DE102008012534B9

DE102008012534B9 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der relativen Position gegenüber einem Transponder oder einem RFID-Tag

Info

Publication number: DE102008012534B9
Application number: DE200810012534
Authority: DE
Inventors: Thomas Neugebauer
Original assignee: Gotting KG; Goetting KG
Current assignee: Gotting KG; Goetting KG
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2028-03-05
Also published as: DE102008012534B4; DE102008012534A1

Abstract

Eine mit einer Sende-Einheit (2) und mit einer Spulenanordnung (3, 9, 17) ausgestattete Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Position gegenüber einem Transponder (16) oder einem RFID-Tag aufgrund einer Relativbewegung der Vorrichtung gegenüber dem Transponder (16) oder dem RFID-Tag, wobei die Spulenanordnung (3, 9, 17) mehrere gegenphasig verschaltete, durch zumindest einen ersten Segmentübergang (7, 8) und einen zweiten Segmentübergang (12) gegeneinander abgegrenzte Segmente (4, 5, 6, 10, 11) aufweist und die Spulenanordnung (3, 9, 17) durch ihren Wicklungssinn oder durch mehrere entsprechend verschaltete Einzelspulen in die Segmente (4, 5, 6, 10, 11) unterteilt ist und der zweite Segmentübergang (12) zumindest abschnittsweise einen geneigten Verlauf gegenüber zumindest dem ersten Segmentübergang (7, 8) aufweist, wobei jeder Koordinate y des zweiten Segmentübergangs (12) in Richtung der Relativbewegung eine Koordinate x quer zu der Richtung der Relativbewegung eineindeutig zugeordnet ist, wobei der erste Segmentübergang (7, 8) in Bezug auf eine Richtung der Relativbewegung des Transponders...

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einer Sende-Einheit und eine mit einer Spulenanordnung ausgestattete Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Position gegenüber einem Transponder oder einem RFID-Tag aufgrund einer Relativbewegung der Vorrichtung gegenüber dem Transponder oder dem RFID-Tag. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Position aufgrund einer Relativbewegung eines Transponders oder RFID-Tags gegenüber einer solchen Vorrichtung.
Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren werden in der Praxis bereits vielfach für die Navigation von Fahrzeugen eingesetzt und zählen daher durch offenkundige Vorbenutzung zum Stand der Technik. Dabei haben sich Anordnungen, die die Position einer am Fahrzeug angebrachten Lesestelle über einen im Boden eingelassenen und in seiner Position bekannten Transponder ermitteln, in vielen Bereichen bewährt.
Beim Stand der Technik beruht die Positionsbestimmung von Transpondern auf der Ermittlung von Feldstärkepegeln an unterschiedlichen Orten, auf der dreidimensionalen Vermessung der orthogonalen magnetischen Feldstärkekomponenten an einem Ort oder auf Anordnungen zum räumlichen Abtasten der Feldstärkepegel mittels Antennenarrays. Diese Verfahren erfordern einen sehr hohen Rechen- und Kalibrieraufwand oder sind durch die hohe Anzahl von Empfangskanälen sehr aufwändig zu fertigen.
Beispielsweise beschreibt die DE 103 14 737 A1 bereits eine mit einer Sende-Empfangs-Einheit ausgestattete Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Position gegenüber einem Transponder aufgrund einer Relativbewegung einer zur Energieübertragung auf den Transponder bestimmten Sendspule der Sende-Empfangs-Einheit der Vorrichtung gegenüber dem Transponder. Die Basis bilden dabei vier Spulen, die an den Ecken eines Rechtecks angeordnet sind. Die Sendespule versorgt den Transponder und der Transponder sendet ein magnetisches Wechselfeld zurück. Dieses Feld induziert in den vier Spulen Spannungen. Befindet sich der Transponder von zwei Spulen gleich weit entfernt, sind die induzierten Spannungen gleich groß. Für die zwei diagonal gegenüberliegenden Spulen gilt dies, wenn sich der Transponder in der Ebene befindet, die sich in der Mitte senkrecht auf der Verbindungslinie der beiden Spulen befindet. In Kenntnis der Geschwindigkeit kann so der Querversatz des Transponders bestimmt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die genannten Nachteile der Vorrichtung und des Verfahrens zu vermeiden und dabei mit geringem Aufwand zugleich eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Weiterhin soll die Vorrichtung kostengünstig herzustellen sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß weist also die Spulenanordnung mehrere gegenphasig verschaltete, durch zumindest einen ersten Segmentübergang und einen zweiten Segmentübergang gegeneinander abgegrenzte Segmente auf und ist durch ihren Wicklungssinn oder durch mehrere entsprechend verschaltete Einzelspulen in die Segmente unterteilt und der zweite Segmentübergang weist zumindest abschnittsweise einen geneigten Verlauf gegenüber zumindest dem ersten Segmentübergang auf, wobei jeder Koordinate y des zweiten Segmentübergangs in Richtung der Relativbewegung eine Koordinate x quer zu der Richtung der Relativbewegung eineindeutig zugeordnet ist, wobei der erste Segmentübergang in Bezug auf eine Richtung der Relativbewegung des Transponders oder RFID-Tags relativ zu der Vorrichtung quer angeordnet ist und die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass zumindest die Zeitdauer zwischen dem zweiten Segmentübergang und dem ersten Segmentübergang und die Geschwindigkeit der Relativbewegung erfassbar sind und aufgrund der Zeitdauer, der Geschwindigkeit der Relativbewegung und des bekannten Verlaufs des zweiten Segmentübergangs die Koordinate x quer zu der Bewegungsrichtung als seitlicher Versatz bestimmbar ist.
Hierdurch wird es erstmals möglich, aufgrund der erfassbaren Segmentübergänge in Verbindung mit den vorbekannten geometrischen Verhältnissen, insbesondere mit einem Segmentübergang, der gegenüber der Querrichtung zur Bewegungsrichtung geneigt ist, und mit einem in dieser Querrichtung verlaufenden Segmentübergang aus der daraus bestimmten Zeitdifferenz die Querkoordinate in der Querrichtung, also den seitlichen Versatz, zu ermitteln. Dabei kann auf die Messung von Feldstärkekomponenten oder Feldstärkepegeln verzichtet werden. Als laterale Position oder Querversatz der Vorrichtung in Bezug auf den Transponder ist hier der seitliche Abstand des Transponders zur Mitte der Vorrichtung gemeint, wenn sich die Vorrichtung in Bezug zum Transponder bewegt. Es kann aber auch der seitliche Versatz zu jedem anderen Punkt der Vorrichtung ermittelt werden.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips wird diese anhand der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit mehreren Spulen;
2 eine Anordnung der Spulen der in 1 gezeigten Vorrichtung in mehreren Ebenen;
3 die Durchführung der Positionsbestimmung mit der in 1 gezeigten Anordnung;
4 eine weitere erfindungsgemäße Spule mit vier Segmenten;
5 eine Darstellung verschiedener Segmentübergänge.
Das zur Ermittlung der Position einer Lesestelle nach 1 in Bezug zu einem Transponder verwendete Verfahren beruht auf der Bestimmung der Zeitpunkte von Phasensprüngen oder Amplitudeneinbrüchen und ist damit deutlich robuster als das von Amplituden- oder Feldstärkemessungen.
Die Lesestelle (1) besteht aus einem Sender (1) mit angeschlossener Sende-Einheit (2), wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, welches durch transformatorische Kopplung den Transponder mit Energie versorgt, worauf dieser mit dem Aussenden eines kodierten oder unkodierten Signals beginnt. Das vom Sender erzeugte Wechselfeld wird als Referenzsignal (18) herangezogen, da die vom Transponder erzeugten Antwortsignale aus diesem Wechselfeld abgeleitet sind und somit zu diesem phasenstarr angebunden sind. Die Sende-Einheit kann auch durch zwei separate Spulen aufgebaut werden. Als Referenzsignal (18) kann auch das durch die Empfangsspule vom Transponder empfangene und im Empfangszweig (13) aufbereitete Signal genutzt werden.
In eine erste Empfangsspule (3), die durch ihren Wicklungssinn oder durch mehrere entsprechend verschaltete Einzelspulen in drei Segmente (4), (5) und (6) unterteilt ist und die sich beim Passieren des Transponders (16 in 3) gegenüber diesem transversal bewegt und deren Segmentübergänge (7), (8) quer zur Bewegungsrichtung liegen, wird je nach Wicklungssinn eine gleich- oder gegenphasige Spannung induziert, die einen festen Phasenbezug zum Referenzsignal aufweist. Über einen Phasenkomparator (14) kann detektiert werden, ob sich der Transponder im Bereich von Segment 1 (4) oder Segment 3 (6) bzw. im Bereich von Segment 2 (5) befindet. Aus den Phasensprüngen an den Segmentübergängen (7), (8) und den Abmessungen der Antenne und der drei Segmente kann so die mittlere Geschwindigkeit der transversalen Bewegung der Lesestelle in Bezug zum Transponder bestimmt werden. Während der Phasensprünge bricht die Amplitude des durch die erste Empfangsspule empfangenen Signals ein, sodass auch diese Amplitudeneinbrüche zur Ermittlung der mittleren Geschwindigkeit der transversalen Bewegung der Lesestelle in Bezug zum Transponder genutzt werden können.
In eine zweite Empfangsspule (9), die durch ihren Wicklungssinn oder durch mehrere entsprechend verschaltete Einzelspulen in zwei Segmente (10), (11) unterteilt ist und die sich beim Passieren des Transponders gegenüber diesem transversal bewegt, wird je nach Wicklungssinn eine zum Referenzsignal gleich- oder gegenphasige Spannung induziert. Der Segmentübergang (12) der beiden Wicklungen verläuft jedoch nicht quer, sondern schräg zur Bewegungsrichtung (3). Über einen weiteren Phasenkomparator (15) kann detektiert werden, ob sich der Transponder im Bereich von Segment 4 (10) oder Segment 5 (11) befindet. Statt des Phasensprungs kann auch der Amplitudeneinbruch an dieser Stelle genutzt werden.
Die Spulen (2), (3) und (9) liegen nach 2 übereinander. Durch die Lage des Segmentübergangs (12) zwischen Segment 4 (10) und Segment 5 (11) schräg zur Bewegungsrichtung der Lesestelle in Bezug zum Transponder (siehe 3) und somit aus dem von der lateralen Position abhängigen Ort des Phasensprungs in Empfangsspule 2 (9) entsteht aus der zeitlichen Verknüpfung der Signale von Empfangsspule 1 (3) und Empfangsspule 2 (9) ein Signal, dessen Tastverhältnis sich nach 3 geschwindigkeitsunabhängig proportional zur lateralen Position der Lesestelle in Bezug zum Transponder (16) ergibt. Der schräge Verlauf des Segmentübergangs (12) muss geometrisch nicht zwingend linear verlaufen. Die Segmente 1 bis 5 (4), (5), (6), (10) und (11) nach 4 können auch in einer Spule (17) mit vier Segmenten (4), (6), (10) und (11) zusammengefasst werden.
Die allgemeine laterale Position errechnet sich aus dem gemessenen Tastverhältnis und einem Proportionalitätsfaktor nach Gl. 1:
Mit

L:: Länge der Messstrecke
B:: Breite der Schräge
H:: Länge der Schräge

In Gl. 1 ist der Versatz d bezogen auf die Antennenmitte angegeben. Es kann auch der Versatz zu jedem anderen Punkt der Antenne berechnet werden. In diesen Proportionalitätsfaktor geht nur die Geometrie der Spulen ein (3). Die Abmessungen B, H und L aus 3 können den Anforderungen an die gestellte Aufgabe angepasst werden. Für den Sonderfall H = L vereinfacht sich Gl. 1 und es ergibt sich 4.
Wie in 4 zu erkennen, entspricht das Verhältnis des Versatzes d, gemessen von einem linken Rand der Spule 17 zu der Gesamtbreite B, dem Verhältnis der Zeitdauer t bis zum Erreichen des Zeitpunkts des Segmentübergangs 12 zu der Zeitdauer zwischen den Segmentübergängen 7 und 8, sodass gilt: d = BτT (Gl. 2)
Da die Phasenwechsel örtlich sehr scharf definiert sind, ergibt sich nicht nur eine hohe Reproduzierbarkeit des Messsignals, sondern ein sehr guter absoluter Wert der lateralen Abweichung. Die auf ein Referenzsignal bezogenen Phasenwechsel können auch durch einen beliebigen Phasensprung ohne Bezug zu einem Referenzsignal ausgewertet werden. Die Position der Lesestelle in Bezug zum Transponder in transversaler Richtung der Bewegung ergibt sich aus dem Phasensprung am Ende der Messstrecke L in 3, gebildet durch Segment 2 (5) von Empfangsspule 1 (3). Hier enden die Messung und die Bestimmung der Position der Lesestelle in Bezug zum Transponder. Somit ist sehr genau die zweidimensionale Position der Lesestelle in Bezug zum Transponder bekannt.
Ergänzend sind in 5 noch weitere eineindeutige Verläufe des Segmentübergangs 12 zwischen den Segmenten 10 und 11 dargestellt.
Für den Fall, dass die Geschwindigkeit der Lesestelle in Bezug zum Transponder durch andere Messeinrichtungen bekannt ist, kann Empfangsspule 1 vereinfacht werden. Es sind dann nur zwei Segmente notwendig, um eine von der Querposition unabhängige Referenz in Bezug zur Bewegungsrichtung zu erhalten.
Durch die aus Empfangsspule 1 (3) gebildete Messstrecke L kann nur die mittlere Geschwindigkeit der Lesestelle in Bezug zum Transponder bestimmt werden. Ändert sich die Geschwindigkeit der Lesestelle in Bezug zum Transponder während der Messung, ergibt sich ein Fehler der lateralen Position der Lesestelle in Bezug zum Transponder. Ist die momentane Geschwindigkeit der Lesestelle in Bezug zum Transponder durch andere Messeinrichtungen bekannt, kann dieser Wert zur Korrektur benutzt werden.
Die Messung ist am Ende der Messstrecke L am Segmentübergang (7) beendet. Der Phasensprung in Empfangsspule 3 am Segmentübergang (12) findet jedoch vorher zu einem anderen Zeitpunkt statt. Hat die Geschwindigkeit der Lesestelle in Bezug zum Transponder auch eine Komponente quer zur Lesestelle, stimmt die nach dem Verfahren ermittelte Querposition der Lesestelle in Bezug zum Transponder nicht mit der tatsächlichen Querposition der Lesestelle in Bezug zum Transponder am Ende der Messstrecke überein. Dieser Fehler kann durch Kenntnis der Quergeschwindigkeit der Lesestelle in Bezug zum Transponder kompensiert werden. Zur Vermeidung dieses Fehlers kann die Lesestelle im Bereich einer starren, ungelenkten Achse eines Fahrzeugs montiert werden, da hier keine Querbewegung auftritt.
Sind die Kodierungen der Transponder eindeutig und ist die Lage der Transponder in einem raumfesten Koordinatensystem vermessen, kann die Position des Fahrzeugs in diesem raumfesten Koordinatensystem aus den gemessenen Positionen der Lesestelle in Bezug zu den Transpondern bestimmt und zur Navigation genutzt werden.
Für den Fall, dass der Transponder im Wechselsprechverfahren und nicht im Duplexverfahren arbeitet, kann die Sendespule im Empfangsfall das Referenzsignal liefern. Das gilt auch für den Fall, dass der Transponder auf einer anderen Frequenz als der Sendefrequenz, beispielsweise auf der halben Sendefrequenz, antwortet. Statt Luftspulen können auch Ferritantennen oder Kombinationen aus beiden verwendet werden.
Zur Vermeidung von zufälligen Fehlmessungen durch elektromagnetische Störungen ohne Vorhandensein eines Transponders kann die Messung auch an das Vorhandensein eines Transponders geknüpft werden.
Das Verfahren kann auch bei der Verwendung von Transpondern beispielsweise im Bereich von 868 MHz oder 2,4 GHz zum Einsatz kommen. Die Empfangsspulen werden dann durch entsprechend verschaltete und angeordnete Dipolantennen realisiert, mit denen die Phasensprünge an den Segmentübergängen detektiert werden.

Claims

Eine mit einer Sende-Einheit (2) und mit einer Spulenanordnung (3, 9, 17) ausgestattete Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Position gegenüber einem Transponder (16) oder einem RFID-Tag aufgrund einer Relativbewegung der Vorrichtung gegenüber dem Transponder (16) oder dem RFID-Tag, wobei die Spulenanordnung (3, 9, 17) mehrere gegenphasig verschaltete, durch zumindest einen ersten Segmentübergang (7, 8) und einen zweiten Segmentübergang (12) gegeneinander abgegrenzte Segmente (4, 5, 6, 10, 11) aufweist und die Spulenanordnung (3, 9, 17) durch ihren Wicklungssinn oder durch mehrere entsprechend verschaltete Einzelspulen in die Segmente (4, 5, 6, 10, 11) unterteilt ist und der zweite Segmentübergang (12) zumindest abschnittsweise einen geneigten Verlauf gegenüber zumindest dem ersten Segmentübergang (7, 8) aufweist, wobei jeder Koordinate y des zweiten Segmentübergangs (12) in Richtung der Relativbewegung eine Koordinate x quer zu der Richtung der Relativbewegung eineindeutig zugeordnet ist, wobei der erste Segmentübergang (7, 8) in Bezug auf eine Richtung der Relativbewegung des Transponders (16) oder RFID-Tags relativ zu der Vorrichtung (2) quer angeordnet ist, und die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass zumindest die Zeitdauer τ zwischen dem zweiten Segmentübergang (12) und dem ersten Segmentübergang (7, 8) und die Geschwindigkeit der Relativbewegung erfassbar sind und aufgrund der Zeitdauer τ, der Geschwindigkeit der Relativbewegung und des bekannten Verlaufs des zweiten Segmentübergangs (12) die Koordinate x quer zu der Bewegungsrichtung als seitlicher Versatz d bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentübergänge (7, 8, 12) als Zeitpunkt eines Phasensprungs oder eines Amplitudeneinbruchs erfassbar sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zusätzlich zu dem zweiten Segmentübergang (12) zumindest zwei zueinander parallele weitere Segmentübergänge (7, 8) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen weiteren Segmentübergänge (7, 8) einen vorbestimmten Abstand L aufweisen und dass aus der erfassten Zeitdauer T zwischen diesen Segmentübergängen (7, 8) die Geschwindigkeit der Relativbewegung bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Segmentübergang (12) einen linearen Verlauf hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Segmentübergang (12) jeden der weiteren Segmentübergänge (7, 8) genau einmal schneidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorrichtung zusätzlich eine Bewegungskomponente der Relativbewegung parallel zu einem der weiteren Segmentübergänge (7, 8) erfassbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den gegenphasigen Segmenten (4, 5, 6, 10, 11) um Induktionsschleifen mit unterschiedlichem Wicklungssinn handelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den gegenphasigen Segmenten (4, 5, 6, 10, 11) um gegenphasig verschaltete, hochfrequente Antennenstrukturen, insbesondere Dipole, handelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Segmente (4, 5, 6, 10, 11) der Spulenanordnung in einer einzigen Spule mit vier Segmenten zusammengefasst sind.
Verfahren zur Bestimmung der relativen Position aufgrund einer Relativbewegung eines Transponders (16) oder RFID-Tags gegenüber einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Geschwindigkeit der Relativbewegung erfasst wird und aufgrund von zumindest zwei zueinander nicht parallel verlaufenden Segmentübergängen (7, 8, 12) der Spulenanordnung (3, 9, 17) zumindest die Zeitdauer τ zwischen dem zweiten Segmentübergang (12) und dem ersten Segmentübergang (7, 8) erfasst wird und auf der Basis der erfassten Geschwindigkeit und zumindest der Zeitdauer τ zwischen dem zweiten Segmentübergang (12) und dem ersten Segmentübergang (7, 8) und des bekannten Verlaufs des zweiten Segmentübergangs (12) die Koordinate x quer zu der Bewegungsrichtung als seitlicher Versatz d bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Transponders (16) nur dann ausgewertet wird, wenn der Transponder (16) identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der erfassten tatsächlichen momentanen Verzögerung und/oder Beschleunigung der Relativbewegung der Vorrichtung in Bezug zum Transponder (16) bei Brems- oder Beschleunigungsvorgängen eine rechnerische Korrektur des seitlichen Versatzes d vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bauartbedingte Abweichungen von den idealen Phasenübergängen in einer Kalibriertabelle oder als mathematische Funktion in einem nachgeschalteten Auswerter abgelegt sind und systematische Fehler dadurch kompensiert werden.