CZ31246U1 - Lokalizační systém s bezdrátovou synchronizací - Google Patents

Description

Technické řešení se týká lokalizačního systému s bezdrátovou 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 či 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 svojí 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 komplikovaná synchronizace (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 bezdrátovou synchronizací, který by nevýhody stavu techniky odstranil.

Podstata technického řešení

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry lokalizační systém s bezdrátovou synchronizací pracující v reálném čase a využívající metodu přesnému měření rozdílu času mezi časy přijetí signálu, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje alespoň tří kotvy určené k měření rozdílu mezi časy přijetí signálů z mobilních lokátorů, ke zpracování časového razítka tohoto signálu, a k 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 synchronizací, 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

-1 CZ 31246 Ul lokátoru napříč kotvami a znalostí 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, master kotvu, kterou je kotva s nej lepším pokrytím na sousední kotvy v lokační buňce po provedení inicializačního měření mezi kotvami stylem „každý s každým“, určenou k pravidelné synchronizaci kotev se subnanosekundovou přesností; mobilní lokátor, jehož poloha se v pravidelném intervalu určuje, a který je určen k vysílání krátkých zpráv kotvám v pravidelných intervalech; 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, přičemž, kotvy jsou spojeny Ethemetem s RTLS serverem, kotvy se synchronizují bezdrátově pomocí ultraširokopásmového signálu a lokátory vysílají ultraširokopásmový signál v pravidelných intervalech kotvám, přičemž chyba bezdrátové synchronizace v podobě vícecestného síření je potlačena pomocí algoritmu hledání náběžné hrany.

Ve výhodném provedení je sub-nanosekundová synchronizace určená k bezdrátové kompenzaci offset lokálních oscilátorů na kotvách.

V jiném výhodném provedení je k potlačení chyby bezdrátové synchronizace použita klasifikace odražených signálů pomocí metody rozhodovacích stromů.

Příklad uskutečnění technického řešení

Lokalizační systém s bezdrátovou synchronizací podle technického řešení, pracující v reálném čase a využívající metodu přesnému měření rozdílu času mezi časy přijetí signálu, tj. „Time Difference of Arrival“ (TDoA), obsahuje:

- alespoň tři referenční přijímače, tj. kotvu, kterým je statické zařízení o známé poloze určené k měření rozdílu mezi časy přijetí signálů. Kotva je určena ke zpracování časového razítka a dokáže rozlišit časové razítko příchozího širokopásmového signálu s přesností 15 ps.

- master kotvu určenou k zasílání časové informace, tzv. razítka, zpráv do RTLS serveru, a k pravidelné synchronizaci kotev se sub-nanosekundovou přesností, přičemž, po provedení inicializačního měření mezi kotvami stylem „každý s každým“ se vybere kotva s nejlepším pokrytím na sousední kotvy v lokační buňce. Tato kotva tzv. Master kotva pak sousední kotvy v dané oblasti synchronizuje periodickým vysíláním ultraširokopámového signálu. Perioda synchronizace může byt nastavena v intervalu 150 až 1 000 ms vzhledem k povaze daného prostředí.

- mobilní UWB vysílač, tj. lokátor, kterým je mobilní zařízení, jehož poloha se v pravidelném intervalu určuje, a která je určena k vysílání krátkých zpráv kotvám v pravidelných intervalech.

- RTLS Server určený ke sběru dat z kotev a na základě těchto dat určující polohu lokátoru. RTLS serveru postačují tři časová razítka přijatá od tří kotev se stejnou synchronizací (časováním).

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

Systém využívá ultraširokopásmové frekvenční pásmo se šířkou kanálu 500 MHz, umožňujícího rozlišení mezi přímou cestou a odraženou cestou signálu. Lokátory odesílají ultraširokopásmový signál v nakonfigurované periodě. Pokud je signál zachycen alespoň třemi kotvami se společnou synchronizaci, je proveden na RTLS serveru výpočet pozice na základě průniku hyperbol, které jsou dány časovým rozdílem přijetí signálů lokátoru napříč kotvami a znalosti pozice kotev. Identifikace signálu šířeného přímou cestou eliminuje chybu způsobenou vícecestným šířením, kdy vyhledává první signál v impulzní odezvě.

Princip fungování lokalizačního systému s bezdrátovou synchronizací podle technického řešení, využívajícího přesného měření rozdílu času přijetí signálu z lokátoru napříč kotvami, je následující:

-2CZ 31246 Ul

Lokátory vysílají v pravidelných intervalech krátké zprávy, které jsou přijaty a zpracovány všemi kotvami v dosahu. Z tohoto důvodu může velké množství lokátorů vyslat svoje zprávy během jednoho časového intervalu, tj. obnovovací frekvence. Nezávisle na svém synchronizačním stavu, kotvy pošlou časovou informaci, tj. razítko, do RTLS serveru. Pro výpočet pozice lokátoru. RTLS serveru postačují tři časová razítka přijatá od tří kotev se stejnou synchronizací.

Bez synchronizace kotev se sub-nanosekundovou přesností by slabým místem lokalizačního systému byla přesnost. Jelikož rádiový signál urazí za 1 ns vzdálenost přibližně 30 cm a pro přesné určení polohy s chybou menší, jak jeden metr, je potřeby synchronizovat kotvy s přesností lepší jak 500 ps. Proto se používá současně bezdrátová synchronizace přijímačů se sub-nanosekundovou přesností.

Systém bezdrátové synchronizace využívá ultra-širokopásmový (UWB) signál ve frekvenčním pásmu 3 až 7 GHz s šířkou kanálu 500 MHz, jehož tato šířka pásma umožní rozlišení mezi přímou cestou a odraženou cestou signálu.

Pro realizaci je možné v současné době zvolit pouze čip DW1000 od firmy Decawave, který nemá na trhu alternativu a umožní přiřadit přijatému signálu časové razítko s rozlišením 15 ps.

Podstata bezdrátové synchronizace lokalizačního systému je postavena na základě periodického vysílání synchronizačního signálu z master kotvy a jeho zpracovaní ve formě časových razítek na kotvách, který tento signál přijmou. Kotva dokáže rozlišit časové razítko příchozího širokopásmového signálu s přesností 15 ps.

V lokalizačním systému podle technického řešení jeden lokátor zasílá v definovaném intervalu synchronizační zprávu kotvám v rádiovém dosahu. Tyto kotvy na základě kontinuálního sledování frekvenčního offsetu vlastního oscilátoru k oscilátoru Master kotvy můžou získat stejnou časovou základnu s přesností lepší než 0,5 ns.

Časová nepřesnost, tj. chyba společné časové základny napříč kotvami je dána nepřesností časového razítka, které může být způsobeno následovnými faktory:

- Změnou teploty nebo vibracemi, které mají nepříznivý vliv na stabilitu oscilátoru na kotvě.

- Chyba způsobená vícecestným šířením signálu je dána tím, že vysílaný signál se šíří k přijímači více cestami díky odrazům.

- Nestabilita časového razítka dána elektronickým obvodem.

Lokalizační systém podle technického řešení využívá pro odstranění offsetu jednotlivých oscilátorů na kotvách pravidelnou synchronizaci.

Pro odstranění vlivu teploty a vibrací je vybrán teplotně kompenzovaný oscilátor se specifickým designem plošného spoje a krabičky, které minimalizují přenos teploty a vibrací.

Pro potlačení chyby způsobené vícecestným šířením je analyzována impulzní odezva pomocí algoritmu hledání náběžné hrany volitelně může být použita klasifikace odražených signálů pomocí metody rozhodovacích stromů.

Díky kombinaci těchto metod dokáže lokalizačním systému podle technického řešení využít přesnou bezdrátovou synchronizaci se sub-nanosekundovou přesností a umožní podstatné snížení spotřeby lokátorů a zvýšení přesnosti a škálovatelností bezdrátového lokalizačního systému.

Lokalizační systém s bezdrátovou synchronizací dokáže vypočítat polohu lokalizovaného vysílacího zařízení (lokátoru) s přesností na několik desítek centimetrů. Bezdrátový lokalizační systém v sobě implementují navíc i funkce pro řešení přechodu lokátoru mezi jednotlivými lokačními buňkami systému.

Navržený systém založený převážně na velmi přesné časové bezdrátové synchronizaci zařízení umožní zvýšit škálovatelností na plochy vetší než 10 000 m², škálovatelnost zařízení na 1 000 jednotek, zvýšit dosah kotev a snížit spotřebu lokátorů až o 60 % oproti současným řešením.

-3 CZ 31246 Ul

Použití UWB signálu umožňuje dosažení bezdrátové synchronizace s přesností 0,5 ns, jehož šířka pásma zajišťuje rozlišení mezi přímou cestou a odraženou cestou signálu.

Díky přesnému měření rozdílu času přijetí signálu z lokátoru napříč kotvami nekomunikuje lokátor s kotvami samostatně, a proto nepotřebuje znát jejich adresy. Tento fakt znatelně prodlužuje životnost baterie použité k napájení lokátoru a počet lokátorů v systému, neboť pro to, aby byl lokátor lokalizován, stačí vyslat jednu zprávu, přičemž u TWR to je 3 zprávy s každou kotvou, tj. pro lokalizaci minimálně 9 zpráv.

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

Cílem systému je zvýšení prostorové škálovatelnosti na pokrytí prostorů o rozloze větší než desetitisíc metrů čtverečních. Škálovatelnosti je myšlena možnost rozšíření lokalizačního systému, neboť u doposud používané metody TWR je potřeba provést výpočet vzdálenosti mezi kotvou a lokátorem se všemi kotvami v systému pro určení pozice jednoho lokátoru.

Dalším cílem systému je odstranění komplikované synchronizace (časování) TWR a skutečnosti, že lokátory musí předem znát adresy kotev, aby s nimi mohli navázat komunikaci a vyměnit požadované zprávy. Současný TWR vyžaduje pro měření vzdálenosti tři zprávy (vyslání, odpověď a finální potvrzení) a známou adresu třech kotev.

Dalším inovačním prvkem bezdrátového lokalizačního systému je zvýšení počtu lokalizovaných zařízení na tisíce a prodloužení jejich životnosti najedno nabití z týdnů na měsíce.

Uplatnění systému s bezdrátovou synchronizací je pro interiérové aplikace, např. velké obchodní prostory, menší výrobní haly či logistiku, tedy tam kde je kladen důraz na minimum potřebné kabeláže. Další možné použití je v rámci aplikací používaných ve sportu, kde je nutný velmi vysoký obnovovací interval.

Claims (3)

1. Lokalizační systém s bezdrátovou synchronizací pracující v reálném čase a využívající metodu přesnému měření rozdílu času mezi časy přijetí signálu, vyznačující se tím, že obsahuje

- alespoň tři kotvy

- určené k měření rozdílu mezi časy přijetí signálů z mobilních lokátorů, ke zpracování časového razítka tohoto signálu, a k 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 synchronizací, 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 synchronizovány,

- master kotvu

-4CZ 31246 Ul

- kterou je kotva s nej lepším pokrytím na sousední kotvy v lokační buňce po provedení inicializačního měření mezi kotvami stylem „každý s každým“,

- určenou k pravidelné synchronizaci kotev se sub-nanosekundovou přesností,

- mobilní lokátor

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

- 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,

10 - přičemž, kotvy jsou spojeny Ethemetem s RTLS serverem, kotvy se synchronizují bezdrátově pomocí ultraširokopásmového signálu a lokátory vysílají ultraširokopásmový signál v pravidelných intervalech kotvám,

- přičemž chyba bezdrátové synchronizace v podobě vícecestného síření je potlačena pomocí algoritmu hledání náběžné hrany.

15

2. Lokalizační systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že subnanosekundová synchronizace je určená k bezdrátové kompenzaci offset lokálních oscilátorů na kotvách.

3. Lokalizační systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, žek potlačení chyby bezdrátové synchronizace je použita klasifikace odražených signálů pomocí metody rozhodovacích stromů.