CZ37207U1 - Sestava pro sledování polohy pohyblivých objektů - Google Patents

Description

Sestava pro sledování polohy pohyblivých objektů

Oblast techniky

Popisované řešení se týká sestavy sloužící ke sledování polohy pohyblivých objektů za pomoci ultraširokopásmové bezdrátové technologie (UWB).

Dosavadní stav techniky

Pro automatické sledování polohy objektů ve vnitřních prostorách jsou používány kotvy a lokátory, obvykle nazývané tagy, kde kotvy jsou stacionární a tagy jsou upevněny na objektech, jejichž poloha má být sledována.

Stávající systém pro sledování polohy není schopen rozlišit, zda signál z tagu, který je přijat na kotvách, cestoval přímou cestou nebo odrazem od okolních objektů. S ohledem na skutečnost, že odražené signály procházejí vždy delší trajektorií v prostoru než ty přímé signály, zákonitě dochází k tomu, že kotva přisoudí signálu časovou značku, která neodpovídá skutečné přímé vzdálenosti mezi tagem a kotvou. Toto se následně na straně serveru promítne do chybně vypočtené pozice tagu. Kotva ani server však dnes nedokáží detekovat, že nastala takováto situace. Přesnost sledování polohy, a tedy i spolehlivost celého systému je tedy díky tomuto fenoménu snížena.

Typickým problémem rádiových technologií je obecná neideálnost jejich komunikačních kanálů. Ta je daná prostředím, podmínkami a překážkami v cestě vysílač-přijímač, navíc v průmyslových podmínkách umocňovaná proměnlivým charakterem a počtem těchto překážek. V takovém prostředí dochází k odrazům rádiového signálu a vzniká tak kromě útlumu i vícecestné šíření. To způsobuje kolísání úrovně přijímaného signálu v čase (únik) a příjem více verzí téhož signálu různé výkonové úrovně nekonstantního časového zpoždění. Tyto jevy jsou navíc v čase náhodně proměnlivé, takže popis parametrů kanálu a jeho chování je možný pouze statisticky.

Přímá viditelnost (Line-of-Sight, LoS), respektive viditelnost nepřímá (non-Line-of-Sight, nLoS), hraje klíčovou roli při vyhodnocování přijímaného signálu na straně kotev lokalizačního systému, protože existuje-li přímá viditelnost, na přijímači je přijat jako první nezkreslený signál z nejkratší, a tedy nejrychlejší cesty, zatímco za viditelnosti nepřímé je tento utlumen často i pod úroveň šumu a na přijímač přichází až zpožděné odražené signály, což při výpočtu vzdálenosti na základě doby letu signálu (Time-of-Flight, ToF) způsobuje značné zkreslení a vnáší chybu. Přesnost lokalizace tak degraduje až na řád jednotek metrů, a proto je nutné tyto situace správně detekovat, reportovat a uvažovat při vyhodnocování pozic.

Dosavadní řešení se opírá o mechanismy používající proprietární algoritmus LDE (Leading Edge Detection), kterýžto je založen na detekci vzestupné hrany přijímaného signálu (impulzní odezvy kanálu). Používají se dva parametry - odhadovaná síla přijatého signálu RXpower a odhadovaná síla prvního přijatého signálu FPpower. Klasifikace přímých a odražených signálů je postavena na rozdílu úrovní FPpower a RXpower, kdy je-li menší než 6 dB, jde o signál z přímé cesty, a pokud je rozdíl větší než 10 dB, jde o signál odražený. Nevýhodou tohoto řešení je nízká přesnost (cca 60 až 70% úspěšnost) a časová náročnost (nutnost přenášet celou naměřenou impulsní odezvu).

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky, tedy nedostatečná přesnost a časová náročnost, lze eliminovat sestavou pro sledování polohy pohyblivých objektů, která obsahuje

- 1 CZ 37207 U1

- alespoň jeden lokátor obsahující první UWB čip a s ním propojenou první směrovou anténu,

- alespoň jednu kotvu obsahující druhý UWB čip a s ním propojenou druhou směrovou anténu pro příjem signálů z první směrové antény, přičemž kotva je uspořádána pro kabelové a/nebo bezdrátové propojení se serverem.

Kotva přednostně obsahuje mikroprocesor propojený s druhým UWB čipem, přičemž mikroprocesor obsahuje registry s parametry pro klasifikaci přijímaného signálu nebo s parametry pro statistickou analýzu přijímaného signálu.

Lokátor přednostně obsahuje mikrokontrolér, který je propojený s prvním UWB čipem, přičemž tento mikrokontrolér obsahuje registry s parametry pro klasifikaci přijímaného signálu nebo s parametry pro statistickou analýzu přijímaného signálu.

Registry s parametry pro statistickou analýzu přijímaného signálu obsahují přednostně alespoň dva typy parametrů vybraných ze skupiny první dva až čtyři vzorky amplitudy prvního detekovaného signálu, energie přijatého signálu, index maximální amplitudy, index první vzestupné hrany signálu a standardní odchylka šumu. Registry s parametry pro klasifikaci přijímaného signálu mohou přednostně obsahovat alespoň tři typy parametrů vybraných ze skupiny obsahující následující parametry přijatého signálu odhadovaná síla přijatého signálu, odhadovaná síla first path signálu, poměr počtu přijatých symbolů a délky preambule, poměr detekované úrovně začátku pulzu a délky preambule.

Kotva s výhodou obsahuje zdroj napájecího napětí propojený s mikroprocesorem, přičemž zdroj napájecího napětí je přednostně zdroj typu Power over Ethernet.

Sestava obsahuje s výhodou server, který je ethernetovým kabelem propojený s každou kotvou.

Objasnění výkresů

Sestava pro sledování polohy pohyblivých objektů podle tohoto technického řešení je dále podrobněji popsána na základě příkladného provedení, jehož schéma je znázorněno na výkrese.

Příklady uskutečnění technického řešení

Znázorněná sestava podle tohoto technického řešení zahrnuje alespoň jeden lokátor 1 pro přichycení na pohyblivý objekt nebo osobu, alespoň jednu kotvu 2 pro přichycení na pevný objekt v oblasti sledování polohy pohyblivých objektů a alespoň jeden server 5.

V preferovaném příkladném provedení lokátor 1 obsahuje mikrokontrolér 10, v příkladném provedení typu ARM, který je určen pro řízení funkce lokátoru 1 a poskytuje dostatek výpočetního výkonu pro řízení a předzpracovaní senzorických dat a zároveň umožnuje přechod do hlubokého spánku, tedy do stavu se zcela minimální energetickou spotřebou.

Dále lokátor 1 obsahuje první komunikační jednotku 11, v tomto provedení bezdrátovou komunikační jednotku typu Bluetooth, která je propojená s mikrokontrolérem 10 a je určená pro bezdrátový update firmwaru.

S mikrokontrolérem 10 je v lokátoru 1 dále propojený první UWB čip 12, což je čip určený pro ultraširokopásmovou radiokomunikaci, který umožnuje přesné časové označkování přijatých rámců a určení polohy v decimetrovém rozlišení. Příkladné provedení obsahuje jakožto UWB čip 12 čip DW1000 od firmy Decawave. První UWB čip 12 je v lokátoru 1 propojený s první směrovou anténou 16 pomocí SMA konektoru, což je vysokofrekvenční koaxiální konektor.

- 2 CZ 37207 U1

Lokátor 1 dále obsahuje Li-ion/Li-pol akumulátor 14 a s ním propojený obvod 13 pro bezdrátové nabíjení, který kombinuje bezdrátový přenos energie dle WPC standardu a nabíječ Li-ion/Li-pol akumulátorů.

A s mikrokontrolérem 10 je navíc v lokátoru 1 propojena inerciální jednotka 15, která je určena pro 3D lokalizaci (určení Z-osy).

Kotva 2 obsahuje hlavní desku plošných spojů a druhou směrovou anténu 21, která je k hlavní desce připojená pomocí SMA konektorů. Hlavní deska obsahuje mikroprocesor 22, zdroj 23 napájecího napětí, kterým je v tomto příkladném provedení zdroj PoE (Power over Ethernet), a druhý UWB čip 24, tedy čip určený pro ultraširokopásmovou radiokomunikaci. Příkladné provedení obsahuje jakožto druhý UWB čip 24 čip DW1000 od firmy Decawave. Druhý UWB čip 24 obsahuje registr s parametry přijatého signálu.

Kotva 2 obsahuje další podpůrné obvody, které jsou přímo nebo nepřímo propojeny s mikroprocesorem 22, a to ethernetový konektor 25, v tomto provedení typu RJ45, který slouží k datové komunikaci se serverem 5 a poskytování napájecího napětí přes zdroj 23 napájecího napětí ve standardu 802.3af/at, modul 26 pro bezdrátovou Wi-Fi komunikaci pro alternativní bezdrátové propojení kotvy 1 se serverem 5, zdroj 27 teplotně stabilizovaného hodinového signálu, paměť 28 a senzorová čidla 29.

Senzorová čidla 29 jsou například MEMS senzory či barometry a jsou určeny pro 3D lokalizaci (určení Z-osy).

Výše je popisována jedna kotva 2, ale je zřejmé, že vhodný počet kotev 2 závisí na konkrétním sledovaném prostoru a konkrétních požadavcích na sledování. Kotvy 2 jsou ve sledovaném prostoru rozmístěny se vzájemným rozestupem.

Server 5 může být například vzdálený server, který je součástí cloudového řešení. Server 5 obsahuje alespoň procesor 54, grafickou kartu 51, úložiště 52 a druhou komunikační jednotku 53. Druhá komunikační jednotka 53 může být tvořena konektorem, přes který je server 5 propojený s kotvou 2 ethernetovým kabelem. Přídavně, nebo alternativně je druhá komunikační jednotka 53 tvořena bezdrátovým WiFi modulem pro bezdrátové propojení serveru 5 s kotvou 2.

Aplikace se zprovozňuje ve dvou instancích (produkční a vývojová & testovací). Server 5 může například obsahovat datový cluster, jehož součástí je analyticky a monitorovací software (Grafana) a backend aplikace myRTLS, která zaobaluje poskytované služby.

Aplikace může být s výhodou multitenantní, to znamená, že všechny instalace jsou přístupné skrze jednu aplikaci a až uvnitř aplikace se rozhoduje o přístupech a dostupných datech. Obě cloudové instance mohou přistupovat ke sdíleným databázím.

Sestava umožňuje díky svému hardwarovému uspořádání využití nových principů pro zpracování přijatého signálu na kotvě 2, kdy se uvažuje více parametrů přijatého signálu (odhadovaná síla přijatého signálu a first path signálu, poměr počtu přijatých symbolů a délky preambule, poměr detekované úrovně začátku pulzu a délky preambule). Preambule je úvodní část zprávy složená z několika symbolů, má nastavitelnou délku a slouží k detekci začátku vysílání.

Tato sestava tedy sestává ze tří typů základních komponent: kotev 2, které jsou připevněné a které tedy nemění svou polohu, lokátorů 1, neboli tagů, které jsou připevněny na sledovaných objektech nebo osobách a jejichž poloha se může měnit, a serveru 5, který z údajů poskytnutých kotvami vypočítává v reálném čase pozici lokátoru 1.

- 3 CZ 37207 U1

Sestavu podle tohoto technického řešení lze využít následovně:

Kotvy 2 se upevní se vzájemným rozestupem na stropě příslušného prostoru, ve kterém má být prováděno sledování objektů. Takovýmto prostorem může být například výrobní hala, skladovací prostory a podobně. Kotvy 2 jsou propojeny se serverem 5 pomocí kabelů, nebo bezdrátově.

Na každý ze sledovaných objektů se upevní lokátor 1, přičemž je napájen z vlastní baterie nebo akumulátoru, případně z baterie nebo akumulátoru sledovaného objektu, na kterém je příslušný lokátor 1 upevněn a kterým může být například vysokozdvižný vozík.

Lokátory 1 vysílají signály, které jsou přijímány kotvami 2, které tyto signály klasifikují a odesílají na server 5, který v reálném čase vypočítává přesnou polohu lokátorů 1.

Druhý UWB čip 24 klasifikuje přijatý signál na základě jeho specifických parametrů. Vzorové specifické parametry části impulzní odezvy nebo odvozené parametry se nacházejí přímo v rychle dostupných registrech a jde o první tři vzorky amplitudy prvního detekovaného signálu, energie přijatého signálu, index maximální amplitudy, index první vzestupné hrany signálu a standardní odchylku šumu.

Díky výše popsané statistické povaze přijímaných signálů jsou pro jejich klasifikaci vhodné metody strojového učení. Strojové učení se může opírat nejen o samotný poměr úspěšně vyhodnocených vzorků ku všem, ale i následující metriky:

• FP, FN - False Positive (falešná pozitivum), False Negative (falešné negativum), • TP, TN - True Positive (skutečné pozitivum), True Negative (skutečné negativum), • TPR - True Positive Rate (úplnost), poměr pravých LOS ku všem LOS (vs. FPR, False Positive Rate), • TNR - True Negative Rate (selektivnost), poměr NLOS ku všem NLOS (vs. FNR, False Negative Rate), • ROC - Receiver Operating Characterstics (pracovní křivka), tj. poměr TPR a FPR při různých nastaveních rozhodovací úrovně, umožňující klasifikátoru stanovit hranici třídění vzorků, • ROC AUC - ROC Area under Curve (plocha pod křivkou ROC), tj. metrika vyjadřující kvalitu klasifikační metody, • orientační čas rychlosti výpočtu.

Na základě těchto metrik je vybrána klasifikační metoda přímých a odražených signálů. Druhý UWB čip 24 využívá specifických vlastností integrovaného obvodu generujícího a přijímajícího ultraširokopásmové signály na straně kotev 2. Tento integrovaný obvod totiž poskytuje specifické parametry přijatého signálu (registr s parametry), které lze využít pro výpočet, jehož výsledkem je informace, zda přijatý signál prošel přímou cestou nebo zda se jedná o odražený signál, a informace, zda se v prostředí, kde systém operuje, nachází jiná rušivá bezdrátová technologie. Díky druhému UWB čipu 24 lze tedy zvýšit spolehlivost systému i v náročných situacích.

Mezi specifické parametry přijatého signálu uložené v registru patří FPpower, RXpower, poměr počtu přijatých symbolů a délky preambule, poměr detekované úrovně začátku pulzu (LDE) a délky preambule.

Pomocí sestavy podle tohoto technického řešení lze zvýšit spolehlivost systému pro sledování polohy, kdy při použiti stejného počtu kotev 2 se oproti dosavadním systémům zvýší konfidenční interval a přesnost. Pomocí sestavy je možné snížit počet kotev 2 při zachování akceptovatelné přesnosti a konfidenčního intervalu.

- 4 CZ 37207 U1

Sestavu podle tohoto technického řešení lze nasadit pro nestandardní podmínky a je možná instalace kotev 2 pouze v jedné ose. Například může jít o výbušná prostředí, kde je možné provést instalaci kotev 2 pouze na straně vzdálenější od kritických objektů s nižší úrovní rizika dle směrnice ATEX.

Claims (9)

1. Sestava pro sledování polohy pohyblivých objektů, vyznačující se tím, že obsahuje

- alespoň jeden lokátor (1) obsahující první UWB čip (12) a s ním propojenou první směrovou anténu (16),

- alespoň jednu kotvu (2) obsahující druhý UWB čip (24) a s ním propojenou druhou směrovou anténu (21) pro příjem signálů z první směrové antény (16), přičemž kotva (2) je uspořádána pro kabelové a/nebo bezdrátové propojení se serverem (5).

2. Sestava podle nároku 1, vyznačující se tím, že kotva (2) obsahuje mikroprocesor (22) propojený s druhým UWB čipem (24).

3. Sestava podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že lokátor (1) obsahuje mikrokontrolér (10), který je propojený s prvním UWB čipem (12).

4. Sestava podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že mikroprocesor (22) kotvy (2) a/nebo mikrokontrolér (12) lokátoru (1) obsahuje registry s parametry pro klasifikaci přijímaného signálu a/nebo s parametry pro statistickou analýzu přijímaného signálu.

5. Sestava podle nároku 4, vyznačující se tím, že registry s parametry pro statistickou analýzu obsahují alespoň dva typy parametrů vybraných ze skupiny první dva až čtyři vzorky amplitudy prvního detekovaného signálu, energie přijatého signálu, index maximální amplitudy, index první vzestupné hrany signálu a standardní odchylka šumu.

6. Sestava podle nároku 4, vyznačující se tím, že registry s parametry pro klasifikaci přijímaného signálu obsahují alespoň tři typy parametrů vybraných ze skupiny obsahující následující parametry přijatého signálu odhadovaná síla přijatého signálu, odhadovaná síla first path signálu, poměr počtu přijatých symbolů a délky preambule, poměr detekované úrovně začátku pulzu a délky preambule.

7. Sestava podle kteréhokoli z nároků 2 až 6, vyznačující se tím, že kotva (2) obsahuje zdroj (23) napájecího napětí propojený s mikroprocesorem (22).

8. Sestava podle nároku 7, vyznačující se tím, že zdroj (23) napájecího napětí je zdroj typu Power over Ethernet.

9. Sestava podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že obsahuje server (5), který je ethernetovým kabelem propojený s každou kotvou (2).