CZ31245U1 - Lokalizační systém s kabelovou synchronizací - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká lokalizačního systému s kabelovou synchronizací zvyšujícího škálovatelnost a energetickou efektivitu.

Dosavadní stav techniky

Během posledních let rapidně narůstá počet nových aplikací a služeb požadujících přesnou indoor lokalizaci objektů. Logickým důsledkem je tedy rozvoj nových technologií schopných přesně lokalizovat vybraný objekt vně ěi uvnitř budovy. Ve většině případů se však tyto technologie stále potýkají s problémy, jako jsou vysoké náklady na pořízení či provoz nebo také nedostatečná škálovatelnost a přesnost určení polohy.

Dosavadní systémy pro interiérovou lokalizaci jsou založené na technologiích typu WiFi nebo iBeacon. Fungují na principu měření vzdálenosti na základě výkonové úrovně signálu. Zkušenosti v praxi i vědecké práce ukazují, že tyto systémy mají pro praktické průmyslové aplikace a přesnou lokalizaci velká omezení převážně v nepřesném určení polohy.

Lokalizační systém pracující v reálném čase, tzv. RTLS, je využívaný pro přesné určené pozice objektů nebo lidí v reálném čase v tzv. lokační oblasti (obvykle interiér), kde signál GPS není dostupný, případně je vyžadována vysoká přesnost určení polohy. Současné RTLS systémy využívají techniku „Two Way Ranging“ (TWR), určující dobu letu (Time of Flight, ToF) rádiového signálu a poté vypočítávají vzdálenost mezi uzly na základě násobení času rychlostí světla. Technologie TWR je postavená na principu, kdy lokátor měří vzdálenost od referenčního přijímače, tj. kotvy, v daném intervalu pomocí doby šíření signálu. Pro tento účel si kotva a lokátor (tag) musí vyměnit tři zprávy. Pro určení polohy je nutné, aby lokátor změřil svou vzdálenost k minimálně třem kotvám v okolí.

Problém této techniky spočívá v délce vysílání zpráv pro určení vzdálenosti, kdy doba přenosu se pohybuje v desítkách milisekund. Další komunikace je nutná pro synchronizaci lokátorů v čase a přenos režijních informací. Tomu se děje například při pohybu lokátoru, který musí kontinuálně zjišťovat, které kotvy jsou v dosahu a má vůči nim měřit svoji vzdálenost. Celková doba trvání TWR komunikace tak omezuje maximální možný počet lokátorů a výrazně zkracuje výdrž baterií umístěných v lokátorech.

Další nevýhodou tohoto typu RTLS systému je komplikované časování lokátorů a skutečnost, že lokátory musí předem znát adresy kotev (referenční přijímače), aby s nimi mohli navázat komunikaci a vyměnit požadované zprávy. Dalším problémem TWR je synchronizace referenčních přijímačů. Rádiový signál urazí za 1 ns vzdálenost přibližně 30 cm a pro přesné určení polohy s chybou menší jak jeden metr je potřeby synchronizovat přijímače s přesností kolem 500 ps.

Cílem technického řešení je představit lokalizační systém s kabelovou synchronizací, který by nevýhody stavu techniky odstranil.

Podstata technického řešení

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry lokalizační systém s kabelovou synchronizací pracující v reálném čase, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje RTLS server určený ke sběru dat a signálů z kotev a na základě těchto dat k určení polohy lokátoru v reálném čase v lokační oblasti. Ethernet přepínač určený k propojení jednotlivých komponentů systému; synchronizační jednotkou určenou k synchronizaci časové základny kotev, obsahující generátor hodinového signálu pro společnou časovou základnu, stejný cas na všech kotvách, generátor SYNC impulzu, určený k vzdálenému řešetu kotev ve stejný časový okamžik, multiportový injektor, určený k injektáži hodinového signálu a SYNC impulzu do volných párů Ethemetového kabelu, lokátor, jehož poloha se v pravidelném intervalu určuje, a který je určen k vysílání krátkých zpráv kotvám v pravidelných intervalech, alespoň tři kotvy určené k měření rozdílu mezi časy přijetí signálů z mobilních lokátorů, ke zpracování časového razítka tohoto signálu, a odeslání

-1 CZ 31245 Ul signálů a razítek do RTLS serveru, přičemž schopnými rozlišit časové razítko příchozího širokopásmového signálu s přesností 15 ps, využívající ultraširokopásmové frekvenční pásmo se šířkou kanálu 500 MHz, umožňující rozlišení mezi přímou cestou a odraženou cestou signálu, přičemž kotvy, pokud je signál zachycen alespoň třemi kotvami se společnou synchronizaci, jsou uzpůsobené odeslat signál a razítka do RTLS serveru k provedení výpočtu pozice lokátoru na základě průniku hyperbol, které jsou dány časovým rozdílem přijetí signálů lokátoru napříč kotvami a znalosti pozice kotev, přičemž kotvy jsou umístěné v lokalizační buňce, kterou je prostor, ve kterém se určuje pozice lokátoru, a je vytýčena alespoň třemi kotvami, které mají na sebe přímou viditelnost a mohou být tedy bezdrátově synchronizovaný, kotvy komunikují po Ethemetu se synchronizační jednotkou a bezdrátově s lokátory, kotva obsahuje integrovaný obvod, který umožňuje čistit hodinový signál přijatých zpráv, kotva dále obsahuje širokopásmový čip, který umožní přiradit přijatým zprávám časové razítko s rozlišením 15 ps; integrovaný obvod určený k čištění kolísání hodinového signálu pro vysoko-výkonnostní aplikace, které vyžadují potlačení kolísání zpoždění, přičemž vzájemné propojení jednotlivých komponentů systému je provedeno pomocí kabelů Ethernet 100 Base-T.

Ve výhodném provedení je širokopásmovým čipem výhodně čip DW1000.

V jiném výhodném provedení obsahuje kalibrační lokátor pro instalaci systému.

V jiném výhodném provedení je propojovacím kabelem kroucená dvoj linka kategorie 5. Objasnění výkresu

Na obr. 1 je znázorněno blokové schéma systému.

Příklad uskutečnění technického řešení

Lokalizační systém s kabelovou synchronizací podle technické řešení spočívá v návrhu řiditelné synchronizace širokopásmových kotev pomocí společného hodinového signálu injektovaného do volných párů Ethernet 100 Base-T kabelu.

Lokalizační systém s kabelovou synchronizací podle technické řešení pracující v reálném čase obsahuje:

- RTLS server určený ke sběru data signálů z kotev a na základě těchto dat k určení polohy lokátoru v reálném čase v lokační oblasti,

- Ethernet přepínač určený k propojení jednotlivých komponentů systému,

- synchronizační jednotkou určenou k synchronizaci časové základny kotev, obsahující

- generátor hodinového signálu pro společnou časovou základnu, stejný čas na všech kotvách,

- generátor SYNC impulzu, určený k vzdálenému řešetu kotev ve stejný časový okamžik,

- multiportový injektor, určený k injektáží hodinového signálu a SYNC impulzu do volných párů Ethemetového kabelu,

- lokátor, jehož poloha se v pravidelném intervalu určuje, a který je určen k vysílání krátkých zpráv kotvám v pravidelných intervalech,

- alespoň tři kotvy

- určené k měření rozdílu mezi časy přijetí signálů z mobilních lokátorů, ke zpracování časového razítka tohoto signálu, a odeslání signálů a razítek do RTLS serveru, přičemž schopnými rozlišit časové razítko příchozího širokopásmového signálu s přesností 15 ps,

- využívající ultraširokopásmové frekvenční pásmo se šířkou kanálu 500 MHz, umožňující rozlišení mezi přímou cestou a odraženou cestou signálu,

- přičemž kotvy, pokud je signál zachycen alespoň třemi kotvami se společnou synchronizaci, jsou uzpůsobené odeslat signál a razítka do RTLS serveru k provedení výpočtu pozice loká-2CZ 31245 Ul toru na základě průniku hyperbol, které jsou dány časovým rozdílem přijetí signálů lokátoru napříč kotvami a znalosti pozice kotev,

- přičemž kotvy jsou umístěné v lokalizační buňce,

- kterou je prostor, ve kterém se určuje pozice lokátoru, a je vytýčena alespoň třemi kotvami, které mají na sebe přímou viditelnost a mohou byt tedy bezdrátově synchronizovaný,

- kotvy komunikují po Ethemetu se synchronizační jednotkou a bezdrátově s lokátory,

- kotva obsahuje integrovaný obvod, který umožňuje čistit hodinový signál přijatých zpráv,

- kotva dále obsahuje širokopásmový čip, který umožní přiradit přijatým zprávám časové razítko s rozlišením 15 ps,

- integrovaný obvod určený k čištění kolísání hodinového signálu pro vysoko-výkonnostní aplikace, které vyžadují potlačení kolísání zpoždění,

- přičemž vzájemné propojení jednotlivých komponentů systému je provedeno pomocí kabelů Ethernet 100 Base-T.

Metoda synchronizace lokalizačním systémem podle technického řešení spočívá v tom, že:

- RTLS server pošle synchronizační jednotce příkaz k řešetu hodin na kotvách.

- Následně synchronizační jednotka multiplikuje a injektuje hodinový signál do všech připojených kotev.

Jelikož je vyžadována velice přesná synchronizace, je třeba hodinový signál na každé kotvě zbavit kolísání zpoždění. V navrženém řešení byl pro svoji vhodnou charakteristiku zvolen dedikovaný obvod SÍ5317.

Při instalaci systému se používá kalibrační lokátor, o známe poloze, který umožní zjistit offset šíření signálu rozličnými délkami kabelů ke kotvám v rozlišení pikosekund. Tyto offsety jsou pak odečteny při výpočtu polohy lokátorů.

Systém podle technického řešení využívá širokopásmový čip DW1000 od společnosti Decawave. Šířka pásma přenosového kanálu je 500 MHz, což je přibližně desetinásobek stávajících komunikačních systémů na bázi Wi-Fi.

Hardware pro časovou synchronizaci kotev systému RTLS využívá kabel Ethernet Cat5e.

Pro kabelovou synchronizaci obvodu DW1000 je třeba použít integrovaný obvod, který umožňuje čistit hodinový signál a tím je schopný odstranit jitter pro jakoukoli časovou frekvenci. Vhodným řešením je např. integrovaný obvod s označením Silicon Labs SÍ5317.

Šířka pásma přenosového kanálu je 500 MHz, což je přibližně desetinásobek stávajících komunikačních systémů na bázi Wi-Fi.

Díky vytvořenému inovativnímu systému drátové synchronizace referenčních přijímačů, tj. kotev, v lokalizačním systému RTLS bylo dosaženo několika výhod oproti stávajícím TWR řešením známým ze stavu techniky:

- Lokátor RTLS systému nekomunikuje s kotvami samostatně, a proto nepotřebuje znát jejich adresy. Tento fakt znatelně prodlužuje životnost baterie použité k napájení lokátoru, neboť pro to, aby byl lokátor lokalizován, stačí vyslat jednu zprávu označovanou jako „Blink“ (u TWR to je 9 zpráv).

- Díky tomu, že lokátory nepotřebují znát adresy kotev, je možné snadno rozšiřovat počet kotev v systému dle potřeby, neboť přidávání kotev neznamená nutnost překonfigurovat RTLS server.

- Lokátory potřebují pouze velice krátký časový úsek k vyslání zprávy Blink, a proto může velké množství lokátorů vyslat svoje zprávy během jednoho časového intervalu (obnovovací frekvence).

- Systém časové synchronizace dokáže zajistit synchronizaci kotev s přesností lepší než 200 ps.

-3CZ 31245 Ul

- Systém významně zpřesňuje výsledky lokalizace vybraného objektu, umožňuje zapojení většího počtu lokátorů, i více jak tisíc, a prodlužuje výdrž baterie umístěné v lokátoru.

Vyvinutý systém kabelové synchronizace kotev RTLS systému se díky svým unikátním vlastnostem hodí zejména pro vysoce přesnou interiérovou lokalizaci objektů a osob v průmyslových aplikacích, jako je např. výrobní či montážní hala, automobilový průmysl, těžařský průmysl, logistické sklady atd.

Kabelová synchronizace se vyznačuje vysokou spolehlivostí a stabilitou, díky čemuž je možné použít navržený lokační systém i pro ochranu zdraví zaměstnanců a jiných osob pohybujících se v daném prostoru.

Claims (4)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Lokalizační systém s kabelovou synchronizací pracující v reálném čase, vyznačující se tím, že obsahuje

- RTLS server určený ke sběru dat a signálů z kotev a na základě těchto dat k určení polohy lokátoru v reálném čase v lokační oblasti,

- Ethernet přepínač určený k propojení jednotlivých komponentů systému,

- synchronizační jednotkou určenou k synchronizaci časové základny kotev, obsahující

- generátor hodinového signálu pro společnou časovou základnu, stejný čas na všech kotvách,

- generátor SYNC impulzu, určený k vzdálenému řešetu kotev ve stejný časový okamžik,

- multiportový injektor, určený k injektáži hodinového signálu a SYNC impulzu do volných párů Ethemetového kabelu,

- lokátor, jehož poloha se v pravidelném intervalu určuje, a který je určen k vysílání krátkých zpráv kotvám v pravidelných intervalech,

- alespoň tři kotvy

- určené k měření rozdílu mezi časy přijetí signálů z mobilních lokátorů, ke zpracování časového razítka tohoto signálu, a odeslání signálů a razítek do RTLS serveru, přičemž schopnými rozlišit časové razítko příchozího širokopásmového signálu s přesností 15 ps,

- využívající ultraširokopásmové frekvenční pásmo se šířkou kanálu 500 MHz, umožňující rozlišení mezi přímou cestou a odraženou cestou signálu,

- přičemž kotvy, pokud je signál zachycen alespoň třemi kotvami se společnou synchronizaci, jsou uzpůsobené odeslat signál a razítka do RTLS serveru k provedení výpočtu pozice lokátoru na základě průniku hyperbol, které jsou dány časovým rozdílem přijetí signálů lokátoru napříč kotvami a znalosti pozice kotev,

- přičemž kotvy jsou umístěné v lokalizační buňce,

- kterou je prostor, ve kterém se určuje pozice lokátoru, a je vytýčena alespoň třemi kotvami, které mají na sebe přímou viditelnost a mohou byt tedy bezdrátově synchronizovaný,

- kotvy komunikují po Ethemetu se synchronizační jednotkou a bezdrátově s lokátory,

- kotva obsahuje integrovaný obvod, který umožňuje čistit hodinový signál přijatých zpráv,

- kotva dále obsahuje širokopásmový čip, který umožní přiřadit přijatým zprávám časové razítko s rozlišením 15 ps,

- integrovaný obvod určený k čištění kolísání hodinového signálu pro vysoko-výkonnostní aplikace, které vyžadují potlačení kolísání zpoždění,

-4CZ 31245 Ul

- přičemž vzájemné propojení jednotlivých komponentů systému je provedeno pomocí kabelů Ethernet 100 Base-T.

2. Lokalizační systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že širokopásmovým čipem je výhodně čip DW1000.

5

3. Lokalizační systém podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že obsahuje kalibrační lokátor pro instalaci systému.

4. Lokalizační systém podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že propojovacím kabelem je kroucená dvoj linka kategorie 5.