DE102006049862A1

DE102006049862A1 - Konzept zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders in einem Funksystem

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Publication number: DE102006049862A1
Application number: DE102006049862A
Authority: DE
Inventors: Dennis Fritsch; Gerd Dr. vom Bögel; Thomas Ledermann; Harald Wolfelschneider
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-04-30
Also published as: WO2008049565A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich ein Objekt, das mit einem passiven Transponder versehen ist, befindet, wobei sich der Ort in einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit einer Empfangseinrichtung zum Erhalt einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede Antenne, wobei die Phaseninformation auf eine Phase eines Signalanteils in einem Antennensignal hinweist, den der passive Transponder als Reaktion auf eine Lokalisationsaktivierung erzeugt hat, einer Kombinationseinrichtung zum Kombinieren der Phaseninformationen der Empfangssignale, um relative Phasenlagen der Empfangssignale zu erhalten, und einer Ortsbestimmungseinrichtung zum Berechnen der Information über den Objekt-Ort aus den relativen Phasenlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders in einem Funksystem, insbesondere in einem RFID-System (RFID = Radio Frequency Identification).
Eine Vielzahl von Aufgaben, wie beispielsweise Auffinden von Objekten in einem oder mehreren Regalen, Kommissionieren durch Industrieroboter, Hol- und Bringdienste von Servicerobotern oder eine Verfolgung von Objekten im Materialfluss, setzt eine Kenntnis von Position und Orientierung von den Objekten voraus. Für die Objektidentifikation gelangt die RFID-Technologie aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in zunehmenden Maße zum Einsatz.
Bei RFID handelt es sich um ein funkbasiertes, kontaktloses Identifikationsverfahren. RFID-Systeme arbeiten grundsätzlich in vier unterschiedlichen Frequenzbereichen. Niedrig-(LF – Low Frequency; 30 kHz–600 kHz), Hoch-(HF – High Frequency, bzw. RF – Radio Frequency; 3 MHz–30 MHz), Ultrahoch-(UHF – Ultra High Frequency; 600 MHz–2,5 GHz) und Mikrowellenfrequenz (> 2,5 GHz).
Die RFID-Technologie ist bisher nicht geeignet, Objekte hinsichtlich ihrer Lage ortsauflösend, d.h. mit einer Genauigkeit von beispielsweise wenigen Millimetern, zu lokalisieren. Der Vorteil von RFID-Systemen zum Beispiel gegenüber Barcodesystemen ist unter anderem eine deutlich höhere Datenkapazität, Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse wie Verschmutzung, eine deutlich höhere Reichweite und eine Möglichkeit, viele RFID-Transponder gleichzeitig auszulesen. Ein RFID-Transponder ist dabei das eigentliche Etikett, welches die Information z.B. einer Ware trägt und mit einem stationären oder mobilen Schreib-Lesegerät bzw. einer Sende-/Empfangsvorrichtung kommuniziert. Diese Kommunikation erlaubt je nach Systemaufbau das Lesen und Beschreiben des RFID-Transponders, wodurch eine zusätzliche Flexibilität eines RFID-Systems gegeben ist. Beispielsweise ist eine nachträgliche Änderungen von Produktdaten somit einfach möglich. Ein weiterer Vorteil von RFID-Systemen ist die Möglichkeit, passive RFID-Transponder einzusetzen, d.h. Transponder, die ohne eigene Energieversorgung auskommen und daher entsprechend kompakt aufgebaut werden können. Die Erweiterung der RFID-Technologie um die Fähigkeit der ortsauflösenden Objektlokalisation kann eine Vielzahl an neuen Anwendungen beispielsweise für die Handhabungstechnik ermöglichen.
Beim Einsatz von RFID-Transpondern zur Lokalisation von Objekten wird zwischen identifizierenden und ortsauflösenden Verfahren unterschieden.
Bei identifizierenden Verfahren wird lediglich die Anwesenheit eines RFID-Transponders erfasst. Die Genauigkeit dieses Verfahrens entspricht damit einem Empfangsbereich des Schreib-Lesegeräts bzw. der mit dem Schreib-Lesegerät gekoppelten Antennen. Solche Verfahren werden beispielsweise zur Verfolgung von Produkten in Logistikprozessen verwendet. Für Handhabungsprozesse sind sie jedoch nicht geeignet.
Für ortsauflösende Verfahren, bei denen eine relativ exakte Position eines RFID-Transponders im Raum ermittelt wird, werden bisher batteriebetriebene Transponder verwendet. Aus Kostengründen und aufgrund der Baugröße werden diese jedoch nur in Einzelfällen eingesetzt. Zudem eignen sich diese Verfahren nur für große Reichweiten bzw. Entfernungen und erreichen nicht die für die Handhabungstechnik benötigte Genauigkeit. Batteriebetriebene RFID-Transponder zur Lokalisierung werden nur im geringen Umfang eingesetzt, weil sie sehr teuer sind und eine komplette Infrastruktur benö tigen. In der Regel werden sie auch nur zum Zweck der Lokalisation eingesetzt und verbleiben nur temporär an einem zu lokalisierenden Objekt.
Andere verfügbare Lokalisationsverfahren basieren zumeist auf Auswertesystemen mit optischen 2-D- oder 3-D-Sensoren, die jedoch einigen Grenzen unterliegen. Zu nennen sind hier insbesondere hohe Investitions- und Wartungskosten, Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen (z.B. Staub, instabile Lichtverhältnisse) und der Aufwand zur Anpassung der Auswertealgorithmen an die zu lokalisierenden Objekte („Einlernen").
9 zeigt einen typischen Aufbau eines RFID-Systems. Solch ein System besteht typischerweise aus einem oder mehreren Lesegeräten bzw. Sende-/Empfangsvorrichtungen 10 und einer Vielzahl von Transpondern 11. Sowohl das Lesegerät 10 als auch der Transponder 11 besitzen jeweils eine Antenne 12, 13, die maßgeblich eine Reichweite der Kommunikation zwischen Lesegerät 10 und Transponder 11 beeinflusst. Gelangt der Transponder 11 in die Nähe der Antenne 12 des Lesegeräts 10, so tauschen beide (Transponder und Lesegerät) Daten aus. Das Lesegerät 10 überträgt neben den Daten auch Energie zum Transponder 11. Im Innern des Transponders 11 befindet sich dafür eine Antennenspule, die beispielsweise als Rahmen- oder Ferritantenne ausgeführt ist. Zum Betrieb des Transponders 11 erzeugt das Lesegerät 10 zunächst mittels seiner Antenne 12 ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld. Die Antenne 12 umfasst ebenfalls eine großflächige Spule mit mehreren Windungen. Hält man nun den Transponder 11 in die Nähe der Lesegerätantenne 12, so erzeugt das Feld des Lesegeräts eine Induktionsspannung in der Spule des Transponders 11. Diese Induktionsspannung wird gleich gerichtet und dient zur Spannungsversorgung des Transponders 11. Parallel zu einer Induktivität der Transponderspule ist im Allgemeinen eine Kapazität geschaltet. So entsteht ein Parallelschwingkreis. Die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises entspricht der Sendefrequenz des RFID-Systems. Gleichzeitig wird auch die Antennenspule des Lesegeräts 10 durch einen zusätzlichen Kondensator in Reihen- oder Parallelschaltung in eine Resonanz gebracht.
Aus der, in dem Transponder 11 induzierten Wechselspannung wird zusätzlich eine Taktfrequenz abgeleitet, welche einen Speicherchip oder einen Mikroprozessor des Transponders 11 dann als Systemtakt zur Verfügung steht. Die Datenübertragung vom Lesegerät 10 zum Transponder 11 erfolgt im einfachsten Fall durch eine sog. Amplitudentastung (ASK = Amplitude Shift Keying), bei der das hochfrequente magnetische Wechselfeld ein- und ausgeschaltet wird. Die umgekehrte Datenübertragung vom Transponder 11 zum Lesegerät 10, nutzt die Eigenschaften der transformatorischen Kopplung zwischen der Lesegerätantenne 12 und der Transponderantenne 13 aus. Dabei stellt die Lesegerätantenne 12 eine primäre Spule und die Transponderantenne 13 eine sekundäre Spule eines aus Lesegerätantenne und Transponderantenne gebildeten Transformators.
Dieses Prinzip funktioniert nur im Nachfeld der Lesegerätantenne 12, wobei hier bekanntlich der Betrag der Feldstärke im Bezug auf den Abstand des Transponders 11 zum Lesegerät 10 eine 1/r³-Abhängigkeit aufweist (r = Radius). Belastet man nun die Antenne 13 des Transponders 11 unterschiedlich, beispielsweise durch ein Ein- und Ausschalten eines zusätzlichen Lastwiderstandes im Transponder 11 im Takt der zu übertragenden Daten, ändert sich eine Rückwirkung des sekundärseitigen Transponderschwingkreises auf die primäre Lesegerätantenne 12. Diese Änderung kann am Lesegerät 10 detektiert werden. Dieses Verfahren der Modulation mittels eines Umschaltens einer Last im Transponderschwingkreis nennt man Lastmodulation. Sie ist die Basis der Datenübertragung vom Transponder 11 zum Lesegerät 10. Zur Datenübertragung vom Lesegerät 10 zum Transponder 11 wird die Antenne 12 des Lesegeräts 10 im Takt der Daten abgeschaltet. Dies führt ebenfalls zum Abfall der Spannung am Transponder. Da dieses Abschalten aber nur für einen kurzen Zeitraum erfolgt, führt es lediglich zu einem kurzen Zeitraum erfolgt, führt es lediglich zu einem kurzen Spannungsabfall am Transponder 11, die Energieversorgung bleibt jedoch weiterhin gewährleistet.
Befindet sich der Transponder 11 im Fernfeld der Lesegerätantenne 12 (Abstand größer als λ/(2π), λ = Wellenlänge), ist eine transformatorische Kopplung ausgeschlossen. Dies trifft für viele RFID-Systeme ab einer Trägerfrequenz von etwa 433 MHz zu. Insbesondere dann, wenn größere Entfernungen (> 1 m) zwischen Transponder 11 und Lesegerät 10 überbrückt werden sollen. Dabei werden derzeit gerade für größere Reichweiten aktive oder halbaktive Transponder eingesetzt, da ab etwa 8 m Entfernung vom Lesegerät 10 die vom Lesegerät abgestrahlte Energie nicht mehr zur Versorgung des Transponders 11 ausreicht. Eine Batterie sorgt dabei lediglich für eine Energieversorgung der Schaltkreise in einem halbaktiven Transponder und wird nicht zur eigentlichen Datenübertragung eingesetzt. Die Datenübertragung basiert auf folgendem Prinzip. Materie bzw. Objekte, die größer als die halbe Wellenlänge der vom Schreib-Lesegerät 10 ausgestrahlten elektromagnetischen Welle sind, reflektieren diese elektromagnetische Welle. Diese Reflexion ist insbesondere dann ausgeprägt, wenn sich ein Objekt in Resonanz zur ausgestrahlten elektromagnetischen Welle befindet. Die Fähigkeit der Reflexion durch die Transponderantenne 13 wird als Rückstrahlquerschnitt bezeichnet. Schaltet man nun eine Last an der Transponderantenne 13 um, moduliert man diesen Rückstrahlquerschnitt. Dieses reflektierte und modulierte Signal kann nun am Lesegerät 10 beispielsweise mittels eines Richtkopplers vom ausgesendeten Signal getrennt und demoduliert werden.
Wie bereits beschrieben, basieren derzeitige Lokalisationsverfahren für die Handhabungstechnik zumeinst auf optischen 2-D- oder 3-D-Sensoren mit einem Auswertesystem, oder sie basieren auf dem Einsatz von batteriebetriebenen, d.h. aktiven Transpondern. Solche Lokalisationsverfahren ziehen hohe Investitions- und Wartungskosten, Empfindlichkeit ge genüber Umweltbedingungen und einen großen Aufwand zur Anpassung der Auswertealgorithmen nach sich. Die Anforderungen an Systeme zur Lokalisation von Objekten werden von diesen Verfahren in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Robustheit, Taktzeit und Objektunabhängigkeit für eine Vielzahl von Aufgaben der Handhabungstechnik nicht erfüllt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Konzept zur Lokalisierung von Objekten bzw. passiven RFID-Transpondern zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, einen Transponder gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren gemäß Anspruch 18 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Position, Richtung und/oder Bewegung eines passiven Transponders bestimmt werden kann, indem ein Messareal durch eine Mehrzahl von Lesegerätantennen definiert wird, in deren Empfangsbereich sich der passive Transponder bzw. ein Objekt, an dem der passive Transponder angebracht ist, befindet. Ein Schreib-Lesegerät aktiviert und identifiziert dazu beispielsweise den zu lokalisierenden RFID-Transponder und veranlasst, dass der zu lokalisierende RFID-Transponder beginnt, ein sogenanntes Lokalisationssignal zu senden. Das Lokalisationssignal erzeugt der zu lokalisierende Transponder beispielsweise selbst oder er reflektiert ein vom Schreib-Lesegerät eingestrahltes Trägersignal mit Aufmodulation des Lokalisationssignals beispielsweise durch Lastmodulation oder durch Backscattering. Dabei ist das Lokalisationssignal ein periodisches Signal. Die verschiedenen Lesegerätantennen bzw. Lokalisationsantennen, deren Antennenpositionen im Raum bekannt sind, empfangen die Funksignale des passiven Transponders und führen sie einem sog. Lokalisationsempfänger zur Aufbereitung bzw. Regeneration des Lokalisationssignals zu. Der Lokalisationsempfänger kann beispielsweise teil des Schreib-Lesegeräts sein. Erfindungsgemäß werden dort Laufzeiten, Laufzeitdifferenzen, Intensitäten und gegebenenfalls Richtungen des Lokalisationssignals bzgl. der einzelnen Lokalisationsantennen bestimmt. Aus diesen Informationen kann beispielsweise ein Rechner den Ort des Transponders bzw. des Objekts an dem der Transponder befestigt ist bestimmen. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist eine primäre Größe bei der Auswertung eine Laufzeitdifferenz, die aus den verschiedenen Empfangssignalen der Lokalisationsantennen gewonnen werden kann. Intensität und Richtung der Empfangssignale können beispielsweise für eine Plausibilitätsprüfung mit einbezogen werden.
Zur Bestimmung der relativen Laufzeiten der Empfangssignale der verschiedenen Lokalisationsantennen wird erfindungsgemäß das von dem Transponder gesendete Lokalisationssignal herangezogen. Um dieses Signal von dem Trägersignal des Schreib-Lesegeräts zu unterscheiden können, ist es notwendig, es entweder im Zeit- oder im Frequenzbereich von dem Trägersignal unterscheidbar zu machen.
Diese Unterscheidung wird bei einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass das Schreib-Lese-Gerät sein Trägersignal periodisch unterbricht. In den Pausen sendet der Transponder das Lokalisationssignal. Dieses kann ein Signal mit oder ohne Modulation (z.B. PM, FM, AM oder Varianten) sein. In dem Lokalisationsempfänger zum Erhalten einer geeigneten Phaseninformation des Empfangssignals für jede Lokalisationsantenne findet dabei keine Demodulation des Lokalisationssignals statt. Das Signal wird nach Filterung und Verstärkung direkt ausgewertet, in dem die Phasenlage der Signale zueinander bestimmt wird.
Eine Positionsbestimmung des passiven Transponders kann nun gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht werden, dass der Transponder ein vom eingestrahlten Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Signal erzeugt. Das Seitenband entsteht beispielsweise durch Mischung des zu übertragenden Lokalisationssignals in den Hochfrequenzbereich. Das Seitenband-Signal weist somit die gleiche Bandbreite und Amplitudenstatistik auf wie das modulierende Lokalisationssignals. Das Seitenband-Signal kann in dem Lokalisationsempfänger von dem Trägersignal isoliert werden, und anschließend die Transponderposition über die relativen Phasenlagen des an den verschiedenen Lokalisationsantennen empfangenen Seitenband-Signals berechnet werden.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Positionsbestimmung des passiven Transponders dadurch erreicht werden, dass der Transponder ein harmonisches Signal (beispielsweise ein Rechteck oder Sinus) auf das eingestrahlte Trägersignal aufmoduliert. In einer Signalaufbereitung des Lokalisationsempfängers findet schließlich eine Filterung, Verstärkung und Demodulation statt. Die Position des Transponders kann anschließend über die relativen Phasenlagen des an den verschiedenen Lokalisationsantennen empfangenen Modulationssignals berechnet werden. Das Lokalisationssignal ist dabei ein von dem Transponder erzeugtes Pseudo-Random-Bit-Sequence-Signal (PRBS), das auf das eingestrahlte Trägersignal aufmoduliert wird. Beispielsweise durch eine Kreuzkorrelation mit frequenzverschobenen PRBS-Signalen in der Signalaufbereitung des Lokalisationsempfängers können die Laufzeitdifferenzen und damit der Ort des RFID-Transponders ermittelt werden.
Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass herkömmliche RFID-Transponder eingesetzt werden können. Lediglich ein Mikrochip des RFID-Transponders kann erfindungsgemäß modifiziert werden, um das Lokalisationssignal zu erzeugen. Damit besteht mit dem erfindungsgemäßen Konzept neben der Möglichkeit der reinen Identifizierung eines mit einer Sende-/Empfangsvorrichtung gekoppelten Transponders zusätzlich die Möglichkeit zur Positionsbestimmung, zur Bestimmung einer Orientierung und die Möglichkeit zur Bestimmung einer Bewegung des passiven Transponders. Dabei ist es möglich, lediglich die Sende- Empfangsvorrichtung bzw. das Schreib-Lesegerät entsprechend zu modifizieren, so dass zur Lokalisierung herkömmliche RFID-Transponder verwendet werden können.
Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass bei einer Positionsbestimmung eines RFID-Transponders bzw. eines mit einem RFID-Transponder versehenen Objektes nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise keine Sichtverbindung zwischen den Lokalisationsantennen und dem Transponder notwendig ist.
Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Konzept die Möglichkeit für neue Serviceleistungen und dadurch eine Grundlage für die Entstehung neuer Anwendungsbereiche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen RFID-Systems zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Lokalisation eines Objekt-Ortes, an dem sich ein Objekt, das mit einem passiven Transponder versehen ist, befindet;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Liefern einer Information über ein Objekt-Ort gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Lokalisationssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines einseitenbandmodulierten Lokalisationssignals im Frequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines rückgekoppelten Schieberegisters zur Erzeugung frequenzverschobener Pseudo-Random-Bit-Sequenzen als Lokalisationssignale gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 schematische Darstellung eines passiven Transponders zur Verwendung zur Lokalisierung eines Ortes, an dem sich ein Objekt befindet, an dem der passive Transponder angebracht ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein schematischen Blockschaltbild eines UHF-RFID-Systems zur Positionsbestimmung eines passiven UHF-Transponders im UHF-Frequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein schematischen Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen HF-RFID-Systems zur Positionsbestimmung eines passiven HF-Transponders im HF-Frequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 einen typischen Aufbau eines konventionellen RFID-Systems.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleich oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, in den nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
Im nachfolgenden wird der Begriff „Signal für Ströme oder Spannungen gleichermaßen verwendet, es sei denn, es ist explizit etwas anderes angegeben.
1 zeigt einen exemplarischen Aufbau eines RFID-Systems zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Solch ein System besteht wenigstens aus einem Schreib-Lesegerät bzw. einer Sende-/Empfangsvorrichtung 100 und aus einem oder einer Mehrzahl von zu lokalisierenden Transpondern 110a-c. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 100 ist dazu mit einer Mehrzahl von Lokalisationsantennen 102a-d gekoppelt.
Die Transponder 110a-c befinden sich jeweils an Orten in einem Empfangsbereich der Lokalisationsantennen 102a-d, die an verschiedenen bekannten Antennenpositionen angeordnet sind. Ein Messareal wird also durch die Antennen 102a-d definiert, zwischen in dem sich ein zu lokalisierender RFID-Transponder 110c befindet. Das Schreib-Lesegerät 100 aktiviert und identifiziert die RFID-Transponder 110a bis 110c und veranlasst, dass nur der zu lokalisierende RFID-Transponder 110c beginnt, das Lokalisationssignal bzw. eine Lokalisationssequenz zu senden. Wie es im Nachfolgenden noch näher beschrieben wird, erzeugt der zu lokalisierende Transponder 110c dieses Lokalisationssignal selbst oder er reflektiert ein von dem Schreib-Lesegerät 100 eingestrahltes Trägersignal mit einer Modulation des Trägersignals mit dem Lokalisationssignal, beispielsweise durch Lastmodulation. Dabei ist das Lokalisationssignal ein periodisches Signal.
Die Lokalisationsantennen 102a-d, deren Positionen im Raum bekannt sind, empfangen zeitverschobene Replika des Funksignals des Transponders 110c und führen sie beispielsweise über Lichtwellenleiter oder Koaxialkabel einem in 1 nicht explizit dargestellten Lokalisationsempfänger zur Aufbereitung bzw. Regeneration des Lokalisationssignals zu. Der Lokalisationsempfänger kann sich beispielsweise in dem Schreib-Lesegerät 100 befinden. In diesem Lokalisationsempfänger können Laufzeitdifferenzen, Intensitäten und gegebenenfalls Richtungen der Replika des Lokalisationssignals bestimmt werden. Anhand dieser Informationen kann beispielsweise ein nicht gezeigter Rechner den Ort des zu lokalisierenden Transponders 110c bzw. des Objektes, an dem der zu lokalisierende Transponder 110c angebracht ist bestimmen. Dabei ist die primäre Größe bei der Auswertung eine Laufzeitdifferenz, die aus den Empfangssignalen der Antennen 102a-d gewonnen werden kann. Empfangssignalintensität und -richtung können ggf. zusätzlich für eine Plausibilitätsprüfung mit einbezogen werden.
Das in 1 gezeigte RFID-System zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt die Fähigkeit einer Selbstkalibration, indem beispielsweise wechselweise eine der Lokalisationsantennen 102a-d als Sendeantenne betrieben wird, und hierdurch Laufzeiten zu und innerhalb der einzelnen Empfangspfade ermittelt werden können.
Für eine Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum mittels Auswertung von Signallaufzeitdifferenzen, sind im allgemeinen vier Empfangsantennen notwendig. Mittels der vier von den Empfangsantennen empfangenen Empfangssignale mit unterschiedlichen Phasenlagen können drei unterschiedliche relative Phasenlagen bzw. Laufzeitdifferenzen bezogen auf eines der vier Empfangssignale und damit die drei Ortskoordinaten des zu lokalisierenden Transponders 110c im dreidimensionalen Raum ermittelt werden. Ist eine Signallaufzeit des zu lokalisierenden Transponders 110c zu einer der Empfangsantennen bekannt, so sind in diesem speziellen Fall bereits drei Empfangsantennen zur Positionsbestimmung in dem dreidimensionalen Raum ausreichend. Zu einer zweidimensionalen Positionsbestimmung genügen im allgemeinen ebenfalls drei Antennen.
Zur Bestimmung relativer Signallaufzeiten von dem Transponder 110c zu den Antennen 102a-d wird erfindungsgemäß ein von dem Transponder 110c gesendetes Lokalisationssignal herangezogen. Um dieses Lokalisationssignal von dem Trägersignal des Schreib-Lesegeräts 100 zu unterscheiden, ist es notwendig, es entweder im Zeit- oder im Frequenzbereich von dem Trägersignal unterscheidbar zu machen, wie es im Nachfolgenden anhand der 3 bis 5 noch näher erläutert wird.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich ein Objekt, dass mit einem passiven RFID-Transponder versehen ist, befindet. Die Vorrichtung 200 ist dazu mit einer Mehrzahl von Antennen 102a-d gekoppelt. Ferner weist die Vorrichtung 200 eine Empfangseinrichtung 210 zum Erhalten einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede der Antennen 102a-d auf. Die Empfangseinrichtung 210 ist ausgangsseitig mit einer Kombinationseinrichtung 220 zum Kombinieren der Phaseninformationen der Empfangssignale gekoppelt. Die Kombinationseinrichtung 220 ist weiterhin mit einer Ortsbestimmungseinrichtung 230 zum Berechnen der Information über den Objekt-Ort verschaltet.
Wie im Vorhergehendem bereits beschrieben wurde, können über die Empfangsantennen 102a bis 102d Funksignale eines zu lokalisierenden Transponders empfangen werden. Durch unterschiedliche Entfernungen der einzelnen Antennen 102a-d zu einem zu lokalisierenden Transponder weisen die verschiedenen Empfangssignale der Lokalisationsantennen 102a-d unterschiedliche Laufzeiten und damit unterschiedliche Phasenlagen zueinander auf. Die Empfangssignale können in der Empfangseinrichtung 210 derart aufbereitet werden, dass anschließend in der Kombinationseinrichtung 220 die relativen Phasenlagen der Empfangssignale der Lokalisationsantennen 102a-d bestimmbar sind. Dazu kann die Empfangseinrichtung 210 beispielsweise ein Empfangsfilter einen Verstärker und/oder einen Demodulator aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Empfangseinrichtung 210 der Vorrichtung 200 ein Lokalisationssignal des Transponders empfangen, wenn das Schreib-Lesegerät sein Trägersignal periodisch unterbricht, wie es nachfolgend anhand von 3 näher erläutert wird.
Zur Bestimmung der relativen Laufzeiten wird ein von dem zu lokalisierenden Transponder 110c gesendetes Lokalisierungssignal s_loc(t) herangezogen. Um dieses Signal von dem Trägersignal s_c(t) unterscheiden zu können, ist es notwendig, es beispielsweise im Zeitbereich unterscheidbar zu machen. Dabei kann das Lokalisationssignal s_loc(t) beispielsweise dem Trägersignal s_c(t) entsprechen oder das Lokalisationssignal kann dem Trägersignal aufmoduliert sein.
Teil (a) von 3 zeigt ein von dem Schreib-Lesegerät periodisch unterbrochenes Trägersignal s_c(t). Während das Schreib-Lesegerät jeweils in den Zeiträumen t₀ bis t₁, t₂ bis t₃ und t₄ bis t₅ sendet, sendet der Transponder 110c das Lokalisationssignal s_loc(t) in den Zeiträumen t₁ bis t₂ und t₃ bis t₄ usw. Dieses Lokalisationssignal s_loc(t) kann ein Signal mit oder ohne Modulation sein.
An einer ersten Empfangsantenne, z.B. 102a, wird in den Zeitintervallen, in denen das Lokalisationssignal s_loc(t) von dem Transponder 110 gesendet wird, ein erstes Empfangssignal r₁(t) empfangen. An einer zweiten Empfangsantenne, z.B. 102b, welche mit Empfangseinrichtung 210 der Vorrichtung 200 gekoppelt ist, wird aufgrund einer unterschiedlichen Entfernung zu dem Transponder 110c ein zu dem Empfangssignal r₁(t) zeit- bzw. phasenverschobenes Empfangssignal r₂(t) empfangen. Dieser Zusammenhang ist in den Teilen (b) und (c) der 3 dargestellt. Während das unmodulierte Lokalisationssignal s_loc(t) an der ersten Empfangsantenne 102a zu den Zeitpunkten t₁ und t₃ und t₅ empfangen wird, wird es an der zweiten Empfangsantenne 102b jeweils zu den Zeiten t₁ + Δt, t₃ + Δt t₅ + Δt empfangen. Die Empfangssig nale r₁(t) und r₂(t) können von der Empfangseinrichtung 210 nach einer Filterung und nach einer Verstärkung direkt, d.h. ohne Demodulation, an die Kombinationseinrichtung 220 weitergeleitet werden, um eine relative Phasenlage ΔΦ der beiden Empfangssignale r₁(t) und r₂(t) zu erhalten. Dazu kann die Kombinationseinrichtung 220 beispielsweise einen Phasendetektor aufweisen.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der zu lokalisierende Transponder 110c z.B. per Einseitenbandmodulation oder einem Oszillator ein von dem eingestrahlten Trägersignal s_c(t) von der Frequenz f_c verschiedenes Seitenband erzeugen. Dieser Zusammenhang ist in 4 dargestellt. Dieses Seitenband-Signal kann dann in der Empfangseinrichtung 210 von dem Trägersignal s_c(t) isoliert werden, und die Transponderposition wird über die relativen Phasenlagen des von den verschiedenen Antennen 102a-d empfangenen und demodulierten Seitenbandes berechnet. Zur Isolation des Seitenbandes kann die Empfangseinrichtung 210 beispielsweise einen Mischer aufweisen, um ein Empfangssignal einer Antenne mit dem Trägersignal s_c(t) zu mischen und ein Filter, um das gewünschte Mischprodukt auszuwählen.
Da eine durchgehende Energieversorgung des zu lokalisierenden Transponders 110c durchgehend gewährleistet sein sollte, erzeugt das Schreib-Lesegerät beispielsweise ein dauerhaftes elektromagnetisches Feld. Aufgrund der Tatsache, dass die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes quadratisch mit der Entfernung von Schreib-Lesegerät 100 zu Transponder 110c abnimmt und diese Entfernung in beide Richtungen – von Schreib-Lesegerät 100 zum Transponder 110c und zurück – zurückgelegt werden muss, sollte das elektromagnetische Feld recht leistungsstark sein. Würde der Transponder 110c auf der Trägerfregeunz f_c antworten, würde die Trägerleistung an dem Schreib-Lese-Gerät 100 sämtliche Antworten des Transponders 110c überstrahlen und damit auch das Lokalisationssignal unlesbar machen.
Daher kann beispielsweise ein UHF-Transponder 110c nicht mit der Trägerfrequenz f_c antworten, sondern in einem Seitenband. Indem der Transponder 110c mit einer Frequenz von beispielsweise f₀ das Trägersignal moduliert, erzeugt er Seitenbänder, welche f_loc unterhalb und oberhalb des Trägersignals s_c(t) liegen. Diese können durch eine Ausblendung des Trägersignals s_c(t) in der Empfangseinrichtung 210 der Vorrichtung 200 zum Liefern einer Information über ein Objekt-Ort ausgewertet werden. Die Objektlage kann schließlich über die relative Phasenlagen eines der von den verschiedenen Antennen 102a-d empfangenen Seitenbänder berechnet werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Lokalisationssignal ein von dem Transponder 110c erzeugtes harmonisches Signal, beispielsweise ein Rechteck- oder Sinussignal, das auf das eingestrahlte Trägersignal s_c(t) aufmoduliert wird. Demzufolge kann bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Empfangseinrichtung 210 ein Filter, einen Verstärker und einen Demodulator aufweisen, um das Lokalisationssignal s_loc(t) empfangen zu können. Das Lokalisationssignal s_loc(t) ist beispielsweise ein PRBS-Signal, welches auf das eingestrahlte Trägersignal s_c(t) aufmoduliert wird. Ein PRBS-Signal kann von dem Transponder 110c beispielsweise mit einem rückgekoppelten Schieberegister gemäß der Darstellung in 5 erzeugt werden.
5 zeigt ein m-stufiges, rückgekoppeltes Schieberegister 500, wobei Ausgangssignale mehrerer Schieberegisterstufen, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei mit den Bezugszeichen 502a und 502b versehen sind, mit einem Moduln-2-Addierer 510 addiert und auf einen Eingang des Schieberegisters 500 zurückgeführt werden. Über einen Anschluss 520 wird das Schieberegister 500 mit einem Taktsignal s_clk(t) versorgt.
Eine minimale Anzahl von Rückkopplungszweigen beträgt dabei zwei, wobei die Schieberegisterstufe m grundsätzlich eingeschlossen sein muss. Das Taktsignal s_clk(t) weist eine Taktfrequenz f_clk auf. Ein so erzeugtes PRBS-Signal s_loc(t) ist periodisch mit einer maximalen Sequenzlänge von l_m = 2^m – 1. Diese maximale Sequenzlänge l_m kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn ganz bestimmte Stufen des Schieberegisters rückgeführt werden. Man spricht dann von sog. m-Sequenzen.
In der Empfangseinrichtung 210 der Vorrichtung 200 findet beispielsweise eine Filterung, eine Verstärkung und eine Demodulation des auf das Trägersignal s_c(t) aufmodulierten Lokalisationssignals s_loc(t) statt. Die Tranponderposition kann danach von der Ortsbestimmungseinrichtung 230, die beispielsweise ein Rechner bzw. PC sein kann, über die von der Kombinationseinrichtung 220 ermittelten relativen Phasenlagen des Modulationssignals bzw. des PRBS-Signals s_loc(t) der verschiedenen Empfangsantennen berechnet werden. Die relativen Phasenlagen des Modulations- bzw. Lokalisationssignals können beispielsweise durch eine Kreuzkorrelation zeitverschobener Lokalisationssignale erhalten werden. In dem Fall von PRBS-Signalen, die mittels m-stufigen, rückgekoppelten Schieberegistern erzeugt werden, kann dies besonders einfach erreicht werden, indem beispielsweise ein zweites, identisch beschaltetes Schieberegister mit einem frequenzverschobenen oder phasenbverschobenen Taktsignal s_clk(t) angesteuert wird. Man erhält dann eine zyklische, kontinuierliche zeitliche Verschiebung der PRBS-Signale gegeneinander. Dies kann weit weniger Aufwand als eine steuerbare zeitliche Speicherung und (normalerweise zeitdiskrete) Verzögerung einer Signalfolge im Pico- bis Nanosekundenbereich bedeuten.
Nachdem im Vorhergehenden anhand der 2 bis 5 eine Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, soll nun anhand von 6 ein Transponder 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Verwendung zur Lokalisierung beschrieben werden.
6 zeigt einen Transponder 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der einen Empfänger 600 aufweist, der mit einem Auswerter 610 zum Auswerten eines Empfangssignals gekoppelt ist. Ferner weist der Transponder 110 einen Signalgenerator 620 auf, der ebenfalls mit dem Auswerter 610 gekoppelt ist.
Der Empfänger 600 zum Empfangen eines Empfangssignals weist beispielsweise einen Parallelschwingkreis bestehend aus einer Spule und einem Kondensator auf. Ein elektromagnetisches Feld des Schreib-Lesegeräts 100 kann eine Spannung in der Spule des Empfängers 600 erzeugen. Diese kann gleichgerichtet werden und zur Spannungs- bzw. Energieversorgung des passiven Transponders 110 dienen. Der Auswerter 610 kann beispielsweise einen Mikrokontroller aufweisen, um festzustellen, ob der passive Transponder 110 identifiziert ist. Dazu kann der Empfänger 600 ferner eine Einrichtung aufweisen, um von dem Schreib-Lesegerät 100 ausgesendete Identifikationssequenzen zu demodulieren und dem Auswerter 610 zur Verfügung zu stellen. Für den Fall, dass der Auswerter 610 eine Identifikation des Transponders 110 feststellt, aktiviert er beispielsweise den Signalgenerator 620 zur Erzeugung des Lokalisationssignals s_loc(t), das einen periodischen Signalanteil aufweist, wie es im Vorhergehenden anhand der 3-5 bereits beschrieben wurde. Dabei kann der Signalgenerator 620 beispielsweise ein Lokaloszillator aufweisen, um ein von dem Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Seitenband erzeugen zu können. Ferner kann der Signalgenerator 620 beispielsweise eine PLL (PLL = Phase Locked Loop) umfassen, um ein dem Trägersignal entsprechendes Lokalisationssignal zu erzeugen. Ebenso kann der Signalgenerator 620 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein rückgekoppeltes Schieberegister aufweisen, um ein PRBS-Signal erzeugen zu können.
Eine Periodendauer T_loc des Lokalisationssignals s_loc(t) hängt unter anderem von dem durch die Lokalisationsantennen 102a-d definierten Messareal ab. Typischerweise werden Abstände zwischen den Lokalisationsantennen 102a-d, die mit dem Schreib-Lesegerät 100 gekoppelt sind, und zu lokalisierenden Transpondern nicht größer als 10 Meter. Eine Laufzeit t_d eines Signals im Freiraum über eine Strecke d = 10 m beträgt ca. t_d = d/c = 33 ns, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet. Durch das Faltungsprinzip in Korrelationsempfängern sollte die Periodendauer T_loc der Lokalisationssignale für eine ungestörte Auswertung die halbe Signallaufzeit, d.h. t_d/2 = 16.67 ns, nicht überschreiten (Jamming zweier Pulse bei einer Faltung). Somit sollten für das Lokalisationssignal Periodendauern T_loc unter 16.67 ns gewählt werden, was einer Frequenz f_loc des Lokalisationssignals s_loc(t) größer als 6 MHz entspricht.
Weiterhin fließt eine geforderte Genauigkeit (Ortsauflösung) in die Auswahl der Periodendauer T_loc des Lokalisationssignals ein. Um eine Genauigkeit von beispielsweise einem Zentimeter zu erreichen, sollten Zeitdifferenzen t_d von 33 Picosekunden (eine Picosekunde = 10^–12 Sekunden) gemessen werden können, was einer Phasendifferenz von ΔΦ = 2π/T_loc·td entspricht. Typische Werte für eine Auflösung eines Phasenanalysators bzw. Phasendetektors sind 10 Bit, also 1024 Stufen. Demnach sollte auch hierbei eine Periodendauer T_loc des Lokalisationssignals s_loc(t) von maximal 33 ps·1024/2 = 16.67 ns gewählt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann für eine Erhöhung des Messbereichs bzw. der Ortsauflösung mit mehreren Lokalisationsfrequenzen f_loc des Lokalisationssignals s_loc(t) gearbeitet werden.
Abhängig von den Umgebungsbedingungen ist zu erwarten, dass Sendesignale eines RFID-Transponders nicht nur auf direktem Weg zu einer der mit dem Schreib-Lesegerät gekoppelten Lo kalisationsantennen gelangen, sondern auch beispielsweise durch Reflexionen zeitverschobene Echos die Lokalisationsantenne erreichen. Eine reine Zeitmessung über Phasenverschiebungen liefert dann fehlerhafte Informationen über den Ort des Transponders. Deterministische Ansätze, z.B. eine Veränderung der Lokalisierungsfrequenzen f_loc zur Unterdrückung von Mehrfachwegen, sind wegen der zu geringen, relativen Frequenzänderungen nicht ausreichend. Daher kann für eine Lokalisierungsumgebung erfindungsgemäß ein charakteristisches Muster aus Transonderpositionen und den resultierenden Phasenverschiebungen, Intensitäten und Polarisationen (ggf. bei verschiedenen Lokalisierungsfrequenzen) erstellt werden, mit dessen Hilfe eine Verbesserung der Genauigkeit erfolgen kann. Neben einer Grundcharakterisierung eines Aufbaus mit seinen Antennen, Leitungen etc. kann eine Umgebung überprüft werden, indem beispielsweise reihum eine Lokalisationsantenne als Sendeantenne geschaltet wird und die entsprechenden Empfangsmuster der verbleibenden Lokalisationsantennen registriert, gespeichert und bewertet werden.
Bei einer Positionsbestimmung eines RFID-Transponders bzw. mit einem RFID-Transponder versehenen Objektes ist nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise keine Sichtverbindung zwischen den Lokalisationsantennen und dem Transponder notwendig. Elektromagnetische Wellen treten durch viele Materialien hindurch (z.B. Pappe, Holz, Kunststoffe), die in der Logistik häufig verwendet werden. Dabei werden sie jedoch teilweise gedämpft. Somit ist in vielen Fällen eine direkte Signalausbreitung ohne Sichtverbindung möglich, was beispielsweise mit optischen Leseverfahren nicht funktioniert.
Abschließend sollen bezugnehmend auf die 7 und 8 RFID-Systeme gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zur ortsauflösenden Objektlokalisation, im Folgenden RFOL (RFOL = Radio Frequency Object Localization) genannt, beschrieben werden.
7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines RFOL-Systems für einen Frequenzbereich um 868 MHz (UHF) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt einen UHF-RFID-Transponder 110, der einen Lokaloszillator 620 aufweist. Ferner zeigt 7 ein erfindungsgemäß modifiziertes Schreib-Lesgerät bzw. eine Sende-/Empfangsvorrichtung 100 zum Liefern einer Information über den Ort des UHF-Transponders 110. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 100 weist einen PC 230 auf, der über eine Schnittstelle S1 mit einer RFOL-Steuereinheit 700 gekoppelt ist. Die RFOL-Steuereinheit 700 ist ferner mit einem herkömmlichen UHF-Schreib-Lesegerät 10 verschaltet. Die RFOL-Steuereinheit 700 weist eine Steuerleitung zum Steuern eines Lokaloszillators 710 auf. Der Lokaloszillator 710 ist mit einem Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720 und einem Eingang eines Phasendetektors 220 verschaltet. Das Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720 ist über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730 verschaltet, welches ausgangsseitig mit einem Sende-Frontend-Modul 740 gekoppelt ist. Das Sende-Frontend-Modul 740 ist ferner mit einer Lokalistionsantenne 102 verschaltet. Des Weiteren ist das Sende-Frontend-Modul 740 mit dem herkömmlichen UHF-Schreib-Lese-Gerät 10 gekoppelt. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 100 weist ferner eine Empfangseinrichtung 210 auf, die mit einem Demodulator 750 und einem weiteren Lichtwellenleiter Einkoppelmodul 760 verschaltet ist. Das Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 ist über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 770 gekoppelt, das ausgangsseitig ferner mit einem Zwischenfrequenz-Aufbereitungsmodul 780 verschaltet ist. Ein Ausgang des Zwischenfrequenz-Aufbereitungsmoduls 780 ist mit einem Eingang des Phasendetektors 220 verbunden. Eine RFOL-Antenneneinheit 790, welche das Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730, das Sendefrontend-Modul 740, die Empfangseinrichtung 210, den Demodulator 750 und das ^Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 umfasst, wird bei dem in 7 dargestellten UHF-RFID-System in n-facher Ausführung verwendet, um n Empfangssignale des UHF- wendet, um n Empfangssignale des UHF-Transponders 110 zu erhalten. Dementsprechend weist der Phasendetektor 220n Eingänge auf, um an einem Ausgang n – 1 Phasenwerte, die den relativen Phasenlagen der Empfangssignale entsprechen, für die RFOL-Steuereinheit 700 bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die RFOL-Steuereinheit 700 die Schnittstelle S1 zum PC 230 bedienen. Der PC 230 dient dabei als Host. Die Schnittstelle S1 kann beispielsweise eine Ethernet-Schnittstelle sein. Über die Schnittstelle S1 kann ein Ablauf der Lokalisierung des Transponders 110 initiierbar sein. Nach der Initiierung arbeitet die RFOL-Steuereinheit 700 sämtliche Schritte der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Lokalisierung ab und liefert die n – 1 Ausgabewerte des Phasendetektors 220 an S1. Der PC 230 kann zudem jeden einzelnen Schritt der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Lokalisierung über die Schnittstelle S1 abrufen.
Weiterhin bedient die RFOL-Steuereinheit 700 eine Schnittstelle zu dem herkömmlichen Schreib-Lesegerät 10. Über diese Schnittstelle kann sowohl ein HF- als auch ein UHF-Schreib-Lesegerät angebunden werden. Eine physikalische Basis der Schnittstelle kann beispielsweise RS232 oder Ethernet sein. In der RFOL-Steuereinheit 700 können beispielsweise Befehle „ID-Lesen" (Pulk-Lesung mit Gruppenunterstützung), „User-Daten schreiben" und „-Lesen", „Feld ein- und ausschalten" implementiert werden. Um den Phasendetektor 220 zu bedienen, können Befehle zum Starten und Stoppen des Phasendetektors sowie zum Auslesen der Ergebnisse aus verschiedenen Speicherbereichen implementiert werden.
Des weiteren steuert gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die RFOL-Steuereinheit 700 die n Antenneneinheiten 790. Dazu kann beispielsweise ein Umschalten zwischen Empfangs- und Kalibriermodus und ein Auslesen einer AGC-Einstellung der Empfangseinrichtung 210 zählen. Im Kalibriermodus wird beispielsweise wechselweise eine der n Antenneneinheiten 790 als Sender betrieben, wodurch Laufzeiten zu und innerhalb der n Empfangspfade ermittelt werden können. Dazu kann die RFOL-Steuereinheit 700 über eine Steuerleitung den Lokaloszillator 710 einschalten, der an seinem Ausgang beispielsweise ein Schwingungssignal mit einer Frequenz von 20 MHz aufweist. Dieses Signal wird über das Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720, den Lichtwellenleiter und das Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730 zu dem Sendefrontendmodul 740 weitergeleitet. In dem Sendefrontendmodul 740 kann das Lokaloszillatorsignal mit dem Trägersignal des herkömmlichen Schreib-Lesegeräts 10 gemischt und über die Antenne 102 ausgesendet werden. Damit entspricht in dem Kalibriermodus das von der Antenne 102 ausgesendete Signal einem von dem UHF-Transponder 110 erzeugten Signal.
Der UHF-Transponder 110 erzeugt mit dem Oszillator 620 ein vom eingestrahlten Trägersignal in der Frequenz verschiedenes Sinussignal und moduliert dieses beispielsweise mittels Lastmodulation auf das Trägersignal. Dieses Sinussignal wird in der Empfangseinrichtung 210 und dem Demodulator 750 der Sende-/Empfangsvorrichtung 100 von dem 868 MHz Trägersignal isoliert, und die Transponderposition wird schließlich mittels des Phasendetektors 220 über die relativen Phasenlagen des empfangenen Seitenbandes bzw. Sinussignals berechnet.
8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines RFOL-Systems für einen Frequenzbereich um 13.56 MHz (HF) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt einen HF-Transponder 110, der eine PLL 620 (PLL = Phase Locked Loop) aufweist. Ferner zeigt 8 ein erfindungsgemäß modifiziertes Schreib-Lesgerät bzw. eine Sende-/Empfangsvorrichtung 100 zum Liefern einer Information über den Ort des Transponders 110. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 100 weist einen PC 230 auf, der über eine Schnittstelle 51 mit einer RFOL-Steuereinheit 700 gekoppelt ist. Die RFOL-Steuereinheit 700 ist ferner mit ei nem herkömmlichen HF-Schreib-Lesegerät 10 verschaltet. Die RFOL-Steuereinheit 700 weist eine Steuerleitung zum Steuern eines Sende-Frontend-Moduls 740 auf. Das HF-Schreib-Lesegerät 10 ist mit einem Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720 und einem Eingang eines Phasedetektors 220 verschaltet. Das Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720 ist über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730 verschaltet, welches ausgangsseitig mit dem Sende-Frontend-Modul 740 gekoppelt ist. Das Sende-Frontend-Modul 740 ist ferner mit einer Lokalistionsantenne 102 verschaltet. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 100 weist ferner eine Empfangseinrichtung 210 auf, die mit einem weiteren Lichtwellenleiter Einkoppelmodul 760 verschaltet ist. Das Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 ist über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 770 gekoppelt, das Ausgangsseitig ferner mit einem Hochfrequenz-Aufbereitungsmodul 880 verschaltet ist. Ein Ausgang des Hochfrequenz-Aufbereitungsmoduls 880 ist mit einem Eingang des Phasendetektors 220 verbunden. Eine RFOL-HF-Antenneneinheit 890, welche das Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730, das Sendefrontend-Modul 740, die Empfangseinrichtung 210 und das Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 umfasst, wird bei dem in 8 dargestellten HF-RFID-System in n-facher Ausführung verwendet, um n Empfangssignale des HF-Transponders 110 zu erhalten. Dementsprechend weist der Phasendetektor 220n Eingänge auf, um an einem Ausgang n – 1 Phasenwerte, die den relativen Phasenlagen entsprechen, für die RFOL-Steuereinheit 700 bereitzustellen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung steuert die RFOL-Steuereinheit 700 die n HF-Antenneneinheiten 890. Im Kalibriermodus wird beispielsweise wechselweise eine der n HF-Antenneneinheiten 890 als Sender betrieben, wodurch Laufzeiten zu und innerhalb der n Empfangspfade ermittelt werden können. Dazu kann die RFOL-Steuereinheit 700 über eine Steuerleitung den Messsender 740 einschalten, um ein HF-Signal mit einer Frequenz von 13.56 MHz des herkömmlichen HF-Schreib-Lesegeräts 10 zu senden. Dieses Signal wird über das Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720, den Lichtwellenleiter und das Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730 zu dem Sendefrontendmodul 740 weitergeleitet. Damit entspricht in dem Kalibriermodus das von der Antenne 102 ausgesendete Signal einem von dem HF-RFID-Transponder 110 erzeugten Signal.
Der HF-RFID-Transponder 110 kann ein unmoduliertes Trägersignal für eine bestimmte Dauer nach Erhalt eines Schreibbefehls von dem HF-Schreib-Lesegerät 10 abstrahlen. Dazu kann sich die PLL 620 auf das HF-Trägersignal des HF-Schreib-Lesegeräts 10 synchronisieren, wobei beispielsweise ein Stellwert eines VCO (VCO = Voltage Controlled Oscillator) über einen ADC (ADC = Analog-Digital-Converter) eingelesen werden kann. Nach Abschalten des HF-Trägers durch das HF-Schreib-Lesegerät 10 kann der Transponder 110 seinen VCO mit dem zuvor eingelesenen Stellwert auf die HF-Trägerfrequenz, beispielsweise 13.56 MHz, einstellen und das Signal über eine Antenne des Tranponders 110 abstahlen. Dieses Signal kann von der Empfangseinrichtung 210 der Sende-/Empfangsvorrichtung 100 empfangen werden, und die Transponderposition kann schließlich mittels des Phasendetektors 220 über die relativen Phasenlagen des empfangenen Signals berechnet werden.
Konkrete Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Konzepts liegen beispielsweise im automatisierten Kommissionieren. Zu lokalisierende Objekte werden dabei auf sortenreinen Paletten zur Verfügung gestellt. Ein Roboter greift beispielsweise eines dieser Objekte. Dazu muss jedoch die genaue Position und Orientierung dieses Objektes bekannt sein. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit liegt beispielsweise bei dem sog. „Griff in die Kiste". Dabei liegen die zu greifenden Objekte ungeordnet in einer Kiste und sollen gegriffen werden, um beispielsweise in einem weiteren Schritt mit anderen Objekten montiert zu werden. Im Bereich der Servicerobotik liegt eine Anwendung beispielsweise in der Lokalisierung und dem Greifen von Gegenständen durch einen Haushaltsroboter.
Mit derzeitig verfügbaren RFID-Systemen kann nur eine „zellbasierte Ortung" gemacht werden, d.h., dass der Ort an dem die Anwesenheit des Objekts erkannt wird, die Zelle, also der gesamte Lesebereich eines Schreib-Lese-Geräts ist. Bei UHF-Systemen kann das der gesamte Raum vor dem Schreib-Lese-Geräts sein, also eine Größe von etwa 5 m × 5 m × 8 m. Aufgrund dieser Ungenauigkeit kann nicht wirklich von einer Lokalisierung gesprochen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Konzept kann eine Auflösung von wenigen Zentimetern realisiert werden, um die im Vorhergehenden angesprochenen Anwendungsszenarien zu ermöglichen.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.

Claims

Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich eine Objekt, das mit einem passiven Transponder (110) versehen ist, befindet, wobei sich der Ort in einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen (102) befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit folgenden Merkmalen: einer Empfangseinrichtung (210) zum Erhalten einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede Antenne (102), wobei die Phaseninformation auf eine Phase eines Signalanteils in einem Antennensignal hinweist, den der passive Transponder (110) als Reaktion auf eine Lokalisationsaktivierung erzeugt hat; einer Kombinationseinrichtung (220) zum Kombinieren der Phaseninformationen der Empfangssignale, um relative Phasenlagen der Empfangssignale zu erhalten; und einer Ortsbestimmungseinrichtung (230) zum Berechnen der Information über den Objekt-Ort aus den relativen Phasenlagen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um die Phaseninformation aus einem periodisch unterbrochenen HF-Signal zu erhalten, das der passive Transponder (110) als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung erzeugt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um ein per Einseitenbandmodulation oder mittels eines Oszillators ein von einem Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung von dem Trägersignal zu isolieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um ein von dem Transponder erzeugtes periodisches Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung, welches auf ein Trägersignal aufmoduliert ist, von dem Trägersignal zu isolieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kombinationseinrichtung (220) ausgebildet ist, um eine relative Phasenlage durch Bilden einer Differenz einer ersten Phaseninformation eines ersten Empfangssignals einer ersten Antenne und einer zweiten Phaseninformation eines zweiten Empfangssignals einer zweiten Antenne zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um Phaseninformationen von Signalen von periodischen Signalanteilen zu erhalten, deren Frequenz variiert werden kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Ortsbestimmungseinrichtung (230) ausgebildet ist, um aus den relativen Phasenlagen relative Laufzeiten der Empfangssignale zu ermitteln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Selbstkalibrationsfunktionalität aufweist, wobei wechselweise eine Antenne der Antennen zum Empfangen der Transpondersignale als Sendeantenne betrieben werden kann, um Signallaufzeiten von der Sendeantenne zu den anderen Antennen und Signallaufzeiten innerhalb der mit den anderen Antennen gekoppelten Empfangseinrichtungen (210) ermitteln zu können.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner eine Signalintensitätsbestimmungseinrichung zur Ermittlung von Intensitäten der mit den Antennen empfangenen Signale aufweist.
Passiver Transponder (110) zur Verwendung zur Lokalisierung eines Ortes, an dem sich ein Objekt befindet, and dem der passive Transponder (110) angebracht ist, wobei sich der Ort von einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen (102) befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit folgenden Merkmalen: einem Empfänger (600) zum Empfangen eines Empfangssignals, und zum Extrahieren von Energie aus dem Empfangssignal; einem Auswerter (610) zum Auswerten des Empfangssignals, und um festzustellen, ob der passive Transponder (610) identifiziert ist; und einem Signalgenerator (620) zur Erzeugung eines Signals, das einen periodischen Signalanteil aufweist.
Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um den periodischen Signalanteil so zu erzeugen, dass er zu einem periodischen Signalanteil eines passiven HF-Transponders (110) identisch ist, der ebenfalls in Reichweite der Antennen (102) angeordnet ist und der eine andere Identität hat.
Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um ein periodisches Signal zu erzeugen, das eine Phaseninformation aufweist, die für eine Lokalisierung des HF-Transponders herangezogen werden kann.
Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Transponder (110) eine Einrichtung zur Speicherung der mit dem Empfänger aus dem Empfangssignal extrahierten Energie aufweist, um während einer Unterbrechung des periodischen Empfangssignals und im Fall einer Identifikation des HF-Transponders ein Signal mit einem periodischen Signalanteil zu senden.
Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um ein von dem Empfangssignal in einer Frequenz verschiedenes Signal zu erzeugen.
Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um ein Signal mit einem periodischen Signalanteil auf das von dem Empfänger empfangene Empfangssignal aufzumodulieren.
Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ferner eine Einrichtung zum Erzeugen einer periodischen Pseudo-Random-Bit-Sequenz aufweist.
Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um eine Frequenz des periodischen Signalanteils des erzeugten Signals zu variieren.
Verfahren zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich ein Objekt, das mit einem passiven Transponder (110) versehen ist, befindet, wobei sich der Ort in einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen (102) befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit folgenden Schritten: Empfangen einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede Antenne (102), wobei die Phaseninformation auf eine Phase eines Signalanteils in einem Antennensignal hinweist, den der passive Transponder (110) als Reaktion auf eine Lokalisationsaktivierung erzeugt hat; Kombinieren der Phaseninformationen der Empfangssignale, um relative Phasenlagen der Empfangssignale zu erhalten; und Berechnen der Information über den Objekt-Ort aus den relativen Phasenlagen.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, dass die Phaseninformation aus einem periodisch unterbrochenen HF-Signal erhalten werden kann, das der passive Transponder (110) als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung erzeugt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, dass ein per Einseitenbandmodulation oder mittels eines Oszillators ein von einem Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung von dem Trägersignal isoliert werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, das ein von dem Transponder erzeugtes periodisches Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung, welches auf ein Trägersignal aufmoduliert ist, von dem Trägersignal isoliert werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Kombinierens derart erfolgt, das eine relative Phasenlage durch Bilden einer Differenz einer ersten Phaseninformation eines ersten Empfangssignals einer ersten Antenne und einer zweiten Phaseninformation eines zweiten Empfangssignals einer zweiten Antenne erzeugt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, dass Phaseninformationen von Signalen von periodischen Signalanteilen erhalten werden können, deren Frequenz variiert werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Berechnens derart erfolgt, dass aus den relativen Phasenlagen relative Laufzeiten der Empfangssignale ermittelt werden können.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Verfahren ferner einen Schritt der Selbstkalibration aufweist, wobei wechselweise eine Antenne der Antennen zum Empfangen der Transpondersignale als Sendeantenne betrieben werden kann, um Signallaufzeiten von der Sendeantenne zu den anderen Antennen und Signallaufzeiten innerhalb der mit den anderen Antennen gekoppelten Empfangseinrichtungen (210) ermitteln zu können.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Verfahren ferner einen Schritt der Signalintensitätsbestimmung zur Ermittlung von Intensitäten der mit den Antennen empfangenen Signale aufweist.
Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 18 bis 26, wenn das Computer-Programm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.