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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Indoor-Lokalisation von Objekten mithilfe der Trägheitsnavigation unter Verwendung von Referenzstationen.
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Zur Bestimmung der Position von Personen bzw. Objekten werden mobile Navigationsgeräte verwendet, welche ihre Position, räumliche Ausrichtung, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit mit Hilfe geeigneter Sensoren ermitteln. Neben satellitengestützter Navigationsverfahren, mit deren Hilfe stets im Rahmen der Messgenauigkeit liegende exakte Positionsbestimmungen möglicht sind, können Trägheitsnavigationsverfahren zur Positionsbestimmung von Objekten verwendet werden. So kommt die Trägheitsnavigation insbesondere dort zum Einsatz, wo kein ausreichendes Satellitensignal für eine satellitengestützte Navigation zur Verfügung steht, wie z. B. in Gebäuden. Bei der Trägheitsnavigation wird die Bewegungstrajektorie des navigierenden Objekts mit Hilfe von Inertialsensoren wie dem Beschleunigungssensor (Accelometer) oder dem Lagersensor (Gyrometer) durch mathematische Integration der Bewegungsgleichung bestimmt. Die auf Trägheitsnavigation basierende Positionsbestimmung setzt allerdings voraus, dass der Ort und die Geschwindigkeit des Objekts an der Startposition, also am Anfang der Trajektorie, präzise bekannt sind. Außerdem ist das Verfahren mit einem nicht unerheblichen Fehler behaftet, der quadratisch mit der Zeit wächst. Bei der Winkelbestimmung wächst der Fehler sogar kubisch mit der Zeit an. Der stark anwachsende Fehler führt dazu, dass sich die Qualität einer auf dem Trägheitsnavigationsverfahren basierenden Ortsbestimmung im Laufe der Zeit zunehmend verschlechtert.
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Zur Verbesserung der Qualität der Trägheitsnavigation können auf einem Kalman-Filter basierende Fehlerkorrekturverfahren eingesetzt werden, bei denen der Fehler über zusätzliche Berechungen begrenzt wird. Als Resultat kann die Ortsbestimmung über einen längeren, jedoch nicht beliebigen Zeitraum fortgesetzt werden. Ferner kann eine Positionskorrektur einer mittels Trägheitsnavigation bestimmten Bewegungstrajektorie auch durch Berücksichtigung von örtlichen Gegebenheiten erfolgen, wobei sich z. B. Lampen über Helligkeit oder Wände aufgrund ihres Reflexionsvermögens von Ultraschall detektieren lassen. Dieses Verfahren erfordert allerdings ein Modell des Gebäudes. Ferner ist das Verfahren relativ ungenau, da die Lokalisierung von Lampen mittels Helligkeitsdetektion oder von Wänden mittels Ultraschall recht ungenau ist. Ferner liefert dieses Verfahren keinen Aufschluss über die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts.
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Aus der Druckschrift
EP 2 597 423 A1 ist ein Verfahren zur Indoor-Lokalisation eines Objekts mithilfe eines mobilen Geräts bekannt, welches seine aktuelle Position, Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung mittels Trägheitsnavigation ermittelt, wobei das mobile Gerät wenigstens eine Referenzstation passiert und dabei auf die Position, Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung des mobilen Geräts bezogene Referenzinformationen drahtlos von dieser Referenzstation an das mobile Gerät übertragen werden, und wobei das mobile Gerät die Referenzinformationen zum Korrigieren der mittels Trägheitsnavigation ermittelten Position, Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung verwendet. Es ist explizit erwähnt, dass die Trägheitsnavigation mit einer Drift bzw. einem unerwünschten Fehler verbunden ist und dass dieser Nachteil durch die Kombination mit der auf Referenzstationen basierenden Indoor-Navigation verringert wird. Zwangsläufig wird also die mittels der Trägheitsnavigation ermittelte Position durch die von den Referenzstationen erhaltene Positionsinformation korrigiert.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 014 299 A1 ist ein System zur Bereitstellung von Navigationsinformationen für Personen innerhalb und außerhalb von Gebäuden und aus der Druckschrift
DE 201 14 245 U1 ist ferner eine mobile Navigationsvorrichtung für ein zellulares Funknetz bekannt.
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Schließlich ist aus der Druckschrift
FR 2 945 635 A1 ein System zur Positionierung und Führung von sehbehinderten Personen, z. B. in Gebäuden, bekannt, bei dem eine aktuelle Position eines mobilen Geräts auf der Grundlage von Lesegerätinformationen und schwerkraftsbasierten Messungen ermittelt wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Qualität bzw. Genauigkeit der Trägheitsnavigation zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Anordnung gemäß Anspruch 3 gelöst. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist im abhängigen Anspruch 2 angegeben.
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Dabei ist ein Verfahren zur Indoor-Lokalisation von Objekten mit Hilfe eines mobilen Geräts vorgesehen, welches seine aktuelle Position, Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung mit Hilfe wenigstens eines Intertialsensors ermittelt. Dabei ist vorgesehen, dass das mobile Gerät eine Referenzstation beim Passieren derselben detektiert und dabei auf die Position, Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung des mobilen Geräts (100) bezogene Referenzinformationen drahtlos von dieser Referenzstation an das mobile Gerät übertragen werden. Das mobile Gerät verwendet die Referenzinformationen anschließend zum Korrigieren der mit Hilfe des Inertialsensors ermittelten Position, Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung. Durch den Einsatz von auf drahtloser Datenübertragung basierenden Referenzstationen können bei der auf Trägheitsnavigation basierenden Positionsbestimmung auftretende und stetig wachsende Fehler wirksam begrenzt werden. Somit lässt sich die Trägheitsnavigation auch über eine längere Zeit und über längere Strecken verwenden, ohne dass hierzu komplexe Ortsbestimmungsverfahren und aufwändige Infrastruktur notwendig wären. Durch die Begrenzung des Fehlerwachstums kommt die Trägheitsnavigation auch mit kostengünstigeren Inertialsensoren aus. Diese Ausführungsform sieht ferner vor, dass das mobile Gerät von einer stationären Beförderungsvorrichtung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit befördert wird, wobei die vorgegebene Geschwindigkeit als Referenzinformation von einer im Bereich der stationären Beförderungsvorrichtung angeordneten Referenzstation an das mobile Gerät übertragen wird. Die Verwendung von Referenzstationen im Zusammenhang mit Beförderungsvorrichtungen, wie z. B. Rolltreppen, Rollbändern oder Aufzügen, bietet den Vorteil, dass die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des mit dem mobilen Gerät ausgestatteten Objekts sehr genau bekannt sind, so dass sich damit eine besonders genaue Rekalibrierung des Trägheitsnavigationsverfahrens bzw. Korrektur der erhaltenen Größen durchführen lässt.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das mobile Gerät in einer die Position, die Ausrichtung und/oder die Geschwindigkeit des mobilen Geräts vorgebenden Aufnahmeeinrichtung einer als Referenzstation dienenden stationären Docking-Vorrichtung untergebracht wird, wobei die vorgegebene Position, die vorgegebene Ausrichtung und/oder die vorgegebene Geschwindigkeit als Referenzinformationen von der Referenzstation an das mobile Gerät übertragen werden. Die Docking-Station bietet eine sehr genaue Determinierung der Position und der Ausrichtung des mobilen Geräts. Da das mobile Gerät in der Ladestation nicht bewegt wird, ist seine Geschwindigkeit gleich Null und daher ebenfalls sehr genau bekannt. Aus diesem Grund kann mit Hilfe einer als Docking-Vorrichtung ausgebildeten Referenzstation eine besonders hohe Genauigkeit bei der Rekalibrierung des Trägheitsnavigationsverfahrens bzw. der Korrektur der mit diesem Verfahren ermittelten Größen realisieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 beispielhaft die Fehlerentwicklung einer mittels Trägheitsnavigation gewonnen Größe ohne entsprechende Korrektur im Vergleich zu der Fehlerentwicklung der entsprechenden Größe mit periodischer Korrektur;
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2 beispielhaft ein mobiles Gerät beim Passieren mehreren Referenzstationen;
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3 beispielhaft eine mit Hilfe des mobilen Geräts innerhalb eines mit mehreren Referenzstationen ausgestatteten Gebäudes navigierende Person;
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4 eine mögliche Anordnung von zwei Referenzstationen im Eingangs- und Ausgangsbereich einer Rolltreppe;
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5 beispielhaft eine mit einer Referenzstation ausgestattete Zugangssteuerungseinrichtung in Form eines Drehkreuzes; und
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6 beispielhaft eine in Form einer Dockingstation für das mobile Gerät ausgebildete Referenzstation.
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Bei der Ortsbestimmung mittels Trägheitsnavigation wird die Bewegungstrajektorie eines einer Person bzw. eines Objekts mit Hilfe von Inertialsensoren nachvollzogen. Hierbei kann das mobile Gerät mittels mathematischer Integration einer mit Hilfe eines Accelometers gemessenen Beschleunigung auf die aktuelle Geschwindigkeit des Objekts schließen. Durch eine weitere mathematische Integration der Bewegungsgleichung lässt sich aus der so gewonnen Geschwindigkeitsinformation auch die aktuelle Position des Objekts ermitteln. In analoger Weise kann mit Hilfe eines Gyrometers die aktuelle Drehgeschwindigkeit bzw. die aktuelle räumliche Ausrichtung berechnet werden.
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Trotz der relativ hohen Messgenauigkeit moderner Inertialsensoren ist eine allein auf Grundlage der Trägheitsnavigation erfolgende Ortsbestimmung aufgrund des im Falle der Positionsbestimmung quadratisch und im Falle der Winkelbestimmung sogar kubisch mit der Zeit anwachsenden Fehlers nur für eine begrenzte Zeit sinnvoll. Es wird daher erfindungsgemäß ein Verfahren zur Indoor-Lokalisation oder allgemeiner zur Ortsbestimmung von Objekten, wie z. b. Personen, Gegenständen oder Vehikel, mit Hilfe der Trägheitsnavigation vorgeschlagen, bei dem das mit der Trägheitsnavigation einhergehende grenzenlose Fehlerwachstum wirksam begrenzt wird. Dies erfolgt durch wiederholte Rekalibrierung des Verfahrens mit Hilfe von Referenzpunkten, welche mittels einer mehrere Referenzstationen umfassender Infrastruktur ermittelt werden. Dabei werden dem mobilen Gerät beim Passieren einer Referenzstation Positionsdaten von dieser Referenzstation über eine geeignete drahtlose Kurzstreckenkommunikationsverbindung übermittelt. Durch eine strategisch günstige Verteilung solcher Referenzstationen innerhalb des Gebäudes lässt sich sicherstellen, dass das mobile Gerät periodisch Referenzpunkte ermitteln kann und das Fehlerwachstum der Trägheitsnavigation innerhalb eines akzeptablen Bereichs gehalten werden kann.
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Die 1 zeigt den zeitlichen Verlauf des Fehlers einer mittels der Trägheitsnavigation ermittelten Größe, wie z. B. der Position eines Objekts, welche anhand eines Signals eines Beschleunigungssensors mittels mathematischer Integration der Bewegungsgleichungen ermittelt wird. Die mit einer gestrichelten Linie dargestellte Fehlerkurve 601 zeigt dabei einen im Wesentlichen quadratischen Verlauf, was im Falle der Positionsermittlung einer mit der Zeit quadratisch zunehmenden Abweichung der mittels Trägheitsnavigation ermittelten Position von der tatsächlichen Position des Objekts entspricht. Zum Zeitpunkt t2 überschreitet die Fehlerkurve 601 überschreitet daher bereits zum Zeitpunkt t2 den Schwellwert Fmax, welcher im vorliegenden Beispiel einen maximal zulässigen Positionsfehler entspricht, also der gerade noch als sinnvoll betrachteten Positionsabweichung. Somit ist die Trägheitsnavigation im herkömmlichen Fall lediglich für einen begrenzten Zeitraum sinnvoll, nämlich vom Zeitpunkt t0, zu welchem die Position eines Objekts innerhalb eines Gebäudes noch genau bekannt ist, bis zum Zeitpunkt t2, zu welchem der Positionsfehler den akzeptablen Bereich verlässt. Im Unterschied hierzu zeigt die mittels durchgehender Linie dargestellte zweite Fehlerkurve 602 den Verlauf des Positionsfehlers bei einer wiederholt erfolgenden Rekalibrierung. Dabei zeigt die Fehlerkurve 602 bis zum Zeitpunkt t1 einen im Wesentlichen der Fehlerkurve 601 entsprechenden Verlauf. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt jedoch eine Rekalibrierung des Verfahrens, bei der die mittels Trägheitsnavigation bestimmte Position mittels einer von einer Referenzstation bereitgestellten Referenzposition korrigiert wird. Aus diesem Grund weist fällt die Fehlerkurve 602 zum Zeitpunkt t1 steil auf nahezu Null auf. Im Anschluss daran verläuft die Fehlerkurve 602 erneut zunächst flach bevor sie aufgrund ihrer quadratischen Entwicklung zunehmend steiler wird. Im Anschluss daran erfolgt die Positionsbestimmung wieder anhand der Trägheitsnavigation, so dass die zunächst flach verlaufende Fehlerkurve 602 erneut quadratisch mit der Zeit zunimmt. Durch erneute Rekalibrierung des Verfahrens zu den Zeitpunkten t3 und t4 wird dabei jedoch sichergestellt, dass der Fehler 602 den Schwellwert Fmax nicht überschreitet. Das kann beispielsweise durch den Einsatz mehrerer Referenzstationen realisiert werden, welche derart strategisch günstig im Gebäude verteilt angeordnet sind, dass das navigierende Objekt bzw. die navigierende Person bei seiner Bewegung innerhalb des Gebäudes in ausreichend kurzen Zeitabständen jeweils eine diese Referenzstationen passiert. stets unterhalb der Schwelle Fmax verbleibt.
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Die 2 zeigt beispielhaft eine Anordnung 500 mit einem mobilen Gerät 100 und drei Referenzstationen 200 1, 200 2, 200 3, wobei das mobile Gerät 100 bei seiner Bewegung entlang einer vorgegebenen oder selbstbestimmten Trajektorie 301 zeitlich nacheinander jede der Referenzstationen 200 1, 200 2, 200 3 passiert. Bei dem mobilen Gerät 100 kann es sich grundsätzlich um jedes mit einer Trägheitsnavigationsfunktion ausgestattetes Gerät handeln, beispielsweise um ein mobiles Trägheitsnavigationsgerät 100, ein mit einer Trägheitsnavigationsfunktion ausgestattetes mobiles Gerät, wie z. B. ein mobile Telefon, Smartphone oder ähnliches, oder um ein mit einer Trägheitsnavigationsfunktion ausgestattetes und in einem mobilen Vehikel installiertes Gerät.
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Das mobile Gerät 100 umfasst wenigstens einen Inertialsensor 104, eine Steuereinrichtung 102 und eine Kommunikationseinrichtung 103. Der Inertialsensor 104 kann dabei sowohl als ein Beschleunigungssensor, welcher lineare Beschleunigungen bzw. Bewegungen des mobilen Geräts 100 vorzugsweise in mehreren Raumrichtungen erfasst, ein Lagesensor, welcher die Drehbewegung des mobilen Geräts 100 um wenigsten eine oder mehrere Raumachsen erfassender Lagesensor oder Raumachse erfasst, oder auch als eine Kombination verschiedener Inertialsensoren ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 102 ermittelt anhand mathematischer Integration der Bewegungsgleichungen aus dem Sensorsignal die aktuelle Bewegung des mobilen Geräts im dreidimensionalen Raum. Mithilfe einer dabei gewonnen Bewegungstrajektorie 301 kann die Steuereinrichtung die relative Position und relative Ausrichtung des mobilen Geräts 100 in Bezug auf einen entlang der zurückgelegten Strecke angeordneten Referenzpunkt 306, 307, 308 ermitteln. Der Referenzpunkt zeichnet sich dabei dadurch aus, dass hier die Position, die Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung des mobilen Geräts 100 möglichst genau bekannt sind. Als Referenzpunkt dient dabei beispielsweise der Anfangspunkt 306 der Bewegungstrajektorie 301 des mobilen Geräts 100.
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Wie in der 2 gezeigt ist, verläuft die Trajektorie 301 des mobilen Geräts 100 in unmittelbarer Nähe der Referenzstationen 200 1, 200 2, 200 3. Bei diesen Referenzstationen 200 1, 200 2, 200 3 handelt es sich vorzugsweise um Kurzstreckensender mit einem jeweils räumlich stark begrenzten Sendebereich 201 1, 200 2, 200 3. Hierfür eignen sich insbesondere auf der RFID-Technologie basierende Sendeeinrichtungen, z. B. sogenannte RFID-Tags (Radio-Frequency-Identification), welche relativ einfach und kostengünstig in Gebäuden installiert werden können. Alternativ dazu können auch andere Nahfunkeinrichtungen, welche z. B. auf NFC (Near-Field-Communication), Bluetooth-Low-Energy, oder ähnliche auf einen räumlich stark begrenzten Bereich beschränkte drahtlose Kommunikationsverfahren basieren, verwendet werden. Grundsätzlich sind hierfür auch optische Datenübertragungsverfahren möglich.
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Allerdings ist eine Begrenzung der Datenübertragung auf einen möglichst kleinen Raumbereich um die jeweilige Referenzstation 200 i wünschenswert, um sicherzustellen, dass der Aufenthaltsort des mobilen Geräts 100 zum Zeitpunkt der Übermittlung der Referenzinformationen möglichst genau determiniert und die Abweichung zwischen der angenommenen Position und der tatsächlichen Position des mobilen Geräts 100 möglichst gering ist.
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In dem in der 2 gezeigten Beispiel befindet sich das mobile Gerät 100 aktuell in dem durch den gestrichelten Kreis angedeuteten begrenzten Empfangsbereich 201 2 der zweiten Referenzstation 200 2. In dieser Situation wird zwischen dem mobilen Gerät 100 und der Referenzstation 200 2 eine drahtlose Kommunikationsverbindung aufgebaut, über welche die Referenzstation 200 2 dem mobilen Gerät 100 bestimmte Referenzinformationen übermittelt. Das mobile Gerät 100 verwendet diese Referenzinformationen anschließend zur Bestimmung von Referenzpunkten, welche zur Korrektur der mittels Trägheitsnavigation ermittelten Größen, wie z. B. seiner Position, seiner Geschwindigkeit und/oder seiner Ausrichtung, dienen. Mit den Referenzinformationen kann dem mobilen Gerät 100 als Referenzinformation beispielsweise die aktuelle Position pos1x,y,z, pos2x,y,z, pos3x,y,z der jeweiligen Referenzstation 200 1, 200 2, 200 3 übermittelt werden. In dem Fall, dass sich das mobile Gerät 100 beim Passieren einer der Referenzstationen 200 1, 200 2, 200 3 in einer durch diese Referenzstation oder durch eine der Referenzstation zugeordnete Einrichtung vorgegebenen Position bzw. Ausrichtung befindet, können als Referenzinformationen auch die vorgegebene Position bzw. Ausrichtung enthalten.
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Um sicherzustellen, dass die von der Referenzstation 200 2 an das mobile Gerät 100 in Form von Referenzinformationen übertragene Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Ausrichtungsinformationen möglichst genau der tatsächlichen Position, Geschwindigkeit bzw. Ausrichtung des mobilen Geräts 100 entsprechen, sollte sich das mobile Gerät 100 zum Zeitpunkt der Datenübertragung in einem möglichst definierten und lokal stark begrenzten Bereich um die Referenzstation 200 2 befinden. Dies wird insbesondere durch die Verwendung einer auf möglichst kurze Distanzen, d. h. je nach Anwendung wenige Zentimeter bis wenige Meter, ausgelegten drahtlosen Datenübertragungsmethode sichergestellt. Ergänzend oder alternativ hierzu kann das mobile Gerät 100 derart eingerichtet sein, dass es die empfangenen Referenzinformationen erst dann empfängt bzw. zur Korrektur seiner mittels Trägheitsnavigation ermittelten Größen verwendet, wenn das empfangene Trägersignal eine Mindestempfangsstärke aufweist, welche auf eine unmittelbare Nähe des mobilen Geräts 100 zu der jeweils sendenden Referenzstation 200 hinweist. Ferner kann auch die Referenzstation 200 derart eingerichtet sein, dass sie erst dann die Referenzinformationen an das mobile Gerät 100 sendet, wenn sie beispielsweise anhand der Sendestärke eines Anfragesignals des mobilen Geräts 100 darauf schließen kann, dass sich das mobile Gerät 100 in unmittelbarer Nähe befindet. In solchen Fällen kann es auch sinnvoll sein, mobile Geräte oder Referenzstationen mit jeweils standardisierter Sendestärke zu verwenden.
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Wie aus der 2 ferner ersichtlich ist, passiert das mobile Gerät 100 auf seiner Trajektorie 301 nacheinander die einzelnen Referenzstationen 200 1, 200 2, 200 3 und empfängt von jeder dieser Referenzstationen entsprechende Referenzinformationen, sobald es sich in unmittelbarer Nähe zu der jeweiligen Referenzstation befindet. Anhand der Referenzinformationen einer oder mehrerer Referenzstationen ermittelt die Steuereinrichtung 102 des mobilen Geräts 100 einen oder mehrere im Bereich der Referenzstationen 200 1, 200 2, 200 3 oder dazwischen liegende Referenzpunkte 307, 308, für welche jeweils die Ortskoordinaten und abhängig von der Anwendung auch die Geschwindigkeit und/oder die Ausrichtung des mobilen Geräts 100 an dem jeweiligen Referenzpunkt genau bekannt sind. Mithilfe dieser Referenzpunkte 307, 308 kann das mobile Gerät 100 eine Korrektur seiner mittels der Trägheitsnavigation ermittelten Position, Geschwindigkeit bzw. räumlichen Ausrichtung vornehmen.
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Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die 3 schematisch die Navigation einer mit einem mobilen Gerät 100 ausgestatteten Person 300 durch ein Gebäude 400 mit einer aus mehreren innerhalb des Gebäudes 400 verteilt angeordneten Referenzstationen 200 1 bis 200 13 bestehenden Infrastruktur 210. Die Referenzstationen 200 1 bis 200 13 sind dabei derart verteilt angeordnet, dass die navigierende Person 300 bei ihrer Bewegung durch das Gebäude 400 mit einer hohen Wahrscheinlichkeit an wenigstens einer Referenzstation vorbeigeht. Im vorliegenden Beispiel bewegt sich die Person 300 ausgehend von ihrem Startpunkt 306, welcher unmittelbar im Bereich einer ersten Referenzstation 200 1 liegt, zu einem zweiten Referenzpunkt 307, welcher im unmittelbaren Bereich einer zweiten Referenzstation 200 2 liegt. Dargestellt sind dabei zwei mögliche Trajektorien 301, 302, welche die Person 300 zurücklegen kann, um vom Referenzpunkt 306 zum Referenzpunkt 307 zu gelangen. Am Anfangspunkt 306 der Trajektorien 301, 302 befindet sich die Person in dem mittels eines gestrichelt gezeichneten Kreises angedeuteten Empfangsbereich 200 1 der ersten Referenzstation 200 1. Zu diesem Zeitpunkt übermittelt die ersten Referenzstation 200 1 Referenzinformationen an das mobile Gerät 100, mit deren Hilfe das mobile Gerät 100 seine aktuelle Position, Geschwindigkeit und/oder Ausrichtung ermittelt bzw. die bereits vorhandenen Informationen korrigieren kann. Während seiner Bewegung entlang der Trajektorie 301 verwendet das mobile Gerät 100 lediglich Trägheitsnavigation zur Bestimmung seiner aktuellen Position, Geschwindigkeit bzw. Ausrichtung. Wie aus der 3 ersichtlich ist, führt die Strecke 301 entlang mehrerer Referenzstationen 200 4 bis 200 7, welche jedoch vom mobilen Gerät 100 nicht zur Navigation verwendet werden, da das mobile Gerät 100 während seiner Bewegung entlang der Trajektorie 301 jedoch nie nahe genug an eine dieser Referenzstationen 200 4 bis 200 7 bzw. nie in einen Sendebereich der jeweiligen Referenzstationen gelangt. Aufgrund der Trägheitsnavigation ergibt sich ein Fehler, der im Falle eines Bewegungssensors quadratisch und im Falle eines Lagesensors sogar kubisch mit der Zeit wächst. Erst beim Erreichen der zweiten Referenzstation 200 2 kann das Mobilgerät 100 nach Erhalt entsprechender Referenzinformationen seine Position, Geschwindigkeit bzw. Ausrichtung korrigieren bzw. das Trägheitsnavigationsverfahren rekalibrieren. Während die von der zweiten Referenzstation 200 2 erhaltene Ortsinformation pos2x,y,z direkt als aktuelle Position des Mobilgeräts 300 bzw. der das Mobilgerät tragenden Person 300 verwendet werden kann, wird zur Korrektur der mittels Trägheitsnavigation ermittelten Geschwindigkeit eine mittlere Geschwindigkeit der zurückgelegten Strecke 301 gebildet. Hierzu wird die Differenz der Ortskoordinaten pos1x,y,z, pos2x,y,z der beiden Referenzstationen 200 1, 200 2 durch die gemessene Zeitdifferenz zwischen dem Erhalt der Referenzinformationen von den beiden Referenzstationen 200 1, 200 2 dividiert. Hieraus ergibt sich eine Durchschnittsgeschwindigkeit der Person 300 auf der Strecke vom Referenzpunkt 306 zum Referenzpunkt 307, welche das Mobilgerät 100 zur Korrektur seiner mittels Trägheitsnavigation gewonnenen Größen bzw. zur Rekalibrierung des Verfahrens verwenden kann.
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In dem Fall, dass sich die Person 300 entlang der zweiten Trajektorie 302 bewegt, kommt sie auf etwa der Hälfte der Strecke einer dritten Referenzstation 200 3 ausreichend nahe, dass das Mobilgerät 100 wenn auch nur für eine relativ kurze Zeit in den Empfangsbereich 201 3 der dritten Referenzstation 200 3 eintritt. Dabei wird sofort eine drahtlose Kommunikationsverbindung aufgebaut und entsprechende Referenzinformationen von der dritten Referenzstation 200 3 zum mobilen Gerät 100 übertragen. Anhand der empfangenen Referenzinformationen kann das Mobilgerät 100 einen neuen Referenzpunkt 309 bestimmen und damit den sich bisher ergebenden Trägheitsnavigationsfehler korrigieren. Durch den zusätzlichen Referenzpunkt 309 kann der Trägheitsnavigationsfehler trotz der im Vergleich zur ersten Bewegungstrajektorie 301 längeren zweiten Bewegungstrajektorie 302 relativ gering gehalten werden.
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Die zur Korrektur bzw. Rekalibrierung des Trägheitsnavigationsverfahrens herangezogenen Referenzpunkte 306, 307, 308, 309 können dabei sowohl im unmittelbaren Bereich einer Referenzstation 200 1, 200 2, 200 3 als auch, wie im Falle des Referenzpunktes 308 in 3 gezeigt ist, zwischen den Referenzstationen 200 1, 200 3 lokalisiert sein. Wichtig dabei ist jeweils, dass die Bewegung und ggf. auch die Ausrichtung des mobilen Geräts 100 an jedem dieser Referenzpunkte möglichst genau determiniert ist.
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Neben der zweidimensionalen Lokalisierung von Personen bzw. Objekten innerhalb von Gebäuden kann es insbesondere beim Wechsel des Stockwerks sinnvoll sein, auch die senkrechte Bewegung mittels Trägheitsnavigation zu erfassen und mittels entsprechender Referenzpunkte periodisch zu korrigieren. Hierzu können beispielsweise entsprechende Referenzstationen im Bereich von Treppen oder Aufzügen angeordnet werden, welche dem Mobilgerät auch das jeweilige Stockwerk bzw. eine entsprechende Höheninformation bereitstellen. Darüber hinaus lässt sich bei stationären Beförderungsvorrichtungen, wie z. B. Aufzügen, Rolltreppen oder Rollbändern, welche die Person 300 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit befördern, diese bekannte Beförderungsgeschwindigkeit dem Mobilgerät über eine Referenzstation als eine Referenzinformation bereitstellen. Hierzu zeigt die 4 beispielhaft eine Rolltreppe 220, welche eine mittels Trägheitsnavigation navigierende Person 300 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit 221 von einem unteren Stockwerk zu einem oberen Stockwerk befördert. Im Eingangsbereich der Rolltreppe ist eine erste Referenzstation 200 1 angeordnet, welche die Person 300 beim Betreten der Rolltreppe 220 passiert. Dabei übermittelt die erste Referenzstation 200 1 dem von der Person 300 mitgeführten mobilen Gerät 100 mit den Referenzinformationen neben den x-y-Koordinaten des Treppeneingangsbereichs 222 auch die z-Koordinate als Höhenangabe des aktuellen Stockwerks. Eine im Ausgangsbereich 223 der Rolltreppe 220 angeordnete zweite Referenzstation 200 2 übermittelt dem mobilen Gerät 100 in dem Fall, dass die Person die Rolltreppe 220 verlässt und dabei die zweite Referenzstation 200 2 passiert, die x-y-z-Koordinaten des Ausgangsbereichs 223. Das Mobilgerät 100 kann beim Empfang der Ortskoordinaten von den Referenzstationen 200 1, 200 jeweils eine Korrektur seiner mittels Trägheitsnavigation ermittelten Position durchführen. Darüber hinaus kann das Mobilgerät 100 durch Bilden einer Differenz zwischen den von den Referenzstationen 200 1, 200 2 erhaltenen Ortsinformationen sowie der Zeit zwischen dem Passieren der beiden Referenzstationen bzw. zwischen dem Empfang der jeweiligen Referenzinformationen seine Durchschnittsgeschwindigkeit auf der Rolltreppe 220 berechnen. Ferner erhält das Mobilgerät 100 aus der Differenz der beiden Referenzpunkte 306, 307 auch die Bewegungsrichtung 310 der Rolltreppe 220 bzw. der auf der Rolltreppe beförderten Person 300.
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Neben den Ortsinformationen kann eine an der Rolltreppe 220 angeordnete Referenzstation 200 1, 200 2 auch die bekannte Beförderungsgeschwindigkeit 221 der Rolltreppe 220 dem an ihr vorbei passierenden mobilen Gerät 100 mitteilen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn nicht zu erwarten ist, dass sich die Beförderungsgeschwindigkeit durch ein Auf- und Absteigen der beförderten Person ändert.
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In ähnlicher Weise können Referenzstationen auch im Eingangs- bzw. Ausgangsbereichs von Rollbändern bzw. Aufzügen installiert werden, da hier die Bewegung der navigierenden Person 300 im Wesentlichen durch das jeweilige Beförderungsmittel bestimmt wird.
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Abgesehen von Beförderungsvorrichtungen, wie Rolltreppen, Aufzügen und Rollbändern können auch Zugangs- oder Durchgangssteuerungsvorrichtungen, wie z. B. Drehkreuze, Schranken, automatisch öffnende Türen, Drehtüren oder Schleusen zur Bestimmung von Referenzpunkten und Rekalibrierung des Trägheitsnavigationsverfahrens herangezogen werden. Die 5 zeigt hierzu eine Navigationssituation, in welcher die navigierende Person 300 ein mit einer Referenzstation 200 ausgestattetes Drehkreuz 230 passiert. Während der Passierens des Drehkreuzes 230 ist sowohl die Position posx,y,z und die Bewegungsrichtung 310 der Person 300 als auch deren Geschwindigkeit vx,y,z durch das Drehkreuz 230 determiniert, da die Person 300 vor dem Drehkreuz 230 entweder kurz anhalten (Geschwindigkeit = Null) oder sich mit einer durch die Drehgeschwindigkeit des Drehkreuzes vorgegebenen Geschwindigkeit vorwärts bewegen muss. Während des Passierens des Drehkreuzes 230 übermittelt die Referenzstation 200 dem Mobilgerät 100 daher Referenzinformationen, welche die Ortskoordinaten posx,y,z des Drehkreuzes 230 sowie die durch das Drehkreuz 230 vorgegebene Bewegungsrichtung 310 und vorgegebene Geschwindigkeit vx,y,z enthalten. Anhand der empfangenen Referenzinformationen kann das Mobilgerät 100 einen im Bereich des Drehkreuzes 230 angeordneten Referenzpunkt 306 bestimmen und diesen zur Korrektur seiner mit Hilfe der Trägheitsnavigation ermittelten Informationen nutzen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von Referenzpunkten bieten beispielsweise Docking-Vorrichtungen, in welche das mobile Gerät 100 aus einem bestimmten Zweck verbracht wird. Eine solche Docking-vorrichtung weist typischerweise eine spezielle Aufnahmeeinrichtung auf, welche das angedockte mobile Gerät in eine definierte Position posx,y,z und Orientierung dx,y,z zwingt. Da die Referenzgeschwindigkeit vx,y,z des mobilen Geräts 100 im angedockten Zustand gleich Null ist, kann eine als Docking-Vorrichtung ausgebildete Referenzstation 200 dem angedockten mobilen Gerät 100 mit der Übertragung der Referenzinformationen neben seiner aktuellen Position posx,y,z und Ausrichtung dx,y,z auch seine aktuelle Geschwindigkeit vx,y,z mitteilen.
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Die Datenübertragung zwischen der Referenzstation 200 und dem mobilen Gerät 100 erfolgt dabei vorzugsweise drahtlos über RFID, Nahfunkverbindung (NFC), eine weitere geeignete Kurzstreckenfunkverbindung oder eine optische Kommunikationsverbindung. In dem Fall, in dem das mobile Gerät 100 ohnehin eine drahtgebundene Schnittstelle zum Andocken an die Docking-vorrichtung 200 verwendet, kann die Übertragung der Referenzinformationen zum mobilen Gerät 100 auch über diese drahtgebundene Schnittstelle erfolgen.
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Bei der Verwendung einer Docking-Vorrichtung als Referenzstation 200 ergeben sich bestimmte praktische Vorteile, da eine solche Docking-Station typischerweise einen zusätzlichen, d. h. nicht mit der Ortsbestimmung verbundenen Zweck aufweist, welcher den jeweiligen Benutzer veranlasst, das mobile Gerät 100 automatisch in die Docking-Station einzufügen. So sind als Referenzstationen 200 beispielsweise ortsfeste Ladestationen 240 verwendbar, welche beispielsweise auf Schreibtischen angeordnet oder an Wänden befestigt das mobile Gerät 100 induktiv oder über entsprechende Ladekontakte aufladen können. Solche Ladestationen können sich beispielsweise am Eingang eines Gebäudes 400 befinden und zur Bevorratung von als Navigationshilfen für Besucher dienenden mobilen Geräten 100 vorgesehen sein.
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Ferner lassen such auch ortsfeste Positionsmeldevorrichtungen, in die das mobile Gerät 100 verbracht wird, um die Position des jeweiligen Benutzers zu registrieren, als Referenzstationen 200 verwenden. Solche Positionsmeldevorrichtungen sind beispielsweise für Sicherheitsdienste bekannt und arbeiten nach dem Prinzip von Stechuhren.
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Die 6 zeigt beispielhaft eine Situation, in welcher das mobile Gerät 100 zum Aufladen in eine als Referenzstation 200 dienende Tischladestation eingesteckt ist. Die auf einem Schreibtisch 250 ortsfest im Gebäude 400 angeordnete Docking- bzw. Ladestation 240 weist eine Aufnahmeeinrichtung 241 auf, in welcher das mobile Gerät 100 in einer genau definierten Weise eingesteckt ist. Hierdurch wird neben der Position posx,y,z und der Ausrichtung dx,y,z des mobilen Geräts 100 auch seine Geschwindigkeit vx,y,z genau definiert.
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Die Kernidee der Erfindung besteht darin, das Verfahren der Trägheitsnavigation durch periodische Rekalibrierung des Verfahrens basierend auf Referenzpunkten, die mittels einer im Gebäude installierten RFID-basierten Infrastruktur ermittelt werden, so weit zu verbessern, dass der im Rahmen der Trägheitsnavigation durch die Integration der Bewegungsgleichungen entstehende Fehler unterhalb einer bestimmten Schwelle bleibt und ein schrankenloses Fehlerwachstum folglich vermieden wird. Ein Referenzpunkt umfasst dabei eine Referenzposition (innerhalb eines Koordinatensystems), eine Geschwindigkeit (in allen drei Dimensionen) und ggf. eine Ausrichtung (in den Dimensionen des Koordinatensystem), welche insbesondere im Fall eines Anhaltens und einer sich daraus ergebenden Referenzgeschwindigkeit mit Betrag 0 besonders einfach ermittelt werden kann.
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Gegenstand der Erfindung sind ferner verschiedene Verfahren zur Bestimmung der benötigten Referenzpunkte. Die Referenzpunktbestimmung erfordert die Anbringung einfacher, als ortsfeste Referenzstationen dienenden Vorrichtungen im Gebäude sowie die Möglichkeit, drahtlos Daten von diesen Referenzstationen an das mit der Trägheitsnavigationseinrichtung ausgestattete mobile Gerät zu übermitteln. Da die Referenzstationen lediglich eine Referenzposition, eine Referenzgeschwindigkeit und ggf. auch eine Referenzausrichtung an das mobile Gerät übermitteln, können sie besonders einfach aufgebaut werden, so dass die Komplexität dieser Vorrichtungen bzw. der damit realisierten Infrastruktur wesentlich geringer als beispielsweise die Installation und Konfiguration einer Infrastruktur für das WLAN-Fingerprinting ist. Die Referenzstationen können mit passiven RFID-Tags, aktiven RFID-Sendeeinrichtungen, Nahfunkeinrichtungen (NFC), Bluetooth-Low-Energy und ähnlichen Kurzstreckenfunkstandards ausgestattet sein, um dem mobilen Gerät in einem räumlich eng begrenzten Bereich Ortsinformationen zur Verfügung stellen zu können. Das mobile Gerät muss im Gegenzug mit einer entsprechenden Empfangseinrichtung, wie z. B. einer RFID-Lesevorrichtung oder einem Nahfunkempfänger, ausgestattet sein.
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Eine entsprechende Infrastruktur von der Referenzstation lässt sich grundsätzlich auf verschiedene Weise innerhalb eines Gebäudes realisieren, wobei die Referenzstationen vorzugsweise derart strategisch günstig innerhalb des Gebäudes verteilt angeordnet werden, dass eine im Gebäude navigierende Person eine oder mehrere dieser Referenzstationen in einem ausreichend geringen Abstand passiert. So können die Referenzstationen beispielsweise an Ein- und Ausgängen, entlang von Passagen oder stationären Beförderungsvorrichtungen, wie z. B. Rolltreppen oder Rollbändern, oder stationären Zugangs- bzw. Durchgangssteuerungsvorrichtungen, wie z. B. Drehkreuzen, Schranken, Doppeltüren o. ä. angeordnet werden.
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Wenn das Gebäude eine Passage, wie z. B. ein Flur, aufweist, welche die mögliche Bewegungsrichtung deutlich beschränkt, können beispielsweise zwei mit Ortsinformationen versehende RFID-Tags 200, in einem gewissen Abstand voneinander installiert werden. Dieser Abstand sollte so beschaffen sein, dass das mobile Gerät 100 bei entsprechend eingestellter Sendestärke seines RFID-Scanners bzw. seiner RFID-Leseeinrichtung 103 in der Lage ist, die beiden RFID-Tags 200 i in der Reihenfolge, in welcher sie im Rahmen der Bewegung entlang der Passage passiert werden, nacheinander, also nicht gleichzeitig, zu detektieren. Auf diese Weise kann das mobile Gerät nicht nur die Orte der RFID-Tags 200 i bestimmen, sondern außerdem die Bewegungsrichtung sowie nach entsprechender Berechnung des Abstands der Tags 200 i und Messung der Zeit zwischen der Detektion der beiden Tags auch die Durchschnittsgeschwindigkeit der zurückgelegten Strecke. Mit Hilfe dieser Informationen kann das mobile Gerät 100 einen zwischen den beiden RFID-Tags 200 i liegenden Referenzpunkt 306, 307, 308, 309 bestimmen, für den sowohl die Orts- als auch die Geschwindigkeitskoordinaten bekannt sind. Zur Realisierung von Referenzstationen 200 i können verschiedene Datenübertragungsverfahren verwendet werden, vorausgesetzt, dass sich mit Hilfe dieser Datenübertragungsverfahren eine lediglich auf einen räumlich stark begrenzten Bereich beschränkte Kommunikationsverbindung realisieren lässt. In diesem Zusammenhang bietet beispielsweise die RFID-Technologie besondere Vorteile, da sich eine entsprechende RFID-Infrastruktur mittels besonders einfacher passiver RFID-Tag bzw. Aufkleber realisieren lässt. Das hier beschriebene erfinderische Konzept sieht die Verwendung von Referenzpunkten zur Rekalibrierung des Trägheitsnavigationsverfahrens vor, ohne dass hierzu komplexe Ortsbestimmungsverfahren oder aufwendige Infrastruktur notwendig wären. Vielmehr werden Gegebenheiten des Gebäudes auf geschickte Weise genutzt, um Position, Bewegungsrichtung und räumliche Orientierung einer mit einem mobilen Gerät ausgestatteten Person bzw. eines mit einem mobilen Gerät ausgestatteten Objekts auf einfache Weise zu bestimmen. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist es daher möglich, das Trägheitsnavigationsverfahren innerhalb von Gebäuden über längere Zeit und größere Entfernungen einzusetzen, da das Anwachsen des Fehlers des Trägheitsnavigationsverfahrens durch periodische bzw. wiederholte Rekalibrierung beschränkt wird.
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Neben den hier genannten drahtlosen oder optischen Datenübertragungsverfahren kommt zur Realisierung der Infrastruktur grundsätzlich jede andere geeignete drahtlose Datenübertragungstechnologie in Frage. Um die Position des navigierenden Objekts möglichst genau bestimmen zu können, werden jedoch insbesondere Funktechnologien mit relativ kurzer Reichweite, von beispielsweise wenigen Zentimetern bis wenigen Metern vorgesehen. Die maximale Reichweite von passiven RFID-Tags mit Langwellen-Frequenzen beträgt beispielsweise ca. 0,5 Meter. Mit Kurzwellenfrequenzen lassen sich hingegen Reichweiten von ca. 3 bis 6 Meter realisieren. Insbesondere bei Funktechnologien mit Reichweiten von mehreren Metern, lässt sich die Positionsbestimmung dadurch verbessern, dass die Referenzinformationen erst ab einer vorgegebenen Empfangstärke des Trägersignals vom mobilen Gerät 100 empfangen bzw. verarbeitet werden. Alternativ die Referenzstation die Referenzinformationen erst ab einer vorgegebenen Empfangstärke eines Anfragesignals des mobilen Geräts senden.
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Unter dem hier verwendeten Begriff ”Passieren” wird sowohl ein Vorbeigehen bzw. Vorbeifahren ohne anzuhalten als auch ein Vorbeigehen bzw. Vorbeifahren mit einem Zwischenstopp verstanden. Bei dem Zwischenstopp kann es sich dabei sowohl um ein intendiertes oder aufgezwungenes kurzfristiges Anhalten als auch um ein längerfristiges Verweilen, wie z. B. beim Aufladen des mobilen Geräts in einer Ladestation, handeln.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
