DE102012018427A1

DE102012018427A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortung eines Mobilteils

Info

Publication number: DE102012018427A1
Application number: DE201210018427
Authority: DE
Inventors: Andreas Kwoczek; Björn Mennenga; Andreas Niethammer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Zur Ortung eines Mobilteils (100) relativ zu einem Zielgerät (200) wird an verschiedenen Zeitpunkten die Entfernung des Mobilteils (100) von einem Referenzpunkt (210) an dem Zielgerät (200) bestimmt. Zwischen den verschiedenen Zeitpunkten wird weiterhin eine Eigenbewegung des Mobilteils (100) bestimmt, z. B. über eine Inertialsensorik und/oder Kompasssensorik. Anhand der an den verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Entfernungen und der bestimmten Eigenbewegung des Mobilteils (100) zwischen den verschiedenen Zeitpunkten erfolgt dann eine Bestimmung der Position des Mobilteils (100) relativ zu dem Zielgerät (200).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Mobilteils sowie eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung.
Für verschiedene Anwendungsgebiete ist eine Ortung eines Mobilteils relativ zu einem Zielgerät von Interesse. Beispielsweise kann die Ortung des Mobilteils relativ zu einem Kraftfahrzeug verwendet werden, um das Fahrzeug zu finden oder die Steuerung bestimmter Sicherheits- oder Komfortfunktionen nur in einem bestimmten Bereich um das Kraftfahrzeug herum zuzulassen. Eine relative Ortung zweier Kraftfahrzeuge zueinander kann beispielsweise für ein automatisiertes Fahren von Interesse sein.
In der Produktionstechnik und Logistik ist es bekannt, so genannte Funk-Tags relativ zu einer gegebenen Infrastruktur zu orten. Hierzu werden an Referenzpunkten so genannte Anker angeordnet. An diesen Ankern kann dann die Entfernung zu einem Funk-Tag oder die Winkellage bezüglich eines Funk-Tags bestimmt werde, z. B. über Laufzeit oder Empfangsrichtung von Funksignalen, die zwischen dem Anker und dem Funk-Tag übertragen werden.
Eine relative Ortung zwischen einem Mobilteil und einem Zielgerät kann auf Entfernungsmessungen über Funksignale basieren, z. B. gemäß dem Standard ZigBee 802.15.4a. Hierbei können Laufzeiten der Funksignale oder aber auch Phasenlagen der Funksignale ausgewertet werden. Herkömmlich werden die Entfernungsmessungen für eine so genannte Trilateration genutzt, bei welcher Entfernungen des Mobilteils zu mindestens drei verschiedenen Referenzpunkten, auch bezeichnet als „Anker”, bestimmt werden. Die Referenzpunkte können beispielsweise separate Antennen oder Sende-/Empfangseinheiten am Zielgerät sein. Eine bekannte geometrische Anordnung der Referenzpunkte zueinander wird dabei vorausgesetzt. Über die Entfernungsmessungen zu den verschiedenen Referenzpunkten und aus der bekannten geometrischen Anordnung der Referenzpunkte kann die Position des Mobilteils relativ zu dem Zielgerät bestimmt werden. Anstelle der Entfernungsmessungen können auch Winkelmessungen vorgenommen werden, z. B. von Empfangswinkeln an den Referenzpunkten ausgehend vom Mobilteil empfangener Funksignale, und die Ortung des Mobilteils über eine so genannte Triangulation erfolgen.
Weitere Ortungsansätze können auf Satellitennavigation, z. B. über Positionierungssignale des Global Positioning System (GPS), oder Ortungsfunktionen über Kommunikationsnetzwerke beruhen. Auch in diesen Fällen erfolgt die eigentliche Ortung typischerweise über Trilateration oder Triangulation.
Die US 2007/0139200 A1 beschreibt Verfahren und Systeme zur Ortung von Objekten auf Basis von Funksignalen welche zwischen einer Haupteinheit und mehreren Funk-Tags übertragen werden. Die Ortung kann auf Triangulation oder Trilateration basieren.
Die US 2006/0181393 A1 beschreibt ein Verfahren und System zur Ortung eines Funk-Tags unter Verwendung einer Richtantenne und Laufzeitmessung.
Die DE 100 19 277 A1 beschreibt ein Sicherungssystem, welches eine Entfernungsmessung zwischen einem Kraftfahrzeug und einem Transponder verwendet. Die Entfernungsmessung basiert auf einer Bestimmung der Laufzeit von Funksignalen zwischen dem Transponder und dem Kraftfahrzeug.
Die DE 198 27 722 A1 beschreibt eine Sicherheitseinrichtung, bei welcher ein Fahrzeug ein Fragecodesignal and einen Transponder sendet, welcher durch Aussenden eines Antwortcodesignals an das Fahrzeug reagiert. Anhand der Laufzeit des Antwortcodesignals kann eine Reichweitenmanipulation erkannt werden.
Die EP 1 318 483 A2 beschreibt ein Verfahren zur Verhinderung einer unberechtigten Authentifizierung bei einer kontaktlosen Datenübertragung, z. B. zwischen einem Kraftfahrzeug und einem Transponder, bei welchem mehrere räumlich getrennte Antennen verwendet werden und eine Feldstärkebestimmung erfolgt. Durch Bestimmung von Feldstärkewerten, kann auch ein Empfangswinkel bestimmt werden.
Die DE 102 47 719 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abstandsmessung zwischen Sende-Empfangs-Stationen, z. B. in einem Fahrzeug und einem elektronischen Schlüsselmodul für das Fahrzeug. Die Abstandsmessung basiert auf Signallaufzeiten zwischen den Sende-Empfangs-Stationen.
Die DE 199 26 234 A1 beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zur schlüssellosen Zugangsberechtigungskontrolle, z. B. für ein Fahrzeug, bei welchem der Abstand zwischen einer Basisstation und einem mobilen Identifikationsgeber bestimmt wird.
Bekannte Techniken zur relativen Ortung eines Mobilteils bezüglich eines Zielgeräts, z. B. wie oben erläutert, erfordern jedoch einen vergleichsweise hohen Implementierungsaufwand, z. B. durch Bereitstellung mehrerer Referenzpunkte, und/oder liefern eine für manchen Anwendungen unzulängliche Genauigkeit.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren sowie Vorrichtungen bereitzustellen, durch welche die Ortung eines Mobilteils auf präzise und effiziente Weise ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an verschiedenen Zeitpunkten die Entfernung des Mobilteils von einem Referenzpunkt an einem Zielgerät bestimmt. Bei dem Zielgerät kann es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug handeln. Andere Arten von Zielgerät sind jedoch ebenfalls möglich, z. B. feste Infrastrukturpunkte. Das Mobilteil kann eine Schlüsseleinheit für das Kraftfahrzeug, ein Smartphone oder anderes mobiles Gerät sein. Bei dem Mobilteil kann es sich jedoch auch um ein weiteres Kraftfahrzeug handeln. Bei einigen Anwendungsszenarien kann das Zielgerät auch einem Infrastrukturpunkt entsprechen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird weiterhin zwischen den verschiedenen Zeitpunkten eine Eigenbewegung des Mobilteils bestimmt. Die Eigenbewegung des Mobilteils kann eine Schrittweite des Mobilteils zwischen zwei der verschiedenen Zeitpunkte und/oder eine Bewegungsrichtung des Mobilteils zwischen zwei der verschiedenen Zeitpunkte umfassen. Die Eigenbewegung kann auch eine Geschwindigkeit des Mobilteils zwischen zwei der verschiedenen Zeitpunkte umfassen. Anhand der an den verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Entfernungen und der bestimmten Eigenbewegung des Mobilteils zwischen den verschiedenen Zeitpunkten erfolgt dann eine Bestimmung der Position des Mobilteils relativ zu dem Zielgerät. Die Position kann durch wenigstens zwei räumliche Koordinaten, z. B. in der Ebene, definiert sein. Zu diesem Zweck ist die Anzahl der verschiedenen Zeitpunkte wenigstens drei. Durch eine größere Anzahl von Zeitpunkten kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung erhöht werden und/oder die Positionsbestimmung über der räumliche Koordinaten ermöglicht werden, z. B. zwei Koordinaten in der Ebene und eine Koordinate für die Höhe.
Vorteilhafterweise kann die Eigenbewegung auf Basis von Ausgangssignalen einer Inertialsensorik des Mobilteils erfasst werden. Die Inertialsensorik kann beispielsweise auf Beschleunigungssensoren, gyroskopischen Sensoren und/oder so genannten Dead-Reckoning-Techniken beruhen. Alternativ oder zusätzlich kann die Eigenbewegung auch auf Basis von Ausgangssignalen einer Kompasssensorik des Mobilteils erfasst werden. Durch die Kompasssensorik kann insbesondere eine Ausrichtung des Mobilteils bestimmt werden. Weiterhin können auch ein Schrittzähler oder Radumdrehungszähler zur Bestimmung zurückgelegter Strecken zum Einsatz kommen. Ein entsprechende Sensorik kann in manchen Mobilteiltypen, z. B. in einem Smartphone oder einem Navigationssystem eines Kraftfahrzeugs, bereits vorgesehen sein und auf effiziente Weise für das erfindungsgemäße Verfahren mitgenutzt werden. Weiterhin kann eine entsprechende Sensorik mit geringem Aufwand in eine Vielzahl von Mobilteiltypen integriert werden, z. B. in eine Schlüsseleinheit eines Kraftfahrzeugs.
Die Bestimmung der Entfernungen erfolgt vorteilhafterweise anhand von Ortungssignalen, die zwischen dem Referenzpunkt und dem Mobilteil übertragen werden. Bei den Ortungssignalen kann es sich beispielsweise um Funksignale gemäß dem Standard ZigBee 802.15.4a handeln. Auf diese Weise können die Entfernungen auf präzise und effiziente Weise bestimmt werden. Eine Sichtlinienverbindung ist nicht zwingend erforderlich.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können die bestimmten Entfernungen und/oder die bestimmte Eigenbewegung mittels eines Kalman-Filters verarbeitet werden. Auf diese Weise können die für eine Vielzahl von Zeitpunkten gewonnnen Daten auf effiziente Weise für eine präzise Bestimmung der Position des Mobilteils genutzt werden. Bei dem Kalman-Filter kann es sich insbesondere um ein so genanntes Extended-Kalman-Filter (EKF) oder ein so genanntes Unscented-Kaiman-Filter (UKF) handeln. Ein Standard-Kalman-Filter kann für eine Verfolgung bzw. ein Tracking der Eigenbewegung allein verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Entfernungssensorik zur Bestimmung der Entfernung des Mobilteils von einem Referenzpunkt an einem Zielgerät und eine Bewegungssensorik zur Bestimmung einer Eigenbewegung des Mobilteils zwischen den verschiedenen Zeitpunkten. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der Position des Mobilteils relativ zu dem Zielgerät. Die Verarbeitungseinheit ist dazu ausgestaltet, die Bestimmung der Position anhand der an den verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Entfernungen und der bestimmten Eigenbewegung des Mobilteils zwischen den verschiedenen Zeitpunkten vorzunehmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in dem Mobilteil implementiert sein, z. B. durch spezielle Hardwarekomponenten und/oder entsprechend ausgestaltete Software.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine Ortung des Mobilteils relativ zu dem Zielgerät unter Verwendung lediglich eines Referenzpunktes am Zielgerät und eines Messpunktes am Mobilteil ermöglicht, d. h. die Verwendung mehrerer Referenzpunkte an dem Zielgerät und/oder Mobilteil zur Durchführung einer Trilateration oder Triangulation ist nicht erforderlich. Auch ist die Nutzung von satellitenbasierten Positionierungssignalen, wie z. B. GPS-Signalen, nicht erforderlich.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes Anwendungsszenario für eine relative Ortung eines Mobilteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 veranschaulicht schematisch ein weiteres beispielhaftes Anwendungsszenario für eine relative Ortung eines Mobilteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 veranschaulicht schematisch Prinzipien einer relativen Ortung eines Mobilteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 veranschaulicht schematisch eine Implementierung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 veranschaulicht schematisch ein Grundlagen zur relativen Positionsbestimmung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Algorithmus zur relativen Positionsbestimmung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 veranschaulicht schematisch einen weiteren beispielhaften Algorithmus zur relativen Positionsbestimmung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 zeigt ein Flussdiagram zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung bezieht sich vorwiegend auf Verfahren zur Ortung eines Mobilteils, z. B. eine Schlüsseleinheit, ein Tag oder ein Mobiltelefon, relativ zu einem Zielgerät, z. B. ein Kraftfahrzeug. Es versteht sich jedoch, dass die beschriebenen Konzepte zur relativen Ortung beliebiger Geräte eingesetzt werden können, z. B. zur relativen Ortung von zwei oder mehr Kraftfahrzeugen untereinander oder zur relativen Ortung des Mobilteils bezüglich eines Zielgeräts in Form eines Infrastrukturpunktes.
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Anwendungsszenario, bei welchem die hierin beschriebene relative Ortung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Das Anwendungsszenario von 1 entspricht einer Funktionalität zum Auffinden eines Kraftfahrzeugs 200 mittels eines Mobilteils 100. In diesem Fall kann es sich bei dem Mobilteil 100 um ein Smartphone oder ähnliches mobiles Gerät handeln. Die beschriebenen Funktionalitäten können jedoch auch in eine Schlüsseleinheit für das Kraftfahrzeug 200 integriert sein, d. h. bei dem Mobilteil 100 kann es sich auch um eine solche Schlüsseleinheit handeln.
Bei dem Anwendungsszenario von 1 bestimmt das Mobilteil 100 seine Position relativ zum dem Kraftfahrzeug 200, wofür Messungen der Entfernung des Mobilteils 100 zu einem Referenzpunkt 210 an dem Kraftfahrzeug 200 genutzt werden. Durch Auswertung mehrerer an verschiedenen Zeitpunkten durchgeführten Entfernungsmessungen und der Eigenbewegung des Mobilteils 100 zwischen diesen Zeitpunkten kann das Mobilteil 100 die relative Position bestimmen, ohne das hierfür mehrere Referenzpunkte an dem Kraftfahrzeug 200 oder mehrere Messpunkte an dem Mobilteil 100 vorgesehen sein müssen. Auch die Verwendung von satellitenbasierten Positionierungssignalen wie GPS-Signalen ist nicht erforderlich. Die relative Position kann damit auf effiziente und präzise Weise bestimmt werden. Weiterhin kann die Bestimmung der relativen Position auch in geschlossenen Räumen, z. B. Tiefgaragen, vorgenommen werden. Bei dem Anwendungsszenario von 1 kann eine Anzeige an dem Mobilteil, z. B. eine optische Anzeige, vorgesehen sein, um einen Benutzer beim Auffinden des Kraftfahrzeugs 200 zu unterstützen. Die Anzeige kann z. B. die Entfernung des Mobilteils 100 von dem Kraftfahrzeug 200 und die Richtung, in welcher sich das Kraftfahrzeug 200 befindet, beinhalten.
2 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes Anwendungsszenario, bei welchem die hierin beschriebene relative Ortung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Das Anwendungsszenario von 2 betrifft eine relative Ortung von zwei Kraftfahrzeugen 200, 200'. In diesem Fall handelt es sich somit sowohl bei dem Mobilteil als auch dem Zielgerät um Kraftfahrzeuge.
Bei dem Anwendungsszenario von 2 bestimmt das Kraftfahrzeug 200' seine Position relativ zum dem Kraftfahrzeug 200, wofür Messungen der Entfernung des Kraftfahrzeugs 200', insbesondere eines Messpunkts 210' an dem Kraftfahrzeug 200', zu einem Referenzpunkt 210 an dem Kraftfahrzeug 200 genutzt werden. Durch Auswertung mehrerer an verschiedenen Zeitpunkten durchgeführten Entfernungsmessungen und der Eigenbewegung des Kraftfahrzeugs 200' zwischen diesen Zeitpunkten kann das Kraftfahrzeug 200' die relative Position bestimmen, ohne das hierfür mehrere Referenzpunkte an dem Kraftfahrzeug 200 oder mehrere Messpunkte an dem Kraftfahrzeug 200' vorgesehen sein müssen. Bei bestimmten Szenarien, z. B. wenn sich beide Kraftfahrzeuge 200, 200' in Bewegung befinden, können auch die Eigenbewegungen des Kraftfahrzeugs 200 an das Kraftfahrzeug 200' übermittelt und ausgewertet werden, um die relative Position zu bestimmen. Auch die Verwendung von satellitenbasierten Positionierungssignalen wie GPS-Signalen ist nicht erforderlich. Die relative Position kann damit auf effiziente und präzise Weise bestimmt werden. Weiterhin kann die Bestimmung der relativen Position auch in geschlossenen Räumen, z. B. Tunnel oder Tiefgaragen, vorgenommen werden. Bei dem Anwendungsszenario von 2 kann die relative Position beispielsweise für Fahrerassistenzsysteme oder für ein automatisiertes bzw. teilautomatisiertes Fahren genutzt werden.
Die hierin verwendete relative Ortung auf Basis von Entfernungsmessungen und der Eigenbewegung des Mobilteils ist in 3 näher erläutert. In 3 sind Positionen des Mobilteils 100 an der verschiedenen Zeitpunkten veranschaulicht. Zu einem ersten Zeitpunkt ist die Entfernung zwischen dem Mobilteil 100 und dem Referenzpunkt 210 an dem Kraftfahrzeug 200 durch d₁ gegeben. Zu einem zweiten Zeitpunkt ist die Entfernung zwischen dem Mobilteil 100 und dem Referenzpunkt 210 an dem Kraftfahrzeug 200 durch d₂ gegeben. Zu einem dritten Zeitpunkt ist die Entfernung zwischen dem Mobilteil 100 und dem Referenzpunkt 210 an dem Kraftfahrzeug 200 durch d₃ gegeben. Die Eigenbewegung des Mobilteils 100 zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ist durch b₁₂ gegeben, und die Eigenbewegung des Mobilteils 100 zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ist durch b₂₃ gegeben. Die Eigenbewegung kann auf verschiedene Art bestimmt werden, z. B. in Form einer Bewegungsrichtung und einer Schrittweite, d. h. der Entfernung zwischen den Positionen des Mobilteils 100 an den verschiedenen Zeitpunkten. Die Eigenbewegung kann auch eine Geschwindigkeit des Mobilteils 100 oder eine Differenz zwischen den Koordinaten des Mobilteils 100 an den verschiedenen Zeitpunkten umfassen. Die Eigenbewegung des Mobilteils 100 kann über eine geeignete Bewegungssensorik des Mobilteils 100 bestimmt werden.
Indem an den verschiedenen Zeitpunkten Entfernungsmessungen zwischen dem Mobilteil 100 und dem Referenzpunkt 210 durchgeführt werden und die Eigenbewegung des Mobilteils 100 erfasst wird, kann eine virtuelle Apertur aufgespannt werden, welche analog zur Trilateration zur Bestimmung der relativen Position genutzt werden kann. In diesem Fall kann eine Trilateration auf Basis der verschiedenen Positionen des Mobilteils 100 durchgeführt werden.
4 veranschaulicht schematisch eine Implementierung einer Vorrichtung zur Durchführung der beschriebenen relativen Ortung. Wie in 4 dargestellt beinhaltet das Mobilteil 100 eine Entfernungssensorik 110 und eine Bewegungssensorik 120. Weiterhin beinhaltet das Mobilteil 100 eine Verarbeitungseinheit 150, welcher Ausgangssignale der Entfernungssensorik 110 und Ausgangssignale der Bewegungssensorik 120 zugeführt sind. Die Entfernungssensorik 110 dient der Bestimmung Entfernungen zwischen dem Mobilteil 100 und dem Referenzpunkt 210 an dem Zielgerät, im dargestellten Beispiel das Kraftfahrzeug 200. Die Bewegungssensorik dient der Bestimmung der Eigenbewegung des Mobilteils 100.
Die Entfernungssensorik 110 kann dazu ausgestaltet sein, Funksignale zu erfassen, welche von dem Referenzpunkt 210 ausgesendet werden. Die Entfernungssensorik kann auch dazu ausgestaltet sein, Funksignale an den Referenzpunkt 210 zu senden, d. h. die Funksignale können wechselseitig zwischen dem Mobilteil 100 und dem Referenzpunkt 210 übertragen werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um Ortungssignale gemäß dem Standard ZigBee 802.15.4a handeln. Zur Entfernungsbestimmung kann die Laufzeit der Funksignale und/oder Phase der Funksignale herangezogen werden.
Die Bewegungssensorik 120 kann eine Inertialsensorik, z. B. auf Basis von Beschleunigungssensoren oder gyroskopischen Sensoren beinhalten. Weiterhin kann die Bewegungssensorik auch eine Kompasssensorik beinhalten, welche z. B. zur Stabilisierung bzw. Driftkompensation von gyroskopischen Sensoren eingesetzt werden kann. Die Bestimmung der Eigenbewegung kann unter Verwendung von Dead-Reckoning-Techniken erfolgen. Die Intertialsensorik 120 kann auch Funktionalitäten eines Schrittzählers implementieren, um Entfernungen abzuschätzen, die ein Fußgänger mit dem Mobilteil 100 zurücklegt. Wenn die Inertialsensorik 120 in einem Fahrzeug implementiert ist, kann beispielsweise auch eine Zählung von Radumdrehungen zum Einsatz kommen.
Die Verarbeitungseinheit 150 kann beispielsweise durch entsprechende Programmierung eines Prozessors implementiert sein. Die Verarbeitungseinheit 150 nutzt sowohl die Ausgangssignale der Entfernungssensorik 110 als auch die Ausgangssignale der Bewegungssensorik 120, um die Position des Mobilteils 100 relativ zu dem Referenzpunkt 210 zu bestimmen. Grundlagen der Positionsbestimmung und spezielle hierfür einsetzbare Algorithmen sind anhand von 5 bis 7 erläutert.
5 veranschaulicht Grundlagen der hierin beschriebenen Bestimmung der relativen Position über eine Mehrpunktortung. In 5 sind Koordinaten des Referenzpunkts 210 mit (x_R, y_R) bezeichnet, und es wird davon ausgegangen, dass diese Koordinaten dem Ursprung, d. h. dem Punkt (0, 0), des für die relative Ortung gewählten Koordinatensystems entsprechen. Es versteht sich jedoch, dass beispielsweise bei bekannter absoluter Position des Referenzpunkts 210 beliebige andere Werte für die Koordinaten des Referenzpunkts gelten könnten. Die Darstellung von 5 beschränkt sich auf Koordinaten in der x-y-Ebene. Es versteht sich jedoch, dass die Konzepte ohne Weiteres um eine weitere räumliche Koordinate (eine z-Komponente) erweitert werden könnten, u. U. unter Hinzuziehung zusätzlicher Messungen.
In 5 sind die Koordinaten des Mobilteils 100 zum Zeitpunkt ti mit (x, y)_ti bezeichnet, wobei i = 0, 1, 2, .... Die Entfernung zwischen Mobilteil 100 und Referenzpunkt 210 zum Zeitpunkt ti ist mit r_ti bezeichnet. Die Eigenbewegung des Mobilteils 100 ist beschrieben durch Koordinatendifferenzen (Δx = x_ti – x_ti-1, Δy = y_ti – y_ti-1)_ti, Bewegungsrichtungen φ_ti und Geschwindigkeiten (v_x, v_y)_ti zu den jeweiligen Zeitpunkten ti. Weiterhin zeigt 5 Kreise K_ti mit Radius r_ti um die jeweilige Position des Mobilteils 100.
Um die Position des Mobilteils 100 relativ zu dem Referenzpunkt 210 zu bestimmen, z. B. in Form der Koordinaten x und y oder in Form eines Abstands r und eines Richtungswinkels (d. h. in polaren Koordinaten), kann als Ansatz die Beziehung (x_R – x_ti)² + (y_R – y_ti)² = r_ti ² verwendet werden.
Die relative Position kann dann bestimmt werden durch Minimierung der Abweichung
Dies kann beispielsweise durch geeignete Suchverfahren oder Näherungsverfahren geschehen.
Ein erster Algorithmus, welcher zur Implementierung der relativen Positionsbestimmung einsetzbar ist, wird nun Anhand von 5 erläutert. Dieser Algorithmus berücksichtigt für zwei Messungen die Eigenbewegung in Form einer Schrittweite, d. h. der Koordinatendifferenz (Δx, Δy)_ti, bzw. der zwischen den Messungen zurückgelegten Strecke Δs. In diesem Fall kann über die Entfernungsmessungen unter Heranziehung des Kosinussatzes gemäß
der Winkel φ_ti und folglich eine Abschätzung der relativen Position (x ^, ŷ)_ti bestimmt werden. Dieser Algorithmus bietet den Vorteil eines geringen Rechenaufwands, liefert bei Berücksichtigung von nur zwei Messungen mehrdeutige Ergebnisse. Die Mehrdeutigkeit kann durch weitere Schritte, z. B. in Form einer Plausibiltätsprüfung und/oder Kalman-Filterung beseitigt werden. Durch Verwendung von Messungen mit größerer dazwischen aufgetretener Eigenbewegung kann die Genauigkeit erhöht werden.
Bei Verwendung eines Kalman-Filters kann die Abschätzung der relativen Position des Mobilteils 100 zur Initialisierung des Systemzustands im Kalman-Filter verwendet werden. Anschließende Messungen der Entfernung und Eigenbewegung können zur Aktualisierung des Systemzustands herangezogen werden. Beispielsweise kann der Systemzustand definiert sein durch (x, y)_ti oder (φ, r)_ti, und als Messgrößen bzw. Eingangsgrößen für das Kalman-Filter können r_ti, (Δx, Δy)_ti und u. U. auch die abgeschätzte relative Position (x ^, ŷ)_ti verwendet werden. Als Systemgleichung für das Kalman-Filter könnte somit
u. U. ergänzt um Beiträge für die Geschwindigkeit (v_x, v_y), verwendet werden. Als Messgleichung für das Kalman-Filter könnte entsprechend
und u. U. zusätzlich
verwendet werden. Durch Einbeziehung der abgeschätzten relativen Position in die Kalman-Filterung kann diese zur Korrektur des Systemzustands herangezogen werden. Hierdurch können Auswirkungen von grob falschen Positionsbestimmungen verringert werden. Die Bewegungsrichtung, Winkelgeschwindigkeit und dergleichen könnten ebenfalls in das Kalman-Filter einbezogen werden. Anstelle der abgeschätzten relativen Position können auch andere Ortungstechniken bzw. Abschätzungen zur Initialisierung des Kalman-Filters verwendet werden.
Bevorzugt wird ein UKF als das Kalman-Filter verwendet. Hierbei ergibt sich als Vorteil eine im Vergleich zu einem EKF erhöhte Genauigkeit bei nicht linearem Verhalten und ein verbessertes Konvergenzverhalten. Der Rechenaufwand bei Verwendung eines UKF ist vergleichbar mit der Verwendung eines EKF.
Mehrdeutigkeiten können beispielsweise berücksichtigt werden, indem die vorhandenen Lösungen parallel einer Kalman-Filterung unterzogen werden und diejenige Lösung verworfen wird, welche nach einer bestimmten Anzahl von Filterdurchläufen die größte Korrektur erfährt.
Weiterhin kann auch eine Kompensation von Messwertsprüngen zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise ein Vergleich auf Basis der aktuelle Entfernungsmessung und der vorangegangenen Entfernungsmessung r_ti-1 durchgeführt werden, z. B. gemäß
oder
wobei T einen geeigneten Schwellenwert darstellt.
Falls gemäß dem durchgeführten Vergleich die Entfernungsmessung als sprunghafter Messfehler zu größeren Entfernungen eingestuft wird, kann die gemessene Entfernung gemäß
ersetzt werden, wobei ε ein geeignet gewählter Parameter ist. Zur Vereinfachung kann auch ε = 0 verwendet werden.
Zur Berücksichtung von sprunghaften Messfehlern zu kleineren Entfernungen kann entsprechend ein Vergleich auf Basis der aktuelle Entfernungsmessung und der vorangegangenen Entfernungsmessung r_ti-1 durchgeführt werden, z. B. gemäß
oder
wobei T einen geeigneten Schwellenwert darstellt.
Falls gemäß dem durchgeführten Vergleich die Entfernungsmessung als sprunghafter Messfehler zu kleineren Entfernungen eingestuft wird, kann eine Reinitialisierung des Kalman-Filters vorgenommen werden.
Bei den obigen Vergleichen kann anstelle der vorangegangenen Entfernungsmessung auch ein Mittelwert über vorangegangene Entfernungsmessungen verwendet werden.
6 veranschaulicht einen zweiten Algorithmus, welcher zur Implementierung der relativen Positionsbestimmung einsetzbar ist. Der Algorithmus von 6 beruht darauf, für Entfernungsmessungen an drei verschiedenen Zeitpunkten, welche Entfernungen r_t0, r_t1 und r_t2 liefern, Schnittpunkte der Kreise K_t0, K_t1 und K_t2 zu bestimmen. Die Mittelpunkte der Kreise K_t0, K_t1 und K_t2 werden dabei aus der Eigenbewegung des Mobilteils 100 ermittelt. Aus den Schnittpunkten werden wiederum die drei Schnittpunkte ausgewählt, welche den geringsten Abstand aufweisen. Die relative Position des Mobilteils 100 kann dann durch Mittelung dieser drei Punkte gewonnen werden.
Der Algorithmus von 6 hat den Vorteil eines relativ geringen Rechenaufwands. Wenn Messungen ineinander liegende Kreise liefern, ist eine Positionsbestimmung u. U. nicht möglich oder es ergeben sich Mehrdeutigkeiten.
7 veranschaulicht einen dritten Algorithmus, welcher zur Implementierung der relativen Positionsbestimmung einsetzbar ist. Der Algorithmus von 7 beruht darauf, Entfernungsmessungen an verschiedenen Zeitpunkten auf eine Referenzmessung zum Zeitpunkt tn zu beziehen. Anhand der Beziehung r_ti ² = r_tn ² + x_ti ² – y_ti ² – y_ti ² – 2(x_ti – x_tn)x – 2(y_ti – y_tn)y kann dann ein lineares Gleichungssystem für alle i ≠ n aufgestellt werden, dass z. B. über Ermittlung der Pseudoinversen, die Koordinaten (x, y) der relativen Position als Lösung liefert. Dieser Algorithmus entspricht einer Minimierung von Abständen zwischen in 7 dargestellten Geraden.
Die Verwendung Algorithmus von 7 bedeutet einen Vergleich mit dem Algorithmus von 6 höheren Rechenaufwand. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung, aber auch der Rechenaufwand, steigt mit der Anzahl der berücksichtigten Messungen.
8 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens, welches zur Implementierung der oben beschriebenen Konzepte verwendet werden kann.
Bei Schritt 810 wird die Entfernung zwischen dem Mobilteil und dem Referenzpunkt an dem Zielgerät bestimmt. Wie erwähnt, kann dies durch Erfassen von Ortungssignalen erfolgen, die zwischen dem Referenzpunkt und dem Mobilteil übertragen werden.
Bei Schritt 820 wird die Eigenbewegung des Mobilteils erfasst, z. B. über eine Inertialsensorik und/oder Kompasssensorik des Mobilteils.
Bei Schritt 830 erfolgt eine Bestimmung, ob weitere Messungen erforderlich sind oder eine Auswertung erfolgen kann. Wenn weitere Messungen erforderlich sind, gezeigt durch die Verzweigung „N”, werden die Schritte 810 und 820 wiederholt, um Entfernungsmessungen an weiteren Zeitpunkten vorzunehmen und die zugehörige Eigenbewegung des Mobilteils zu bestimmen. Wenn eine Auswertung erfolgen kann, wird das Verfahren wie durch die Verzweigung „J” gezeigt bei Schritt 840 fortgesetzt.
Bei Schritt 840 erfolgt die Bestimmung der Position des Mobilteils relativ zu dem Zielgerät. Diese Bestimmung erfolgt auf Basis der für die verschiedenen Zeitpunkte bestimmten Entfernungen (aus Schritt 810) und der bestimmten Eigenbewegungen des Mobilteils zwischen den Entfernungsmessungen (aus Schritt 820).
Es versteht sich, dass bei den im Vorangegangenen beschriebenen Techniken eine Erhöhung der Anzahl der Entfernungsmessungen verwendet werden kann, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen. Die Anzahl der berücksichtigten Messungen kann dabei an die jeweiligen Erfordernisse der Anwendung angepasst werden, z. B. im Hinblick auf Genauigkeit und Geschwindigkeit.
Weiterhin können die hierin beschriebenen Techniken auch zur Unterstützung von vorhandenen Dead-Reckoning-Techniken eingesetzt werden. Beispielsweise kann durch geeignete Verfahren wie Kalman-Filterung ein Fehler in den Trajektorien aus der Entfernungsmessung und Eigenbewegung minimiert werden. Auf ähnliche Weise kann eine Driftkompensation für die Inertialsensorik, z. B. für gyroskopische Sensoren, vorgenommen werden. Auch hier kann durch Berücksichtigung einer Vielzahl von Messungen das Ergebnis verbessert werden. Auf ähnliche Weise können die Techniken zur Unterstützung einer absoluten Positionsbestimmung, z. B. über satellitenbasierte Positionierungssignale, eingesetzt werden.
Weiterhin kann auch Systemwissen verwendet werden, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen. Beispielsweise kann sich bei bekannter Relativbewegung zwischen Mobilteil und Zielgerät die Entfernung dazwischen nur in einem gewissen Rahmen ändern. Dies kann zur Identifizierung von Messfehlern oder Plausibiltätsprüfung bei mehrdeutigen Lösungen eingesetzt werden.
Auch wenn die Techniken ohne eine absolute Ortung, z. B. beruhend auf satellitenbasierten Positionierungssignalen, einsetzbar sind, können sie mit solchen ohne weiteres kombiniert werden, z. B. um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, Messergebnisse mehrerer Mobilteile und/oder Messungen bezüglich mehrerer Zielgeräte einzubeziehen, um auf diese Weise die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch Ausnutzung einer vergrößerten virtuellen Apertur zu verbessern.
Wie aus den vorangegangenen Ausführungen ersichtlich ist, ermöglichen die hierin dargestellten Techniken somit mit geringem Aufwand eine präzise relative zwischen einem Mobilteil und einem Zielgerät. Insbesondere sind an dem Mobilteil und dem Zielgerät nur ein Messpunkt bzw. Referenzpunkt erforderlich.
Es versteht sich, dass bei den im Vorangegangenen dargestellten Ausführungsbeispielen verschiedene Modifikationen möglich sind. Insbesondere können die Konzepte nicht nur auf die relative Ortung der dargestellten Arten von Mobilteil und Zielgerät angewendet werden, sondern auf beliebige andere Arten von Mobilteil und/oder Zielgerät. Die aus der relativen Ortung gewonnen Positionsdaten können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, welche nicht auf die dargestellten Anwendungsszenarien beschränkt sind, z. B. Steuerung von Komfortfunktionen eines Kraftfahrzeugs abhängig von der relativen Position. Weiterhin versteht es sich, dass die Konzepte durch speziell ausgestaltete elektronische Hardware oder durch Software zur Ausführung durch einen Prozessor eines Mobilteils implementiert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0139200 A1 [0006]
US 2006/0181393 A1 [0007]
DE 10019277 A1 [0008]
DE 19827722 A1 [0009]
EP 1318483 A2 [0010]
DE 10247719 A1 [0011]
DE 19926234 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Ortung eines Mobilteils (100; 200'), umfassend: an verschiedenen Zeitpunkten, Bestimmung der Entfernung des Mobilteils (100; 200') von einem Referenzpunkt (210) an einem Zielgerät (200); Bestimmung einer Eigenbewegung des Mobilteils (100; 200') zwischen den verschiedenen Zeitpunkten; und Bestimmung der Position des Mobilteils (100; 200') relativ zu dem Zielgerät (200), wobei die Bestimmung der Position anhand der an den verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Entfernungen und der bestimmten Eigenbewegung des Mobilteils (100; 200') zwischen den verschiedenen Zeitpunkten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Zeitpunkte wenigstens drei ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eigenbewegung auf Basis von Ausgangssignalen einer Inertialsensorik des Mobilteils (100; 200') erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eigenbewegung auf Basis von Ausgangssignalen einer Kompasssensorik des Mobilteils (100; 200') erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der Entfernungen anhand von Ortungssignalen erfolgt, die zwischen dem Referenzpunkt (210) und dem Mobilteil (100; 200') übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Verarbeiten der bestimmten Entfernungen und der bestimmten Eigenbewegung mittels eines Kalman-Filters.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eigenbewegung eine Schrittweite des Mobilteils (100; 200') zwischen zwei der verschiedenen Zeitpunkte und/oder eine Bewegungsrichtung des Mobilteils (100, 200') zwischen zwei der verschiedenen Zeitpunkte umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zielgerät (200) einem Kraftfahrzeug entspricht.
Vorrichtung zur Ortung eines Mobilteils (100; 200'), umfassend: eine Entfernungssensorik (110) zur Bestimmung der Entfernung des Mobilteils (100; 200') von einem Referenzpunkt (210) an einem Zielgerät (200); eine Bewegungssensorik (120) zur Bestimmung einer Eigenbewegung des Mobilteils (100; 200') zwischen den verschiedenen Zeitpunkten; und eine Verarbeitungseinheit (150) zur Bestimmung der Position des Mobilteils (100; 200') relativ zu dem Zielgerät (200), wobei die Bestimmung der Position anhand der an den verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Entfernungen und der bestimmten Eigenbewegung des Mobilteils (100; 200) zwischen den verschiedenen Zeitpunkten erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestaltet ist.