CZ32010U1 - A scalable localization system for determination of position in 3D - Google Patents

A scalable localization system for determination of position in 3D Download PDF

Info

Publication number
CZ32010U1
CZ32010U1 CZ2018-34996U CZ201834996U CZ32010U1 CZ 32010 U1 CZ32010 U1 CZ 32010U1 CZ 201834996 U CZ201834996 U CZ 201834996U CZ 32010 U1 CZ32010 U1 CZ 32010U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
designed
data
locator
micro
anchor
Prior art date
Application number
CZ2018-34996U
Other languages
Czech (cs)
Inventor
Ľubomír Mráz
Original Assignee
Sewio Networks, s.r.o.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sewio Networks, s.r.o. filed Critical Sewio Networks, s.r.o.
Priority to CZ2018-34996U priority Critical patent/CZ32010U1/en
Publication of CZ32010U1 publication Critical patent/CZ32010U1/en

Links

Landscapes

  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Description

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká škálovatelného lokačního systému k určení polohy ve 3D v reálném čase.The technical solution relates to a scalable real-time 3D positioning system.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Současné škálovatelné lokační systémy postavené na UWB technologii využívají princip TDoA. Jejich rozšířením pomocí MEMS inerciálních senzorů, tj. „Micro Electro Mechanical systém“, je možné kromě pozice získat informaci o natočení lokalizovaného objektu. Pro natočení je možné využít fúzi dat z akcelerometru, gyroskopu a magnetometru.Current scalable location systems based on UWB technology use the TDoA principle. By extending them using MEMS inertial sensors, ie the "Micro Electro Mechanical System", it is possible to obtain information about the location of the localized object in addition to the position. It is possible to use fusion of data from accelerometer, gyroscope and magnetometer.

Současnou limitací lokačního systému na principu TDoA je výpočet polohy ve 3D. Pro tenhle účel je nutné mít referenční kotvy, tj. statické přijímače, umístněné v prostoru diagonálně. Tenhle přístup bohužel v praktickém nasazení mimo laboratorní prostory obvykle není možný, protože kotvy a lokátory, potřebují mít na sebe přímou viditelnost, a to při umístnění při podlaze není obvykle možné. Navíc antény používané pro širokopásmové UWB, tj. „Ultra-Wideband“, rádiové lokalizační technologie mají kvalitní vyzařování v rovině, ale již výrazně nižší zisk mimo ni. Proto diagonální uspořádání vede k nutnosti výrazně hustší sítě kotev.The current limitation of the TDoA location system is 3D position calculation. For this purpose it is necessary to have reference anchors, ie static receivers, located diagonally in the space. Unfortunately, this approach is usually not possible in practical deployment outside the laboratory, because anchors and locators need to have direct visibility on them, and this is usually not possible when placed on the floor. In addition, the antennas used for broadband UWBs, ie "Ultra-Wideband" radio positioning technologies, have good plane radiation, but already significantly lower gain outside of it. Therefore, the diagonal arrangement leads to the necessity of a significantly denser anchor network.

Cílem technického řešení je odstranit výše uvedené nevýhody stavu techniky.The object of the invention is to overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry škálovatelný lokační systém, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje lokátor obsahující MEMS inerciální jednotku určenou k vyhodnocení jejich mikropohybů, UWB rádio určené k zjištění vlastní polohy a k přenosu informace o této poloze a k přenosu dat naměřených MEMS inerciální jednotkou do centrálního serveru, Bluetooth modul určený k možnému propojení mikropohybové jednotky s externími senzory, NFC rozhraní určené k umožnění párování mikropohybové jednotky s jiným digitálním zařízením, tlakový senzor pro určení výšky, zdroj elektrické energie lokátory, a řídící mikrokontroler určený k předzpracování a řízení příjmu a odesílání dat, kde MEMS inerciální jednotka, UWB rádio, Bluetooth modul, NFC rozhraní, tlakový senzor, zdroj elektrické energie a řídící mikrokontroler jsou vzájemně datově propojeny, a dále škálovatelný lokační systém obsahuje kotvu obsahující UWB rádio datově propojené s UWB rádiem lokátoru, určené pro přenos dat mezi nimi, mikrokontrolér s Ethernet rozhraním určený k předzpracování a řízení příjmu a odesílání dat, WiFi modul a tlakový senzor pro určení výšky, a dále škálovatelný lokační systém obsahuje centrální server pro vyhodnocení naměřených dat, kde lokátor, kotva a centrální server jsou vzájemně datově propojeny.The above-mentioned deficiencies are remedied to a large extent by the scalable location system, which consists of a locator containing an MEMS inertial unit intended to evaluate their micro-motions, a UWB radio designed to determine its own position and transmit position information and MEMS inertial unit data. to a central server, a Bluetooth module for possible interconnection of the micro-motion unit with external sensors, an NFC interface designed to allow pairing of the micro-motion unit with other digital equipment, a pressure sensor for determining height, power source locators, and a microcontroller designed for preprocessing and reception control; sending data, where MEMS inertial unit, UWB radio, Bluetooth module, NFC interface, pressure sensor, power supply and control microcontroller are interconnected data, and scalable location the system includes an anchor containing UWB radio data interconnected with UWB locator radio for data transmission between them, microcontroller with Ethernet interface designed for preprocessing and control of data receiving and sending, WiFi module and pressure sensor for determination of height, and further scalable location system contains central server for evaluation of measured data, where the locator, anchor and central server are interconnected by data.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí obrázku představujícího blokové schéma škálovatelného lokačního systému podle technického řešení.The technical solution will be further illustrated by means of a picture representing a block diagram of a scalable location system according to the technical solution.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation

Škálovatelný lokační systém podle technického řešení, jehož blokové schéma je představeno naScalable location system according to the technical solution whose block diagram is presented at

- 1 CZ 32010 U1 obr. 1, obsahuje:- 1 CZ 32010 U1 Fig. 1, contains:

lokátor obsahujícílocator containing

- MEMS, tj. „MicroElectroMechanical systém“, inerciální jednotku určenou pro vyhodnocení jejich mikropohybů, respektive osoby, na niž je mikropohybová jednotka umístěna,- MEMS, ie the "MicroElectroMechanical System", an inertial unit designed to evaluate their micro-movements, or the person on which the micro-movement unit is located,

- UWB rádio určené k zjištění vlastní polohy a k přenosu informace o této poloze a dat z MEMS inerciální jednotky do centrálního serveru,- UWB radio designed to detect its own position and to transmit its position information and data from the MEMS inertial unit to the central server,

- Bluetooth modul určený k možnému propojení mikropohybové jednotky s externími senzory, např. se senzory pro měření tepové frekvence,- Bluetooth module designed to connect the micro-motion unit to external sensors, such as heart rate sensors,

- NFC rozhraní určené k umožnění párování mikropohybové jednotky s jiným digitálním zařízením,- NFC interface designed to enable the pairing of the micro-motion unit with other digital equipment,

- zdroj elektrické energie v podobě například baterie,- a power source such as a battery,

- obvod bez/drátového napájení,- non-wired power circuit,

- řídící mikrokontroler určený pro předzpracování a řízení odesílání dat, aa control microcontroller designed for the preprocessing and control of data transmission, and

- tlakový senzor,- pressure sensor,

- a dále kotvu obsahujícíand further comprising an anchor

- UWB rádio datově propojené s UWB rádiem lokátoru, určené pro přenos dat mezi nimi,- UWB radio data-connected to the UWB locator radio, designed to transmit data between them,

- mikrokontrolér s Ethernet rozhraním,- microcontroller with Ethernet interface,

- WiFi modul a- WiFi module and

- tlakový senzor pro určení výšky, a dále centrální server pro vyhodnocení naměřených dat.- a pressure sensor for determining the height, and a central server for evaluating the measured data.

Všechny výše uvedené komponenty lokátoru jsou vzájemně datově propojeny, stejně tak jako lokátor, kotva a centrální server.All of the above locator components are interconnected with each other as well as the locator, anchor and central server.

Lokátor může výhodně obsahovat indikační LED, tlačítko, pípák, vibrační motorek, atd.The locator may preferably include an indicator LED, a button, a beeper, a vibrating motor, etc.

Rozhraní NFC, využívá blízkou induktivní vazbu a umožňuje tak provést konfiguraci mikro pohybové jednotky z jiného zařízení, např. mobilního telefonu.The NFC interface uses close inductive coupling to configure the micro motion unit from another device, such as a mobile phone.

Mikrokontrolér indikátoru je výhodně typu BGM121 od firmy Silicon Labs, který poskytuje dostatek výpočetního výkonu pro řízení mikroprocesorové jednotky a pro předzpracování inerciálních dat. Zároveň umožňuje přechod do hlubokého spánku, kdy celková spotřeba indikátoru je pouze 16 pW.The indicator microcontroller is preferably of the BGM121 type from Silicon Labs, which provides enough processing power to control the microprocessor unit and to preprocess inertial data. At the same time, it allows for deep sleep when the total indicator consumption is only 16 pW.

UWB čipem indikátoru je výhodně typ DW1000 od firmy Decawave, který umožňuje přesné časové označkování přijatých rámců a určení jeho polohy v decimetrovém rozlišení.The UWB indicator chip is preferably a DW1000 type from Decawave, which allows accurate timestamping of received frames and determining its position in decimeter resolution.

Obvod pro bezdrátové nabíjení indikátoru je výhodně typu BQ5105, který kombinuje bezdrátový přenos energie dle WPC standardu, a nabíječ Li-ion/Li-pol akumulátorů.The indicator charging wireless circuit is preferably of the BQ5105 type, which combines wireless power transmission according to the WPC standard, and a Li-ion / Li-pol battery charger.

MEMS inerciální jednotka je výhodně typu MPU-9250 od firmy Infenion, která integruje v jednom pouzdře trojosý akcelerometr, magnetometr a gyroskop, a umožňuje tak precizně snímat a detekovat parametry, jako jsou pozice osoby, zrychlení, natočení, švih, krok, skok, náraz, pád, aj.The MEMS inertial unit is preferably Infenion's MPU-9250, which integrates a three-axis accelerometer, magnetometer and gyroscope into a single housing to accurately sense and detect parameters such as person position, acceleration, rotation, swing, step, jump, impact , fall, etc.

Představené technické řešení tedy pro výpočet polohy ve 3D kombinuje výpočet 2D pozice pomocí UWB signálu společně s MEMS barometrem pro určení osy Z a to s přesností lepší jak jeden metr, což dále umožňuje mít kotvy v rovině, viz obr. 2b.The presented technical solution for 3D position calculation combines 2D position calculation using UWB signal together with MEMS barometer for determination of Z axis with accuracy better than one meter, which further allows to have anchors in the plane, see Fig. 2b.

Pro určení absolutní výšky je tlakoměr umístěn v lokátoru i ve statických kotvách. Jelikož poloha kotvy je známa, je pak možné Z souřadnici lokátoru určit relativním barometrickým měřením lokátoru, a nejbližších statických kotev v okolí. Navíc, okolní kotvy umožňují potlačit přechodovou změnu tlaku například při otevření oken nebo dveří v prostoru.To determine the absolute height, the pressure gauge is located in the locator and in static anchors. Since the position of the anchor is known, it is then possible to determine from the locator coordinate by relative barometric measurement of the locator, and the nearest static anchors in the vicinity. In addition, the surrounding anchors allow to suppress transient pressure changes, for example, when windows or doors are opened in a room.

-2CZ 32010 U1-2GB 32010 U1

Každá kotva i lokátor mají od výroby určitý offset barometru, to znamená, že udávaný tlak se liší na každé kotvě či lokátoru. Tento offset může mít hodnotu až několik desítek Pascalů. Z toho důvodu je nutné kotvy kalibrovat.Each anchor and locator have a certain barometer offset from production, which means that the indicated pressure varies on each anchor or locator. This offset can be up to several tens of Pascals. For this reason, the anchors must be calibrated.

Kalibrace tlakového senzoru lokátoru se provádí na referenčních kotvách. Je řízená z ovládacího softwaru, a to vzdáleně. V první řadě se pro každou referenční kotvu nastaví jeho reálná výška od země a provede se inicializace, kdy se zašle aktuální hodnota tlakového senzoru na daném přijímači s určitou redundancí v definovaném časovém intervalu. Server přijaté hodnoty vyhodnotí a zkalibruje barometry na kotvách.The locator pressure sensor is calibrated at the reference anchors. It is controlled from the control software remotely. First of all, for each reference anchor, its real ground level is set and initialized to send the current value of the pressure sensor to the receiver with some redundancy in a defined time interval. The server evaluates the received values and calibrates the barometers on the anchors.

Dále se provede kalibrace tlakového senzoru na lokátorech. Tyje nutné statický umístit a změřit jejich výšku od země. Následně se spustí kalibrační proces, během kterého kotvy zachytí barometrické měření z lokátorů a přepošlou ho dál na server, kde se lokátor zkalibruje. Od této doby je možné dynamicky určit Z souřadnici.The pressure sensor on the locators is then calibrated. These must be placed static and measure their height from the ground. The calibration process is then started, during which the anchors capture the barometric measurement from the locators and forward it to the server where the locator is calibrated. From this time it is possible to dynamically determine the Z coordinate.

Kalibrace kotev probíhá během inicializace a vykonává ji RTLS server. Výhodou je záruka, že od každé kotvy získáme 40 hodnot tlaku v průběhu 10 sekund. Z těchto 40 hodnot vybereme mediánem jednu konečnou hodnotu. Tím se vysokou pravděpodobností eliminuje vliv náhle změny tlaku během měření, jako je otevření okna, bouchnutí dveřmi apod.Anchor calibration is performed during initialization and is performed by the RTLS server. The advantage is that we get 40 pressure values from each anchor in 10 seconds. From these 40 values, we choose one final value median. This highly eliminates the effect of sudden pressure changes during measurements such as opening a window, slamming doors, etc.

Následně RTLS Server určí libovolnou kotvu, pro jednoduchost první, jako referenční.Subsequently, the RTLS Server will designate any anchor, first for simplicity, as the reference.

Poté se pro všechny ostatní kotvy dopočítá offset, který je třeba připočítat ke každé hodnotě tlaku z dané kotvy, aby se dorovnala na úroveň referenční kotvy. Tímto je samozřejmě v systému vytvořena absolutní chyba, přičemž systém zajímá pouze relevantní chyba, kdy výstupem systému je výška v dané místnosti, a ne nadmořská výška.Then, for all other anchors, the offset to be added to each pressure value from that anchor is calculated to bring it to the level of the reference anchor. This, of course, creates an absolute error in the system, and the system is only interested in the relevant error, where the output of the system is the height in the room, not the altitude.

Kdyby byly všechny kotvy ve stejné výšce, tak se offset spočítá jako rozdíl tlaku kotev vůči referenční kotvě. Kotvy jsou však umístěny v různých výškách, takže je nutné dopočítat další offset. Výpočet tohoto offsetu vychází z rovnice J. Babineta na výpočet rozdílu výškových hladin za znalosti tlaku v těchto výškových hladinách.If all anchors were at the same height, the offset is calculated as the difference in anchor pressure to the reference anchor. However, the anchors are placed at different heights, so it is necessary to calculate the next offset. The calculation of this offset is based on the equation of J. Babinet to calculate the difference in altitude levels, knowing the pressure at these altitudes.

Kotvy nejsou umístněné jen v různých výškách, ale také na různých lokalitách. Můžou se tak v systému vyskytnut dvě kotvy se stejnou Z souřadnicí, ale rozdílnou nadmořskou výškou. Abychom zamezili této chybě, tak je nutné zavést nový parametr pro danou lokalitu, a to konkrétně výšku. Není důležitá absolutní výška, ale relativní rozdíl mezi ostatními lokalitami.Anchors are not only located at different heights, but also at different locations. Thus, two anchors with the same Z coordinate but different altitude can occur in the system. To avoid this error, it is necessary to introduce a new parameter for the location, namely height. It is not the absolute height that matters, but the relative difference between the other sites.

Skálovatelný lokační systém podle technického řešení využívá unikátního spojení 2D UWB lokalizace a určení Z souřadnice pomocí tlakového MEMS senzoru. Jeho uplatnění je možné převážně v lokačních systémech pro monitorování prvků pro sportovní aplikace v reálném čase, ale i u lékařských a průmyslových senzorů.The scalable location system according to the invention utilizes a unique 2D UWB connection and Z coordinate determination using a pressure MEMS sensor. Its application is possible mainly in location systems for monitoring elements for real-time sports applications, but also for medical and industrial sensors.

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS

Claims (4)

1. Skálovatelný lokační systém, vyznačující se tím, že obsahuje lokátor obsahujícíA scalable location system, characterized in that it comprises a locator comprising MEMS inerciální jednotku určenou k vyhodnocení jejich mikropohybů,MEMS an inertial unit designed to evaluate their micro-movements, UWB rádio určené k zjištění vlastní polohy a k přenosu informace o této poloze a k přenosu dat naměřených MEMS inerciální jednotkou do centrálního serveru, Bluetooth modul určený k možnému propojení mikropohybové jednotky s externími senzory,UWB radio designed to detect its own position and to transmit information about this position and to transmit the data measured by the MEMS inertial unit to the central server, a Bluetooth module designed for possible interconnection of the micro-motion unit with external sensors, -3 CZ 32010 U1-3 EN 32010 U1 NFC rozhraní určené k umožnění párování mikropohybové jednotky s jiným digitálním zařízením, tlakový senzor pro určení výšky, zdroj elektrické energie lokátory, aNFC interface designed to enable pairing of the micro-motion unit with other digital equipment, a pressure sensor for determining height, a power source locators, and 5 - řídící mikrokontroler určený k předzpracování a řízení příjmu a odesílání dat, kde5 - a control microcontroller designed to preprocess and control the reception and transmission of data, where MEMS inerciální jednotka, UWB rádio, Bluetooth modul, NFC rozhraní, tlakový senzor, zdroj elektrické energie a řídící mikrokontroler jsou vzájemně datově propojeny, a dále škálovatelný lokační systém obsahuje kotvu obsahujícíThe MEMS inertial unit, UWB radio, Bluetooth module, NFC interface, pressure sensor, power supply and control microcontroller are data interconnected, and the scalable location system includes an anchor containing UWB rádio datově propojené s UWB rádiem lokátoru, určené pro přenos dat mezi nimi,UWB radio data-connected to UWB locator radio, designed to transmit data between them, 10 - mikrokontrolér s Ethernet rozhraním určený k předzpracování a řízení příjmu a odesílání dat,10 - microcontroller with Ethernet interface designed for preprocessing and control of data receiving and sending, WiFi modul a tlakový senzor pro určení výšky, a dále škálovatelný lokační systém obsahuje centrální server pro vyhodnocení naměřenýchThe WiFi module and pressure sensor for height determination, and the scalable location system includes a central server for evaluating the measurements 15 dat, kde lokátor, kotva a centrální server jsou vzájemně datově propojeny.15 where the locator, anchor and the central server are interconnected data.
CZ2018-34996U 2018-05-24 2018-05-24 A scalable localization system for determination of position in 3D CZ32010U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-34996U CZ32010U1 (en) 2018-05-24 2018-05-24 A scalable localization system for determination of position in 3D

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-34996U CZ32010U1 (en) 2018-05-24 2018-05-24 A scalable localization system for determination of position in 3D

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ32010U1 true CZ32010U1 (en) 2018-08-28

Family

ID=63360802

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2018-34996U CZ32010U1 (en) 2018-05-24 2018-05-24 A scalable localization system for determination of position in 3D

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ32010U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10679360B2 (en) Mixed motion capture system and method
EP1959831B1 (en) Motion tracking system
US8203487B2 (en) Tightly coupled UWB/IMU pose estimation system and method
US11181402B2 (en) System and method for the assisted calibration of sensors distributed across different devices
US8179253B2 (en) Location and tracking system, method and device using wireless technology
US11035915B2 (en) Method and system for magnetic fingerprinting
WO2008068542A1 (en) Auto-calibration method for sensors and auto-calibrating sensor arrangement
US20110313716A1 (en) Intertial tracking system with provision for position correction
KR101385093B1 (en) 3d-position decision system and 3d-position decision method based mems ins for worker in construction filed
EP2600109A2 (en) Method for calibration of a sensor unit and accessory comprising the same
JP5784745B2 (en) System and method for monitoring mechanically coupled structures
JP4845068B2 (en) Dead reckoning equipment
TWI680277B (en) Method and system for determining a direction of movement of an object
CN104352039A (en) Monitoring walking stick
KR101694675B1 (en) Underground structure field integrated management system
KR20190094684A (en) System for measuring position
JP4714853B2 (en) Dead reckoning equipment
Garcia-Requejo et al. Positioning Android devices in large indoor spaces and transitioning to outdoors by sensor fusion
CZ32010U1 (en) A scalable localization system for determination of position in 3D
GB2595065A (en) Method and system for tracking and determining an indoor position of an object
KR20130076221A (en) Auto-correction of the apparatus for tracking position using bluetooth mounted in the smart phone
EP3399279A2 (en) Condition based accurate indoor positioning
KR100868241B1 (en) Interior position tracking apparatus using acceleration sensor
KR20150090293A (en) Underground structure field control system based on ubi-gis technique
Strozzi et al. A multifloor hybrid inertial/barometric navigation system

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20180828

MK1K Utility model expired

Effective date: 20220524