壳；
b)连接到所述第一UWB锚点天线(22a-c)和所述第二UWB锚点天线(24a-c)二者的公共的印刷电路板；
c)用于控制所述第一UWB锚点天线(22a-c)的第一微控制器和用于控制所述第二UWB锚点天线(24a-c)的第二微控制器；和/或
d)用于控制所述第一UWB锚点天线的第一片上系统(SOC)和用于控制所述第二UWB锚点天线的第二SOC(22a-c)。
15.如权利要求10至14中任一项所述的设备，其中，至少一个UWB锚点(20a-c)集成在烟雾探测器中和/或所述设备(12)的照明中。
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