DE102016011772A1

DE102016011772A1 - Lokalisierungsverfahren, zugehörige Vorrichtung und Verwendung einer Software

Info

Publication number: DE102016011772A1
Application number: DE102016011772.9A
Authority: DE
Inventors: Joan Bordoy Andreu; Fabian Höflinger; Johannes Wendeberg
Original assignee: Telocate GmbH; Pyramid Computer GmbH
Current assignee: Telocate GmbH; Pyramid Computer GmbH
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05
Also published as: WO2018065087A1

Abstract

Bei einem Lokalisierungsverfahren zur Bestimmung der Ortsposition eines mobilen Senders (1) relativ zu mindestens einem stationären Empfänger (2), insbesondere innerhalb eines Gebäudes, wird zur Erhöhung der Genauigkeit in der Ortsbestimmung vorgeschlagen, von dem mindestens einen Empfänger (2) empfangene akustische Signale (4), die von an Objekten reflektierten Schallwellen (3) erzeugt wurden, für die Berechnung der Ortsposition des Senders (1) zu nutzen. Durch diesen Ansatz kann insbesondere die Robustheit in der Lokalisierung des Senders (1) in Situationen erhöht werden, in denen keine oder eine nur unzureichende Anzahl an direkten line-of-sight Verbindungen (7) zwischen dem Sender (1) und zur Positionsbestimmung genutzten stationären Empfängern (2) bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens einem stationären Empfänger, wobei der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei der mindestens eine stationäre Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfängt, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei der mindestens eine Empfänger Zeitstempel generiert, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, wobei der mindestens eine Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit überträgt und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders, sowie die Verwendung einer Software auf einem tragbaren elektronischen Gerät zur Anwendung eines Lokalisierungsverfahrens.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl an Verfahren bekannt, mit denen Personen oder sonstige bewegliche Objekte innerhalb von Gebäuden lokalisiert werden können. Satellitenunterstützte Lokalisierungssysteme, wie das weltweit am häufigsten genutzte global positioning system (GPS), funktionieren in der Regel innerhalb von Gebäuden wegen der fehlender Verbindung zu den Satelliten nicht. Daher nutzen Verfahren zur Innenraumlokalisierung häufig stationär innerhalb eines Gebäudes installierte Sender oder Empfänger. Diese Sender oder Empfänger kommunizieren häufig über elektromagnetische Wellen mit einem zu lokalisierenden Sender oder Gerät, das von einer Person getragen wird oder welches beispielsweise an einem beweglichen Objekt befestigt ist.
Eine weitere Klasse von Innenraumlokalisierungssystemen nutzt Schallwellen zur Lokalisierung von beweglichen Zielen. Beispielsweise sind Systeme bekannt, bei denen stationär installierte Sender permanent für den Menschen unhörbare Ultraschallwellen aussenden, die von einem mobilen Empfänger detektiert werden. Die Position des Empfängers relativ zu den Sendern wird dabei durch Ausmessen der Distanzen zwischen den einzelnen Sendern und dem mobilen Empfänger mittels TOF (time of flight) Messungen bestimmt. Hierzu müssen jedoch die Sender mit dem Empfänger synchronisiert sein, was typischerweise den Austausch eines zusätzlichen elektromagnetischen RF-Signals zwischen Empfänger und mindestens einem der Sender erfordert und somit die Komplexität des Systems sowie die Anforderungen an den mobilen Empfänger signifikant erhöht.
Ein dazu konträrer Ansatz sieht vor, das mobile Ziel, beispielsweise ein tragbares elektronisches Gerät, mit einem Ultraschallsender auszustatten und stationär installierte Empfänger zu verwenden, die akustische Signale detektieren, die durch vom Sender ausgesandte Schallwellen hervorgerufen werden. Von großem Vorteil bei diesem Ansatz ist, dass eine Lokalisierung des Geräts ausschließlich auf Basis von Schallwellen erfolgen kann, sodass auf den Austausch von elektromagnetischen Wellen verzichtet werden kann.
Beispielsweise ist es für eine Positionierung ausreichend, die stationär installierten Empfänger miteinander zu synchronisieren und die Empfangszeitpunkte der akustischen Signale in den Empfängern zu detektieren. Die Bestimmung der Position des Senders kann in diesem Fall mittels eines time-difference-of-arrival (TDOA) Ansatzes erfolgen, bei dem bei bekannter Position der Empfänger bereits aus den Unterschieden in den Empfangszeitpunkten der Signale in den Empfängern die Position des Senders errechnet werden kann. Hierzu ist es insbesondere nicht notwendig, den genauen Zeitpunkt der Aussendung der Schallwellen vom Sender zu kennen, wie es für eine direkte TOF-Messung erforderlich ist.
Ein wesentlicher Nachteil des TDOA-Ansatzes mit stationären Empfängern und einem mobilen Sender besteht in der hohen Anzahl an Empfängern, die in einem Gebäude installiert werden müssen: Um mit dieser Technologie beispielsweise die 2D-Position eines mobilen Senders innerhalb eines Raums des Gebäudes lokalisieren zu können, müssen mindestens drei stationäre Empfänger vorhanden sein, zu denen eine direkte Sichtlinie, eine sogenannte line-of-sight (LOS), besteht, sodass Schallsignale vom Sender auf direktem Wege zu jedem der drei Empfänger gelangen können. Da Objekte im Raum eine LOS-Verbindung zwischen dem Sender und einem der Empfänger verdecken können, müssen die Empfänger in der Praxis häufig redundant ausgelegt werden, wodurch sich die notwendige Anzahl an Empfängern für ein robustes System weiter erhöht.
Eine weitere Herausforderung in diesen Systemen besteht darin, für die Lokalisierung nutzbare LOS-Signale von nicht nutzbaren none-line-of-sight(NLOS)-Signalen zu unterscheiden. Unter einem NLOS-Signal kann hier ein akustisches Signal verstanden werden, das von reflektierten Schallwellen erzeugt wird. Bei einem NLOS-Signal gelangen die das Signal im Empfänger verursachenden Schallwellen somit auf indirektem Wege zum Empfänger. Daher ist der von der Schallwelle zurückgelegte Weg bei einem NLOS-Signal länger als die direkte Distanz zwischen Sender und Empfänger, die dem Signalweg eines zugehörigen LOS-Signals entspricht.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein einzelner Empfänger, der insbesondere den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets nicht kennt, die von dem Schallwellenpaket hervorgerufenen NLOS- und LOS-Signalen nicht voneinander zu unterscheiden vermag. Jedoch sind im Stand der Technik einige Ansätze bekannt, die eine Unterscheidung zwischen LOS- und NLOS-Signalen ermöglichen, beispielsweise mittels Kalman-Filtern, mittels Überbestimmung des Systems in Verbindung mit einem RANSAC Algorithmus oder mittels probabilistischer Modellierung.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Lokalisierungsverfahren, dass den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, sieht vor, dass eine Vielzahl an Empfängern stationär installiert werden, um akustische Signale eines Senders zu empfangen. Der Sender sendet dabei Schallwellenpakete aus, wobei jedes dieser Schallwellenpakete einen einheitlichen Identifikator transportiert. Einheitlich kann hier so verstanden werden, dass unterschiedliche Schallwellenpakete des Senders stets ein und denselben Identifikator transportieren.
Der Transport des Identifikators kann technisch beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Sender in jedes der Schallwellenpakete den Identifikator kodiert. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von aus dem Stand der Technik bekannten Frequenzmodulationsverfahren geschehen. Das Verwenden des Identifikators ermöglicht es unter anderem, dass mehrere Sender mit einem Satz an stationären Empfängern lokalisiert werden können, da akustische Signale von verschiedenen Sendern anhand eines jeweiligen Identifikators voneinander unterschieden werden können.
Zur Lokalisierung des Senders detektiert jeder der stationären Empfänger fortlaufend akustische Signale, die von von dem Sender ausgesandten Schallwellenpaketen hervorgerufen werden. Weiter wird jedem der empfangenen Signale der Identifikator entnommen. Hierzu kann beispielsweise jeder der Empfänger über eine Dekodiervorrichtung verfügen, um aus den Signalen den Identifikator zu entnehmen. Anschließend überträgt der einzelne Empfänger den Identifikator an eine Berechnungseinheit. Alternativ kann der Identifikator gemeinsam mit dem empfangenen Signal an eine nachgelagerte Einheit, beispielsweise eine Berechnungseinheit, übertragen werden, wobei die nachgelagerte Einheit den Signalen den Identifikator entnimmt.
Sobald ein akustisches Signal von einem der Empfänger detektiert wird, generiert dieser einen Zeitstempel, der den jeweiligen Empfangszeitpunkt des akustischen Signals in dem Empfänger wiedergibt. Diese Art von Zeitstempel kann somit als Empfangszeitstempel bezeichnet werden, in Abgrenzung zu Aussendezeitstempeln, die den Zeitpunkt der Aussendung eines akustischen Signals wiedergeben.
Damit eine Berechnungseinheit schließlich aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnen kann, beispielsweise mit Hilfe eines TDOA-Ansatzes wie oben erläutert, müssen die Empfänger lediglich die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an die Berechnungseinheit übertragen, was entweder drahtlos oder drahtgebunden erfolgen kann.
Dieses System ist beispielsweise hervorragend dafür geeignet, um mit Hilfe eines smart phones in einem Gebäude zu navigieren, denn die Lautsprecher gängiger smart phones sind in der Lage als erfindungsgemäßer Sender zu dienen und Schalwellen mit Frequenzen im Bereich von 18–21 kHz auszusenden.
Ein Nachteil dieses System besteht darin, dass eine 2D-Lokalisierung zusammenbricht, sobald weniger als drei LOS-Verbindungen zu Empfängern bestehen. Soll eine 3D-Position bestimmt werden, müssen sogar vier LOS-Verbindungen zu Empfängern bestehen. In NLOS-Situationen, also dann wenn nicht genügend LOS-Verbindungen zu Empfängern bestehen, jedoch NLOS Signale von den Empfängern empfangen werden, ist eine Lokalisierung folglich nicht möglich.
Ein weiterer für die Erfindung relevanter Aspekt ist die Tatsache, dass in vielen Anwendungen von Lokalisierungsverfahren Empfänger an einer Decke eines Raums stationär installiert werden, typischerweise in annähernd gleicher Höhe, oftmals um die Detektion von Echos zu verhindern. Eine derartige, in der Anwendung bevorzugte Anordnung der Empfänger hat jedoch den Nachteil, dass die Genauigkeit und Auflösung in der Bestimmung der z-Koordinate des Senders im Vergleich zu denen der x- und y-Koordinaten reduziert ist. Die Ursache für dieses Problem, welches auch unter dem Begriff „dilution of precision” bekannt ist, liegt darin, dass bei einer solchen Anordnung die z-Koordinaten der Empfänger, im Vergleich zu ihren x-/y-Koordinaten, weniger vielfältig sind. Daher gibt es im Stand der Technik insbesondere Ansätze, die Empfänger in unterschiedlichen Höhen anzuordnen, um die Genauigkeit in der Bestimmung der z-Koordinate des Senders zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lokalisierungsverfahren der eingangs genannten Art, die Genauigkeit in der Ortsbestimmung eines Senders relativ zu den stationär installierten Empfängern zu erhöhen. Hierbei soll insbesondere die Genauigkeit in der Bestimmung der z-Koordinate des Senders verbessert werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, mit einer möglichst geringen Anzahl an Empfängern eine zuverlässige Lokalisierung des Senders zu ermöglichen. Schließlich soll ein Lokalisierungsverfahren mit stationären Empfängern bereitgestellt werden, welches auch in NLOS-Situationen robust funktioniert.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Lokalisierungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens einem stationären Empfänger, wie eingangs beschrieben, vorgeschlagen, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben.
Somit können erfindungsgemäß zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von, insbesondere ein- oder mehrmalig, reflektierten akustischen Signalen wiedergeben. Das „Nutzen von Zeitstempeln, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben” kann hier insbesondere so verstanden werden, dass die Berechnungseinheit derartige Zeitstempel nicht nur lediglich verarbeitet, sondern dass derartige Zeitstempel direkt in die Berechnung der aktuellen Position des Senders einfließen und somit die errechnete Position direkt beeinflussen.
Bei Verwendung mehrere stationärer Empfänger ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn diese miteinander synchronisiert sind. Bei Vorliegen eines einzigen Senders, kann erfindungsgemäß auf die Verwendung des Identifikators verzichtet werden, wodurch die Komplexität des Verfahrens in vorteilhafter Weise reduziert werden kann.
Die Anwendung eines Lokalisierungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Verfahren, eine höhere Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders erreicht werden kann, da zusätzlich zu LOS-Signalen auch NLOS-Signale zur Ortsbestimmung genutzt werden. Wie noch genauer anhand der Figuren zu erläutern sein wird, kann jedem NLOS-Signal „ein virtueller Empfänger” zugeordnet werden, der auf einer Achse liegt, die der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Signals beim Aussenden vom Sender entspricht. Somit verbessert die Ausnutzung einer erhöhten Anzahl aus realen und virtuellen Empfängern die Genauigkeit in der Ortsbestimmung, da mehr Daten für die Berechnung der Ortsposition des Senders berücksichtigt werden können.
Insbesondere wird damit im Unterschied zu im Stand der Technik bekannten Verfahren eine Ortsbestimmung auch in solchen Situationen möglich, in denen keine LOS-Verbindung zu einem der Empfänger besteht.
Wird lediglich eine 2D-Position des Senders benötigt, so liefert das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren bereits mit einem einzelnen stationärer Empfänger verlässliche Positionsdaten des Empfängers.
Eine wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lokalisierungsverfahren mit stationären Empfängern liegt somit darin, dass bei gleicher Anzahl an Empfängern die Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders signifikant verbessert werden kann beziehungsweise dass eine vergleichbare Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders mit einer geringeren Anzahl an Empfängern erreicht werden kann. Damit kann insbesondere die Redundanz an Empfängern reduziert werden, was in vielen Anwendungen einen großen wirtschaftlichen Vorteil darstellt, aufgrund des verringerten Installationsaufwands.
Bei der Verwendung von reflektierten Signalen zur Ortsbestimmung steigt die Komplexität der von der Recheneinheit angewandten Algorithmik stark an. Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass es im Stand der Technik Hardware gibt, die genügend Rechenleistung bietet, um die notwendigen Rechenoperationen in Echtzeit auszuführen und dass sich die Erfindung insbesondere mit eingebetteten Systemen umsetzen lässt.
Zur Nutzung von NLOS-Signalen zur Ortsbestimmung eines Senders mit Hilfe eines der oben und im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit durch zufällige Selektion von Zeitstempeln Tupel generiert. Hierbei ist es für eine 2D Bestimmung ausreichend, wenn Tupel aus mindestens drei Zeitstempeln generiert werden; für eine 3D-Positionsbestimmung ist es entsprechend ausreichend, wenn Tupel aus jeweils mindestens vier Zeitstempeln generiert werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass durch Anwendung einer hinterlegten Berechnungsvorschrift auf ein jeweiliges dieser Tupel Schätzwerte eines Aussendezeitpunkts t0 eines Schallwellenpakets errechnet werden. Anschließend können aus den errechneten Schätzwerten anhand eines statistischen Schätzers t0* für den Aussendezeitpunkt t0 Klassen gebildet werden, wobei der statistische Schätzer fortlaufend aus Schätzwerten t0 der meistbevölkerten Klasse errechnet wird. Die aktuelle Position des Senders kann dann beispielsweise aus dem aktuellen statistischen Schätzer t0*, einer Selektion von n Zeitstempeln, die beispielsweise der aktuell meistbevölkerten Klasse entsprechen können, sowie aus Ortspositionen der Empfänger errechnet werden. Die Bildung von Tupeln als auch die in diesem Abschnitt beschriebenen Rechenoperationen können in vorteilhafter Weise direkt von der Berechnungseinheit ausgeführt werden. Dabei kann für den statistischen Schätzer t0* beispielsweise ein Median-Wert einer meistbevölkerten Klasse verwendet werden.
Damit ist eine konkrete Ausgestaltung des hier diskutierten erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Für die Erhöhung der Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders kann es ferner vorteilhaft sein, wenn einzelne der Tupel, aus denen Schätzwerte t0 zur Bestimmung des statistischen Schätzers t₀* gewonnen werden, mindestens einen Zeitstempel aufweisen, der aus einem NLOS-Signal generiert wurde. Hierbei kann das NLOS-Signal insbesondere durch Reflektion eines Schallwellenpakets am Boden, an einer Wand oder an einem sonstigen Objekt hervorgerufen worden sein.
Um die für die Lokalisierung des Senders notwendige Rechenkapazität zu begrenzen kann es vorteilhaft sein, wenn die Berechnungsvorschrift eine quadratische Gleichung ist. Hierbei kann die Berechnungsvorschrift beispielsweise auf die Annahme gestützt werden, dass alle Empfänger in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei diese gemeinsame Ebene insbesondere parallel zu einem Boden unterhalb der Empfänger verlaufen kann. Erfindungsgemäß können aber auch Empfängeranordnungen verwendet und/oder berücksichtigt werden, bei denen die Empfänger beispielsweise in einer vertikal verlaufenden gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Solchen Anordnungen ist gemeinsam, dass sie eine besonders effiziente Ausnutzung von NLOS-Signalen für die Berechnung der Ortsposition des Senders erlauben.
Ferner kann der Rechenaufwand weiter reduziert werden, wenn beispielsweise höchstens drei Zeitstempel oder höchstens vier Zeitstempel von der Berechnungsvorschrift berücksichtigt werden. Denn eine solche Vorgehensweise ist bereits ausreichend, um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine 2D beziehungsweise 3D-Lokalisierung des Senders zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Verfahren so ausgelegt werden, dass ein einzelnes der Tupel, welches zur Errechnung der Ortsposition des Senders verwendet wird, höchstens drei, vorzugsweise höchstens vier, Zeitstempel aufweist.
Im Unterschied zu im Stand der Technik bekannten Verfahren können bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur 2D Lokalisierung des Senders, auch solche Tupel verwendet werden, die Zeitstempel von nur einem einzigen stationären Empfänger aufweisen; für eine 3D Lokalisierung des Senders können Tupel verwendet werden, die Zeitstempel von weniger als drei stationären Empfängern, also insbesondere Zeitstempel von nur zwei Empfängern oder nur von einem einzigen Empfänger, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren kann insbesondere in solchen Situationen angewendet werden, in denen der Sender Teil eines mobilen Objekts ist. Der Sender kann beispielsweise in Form eines Clips vorliegen, der an einem beweglichen Gegenstand befestigt werden kann und der lediglich über eine Energieversorgung verfügt, um das Aussenden der Schallwellen zu ermöglichen.
Insbesondere kann der Sender erfindungsgemäß Teil eines tragbaren elektronischen Geräts sein. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Berechnungseinheit die errechnete Position des Senders, insbesondere drahtlos, an das Gerät kommuniziert. Ferner kann in diesem Fall vorgesehen sein, dass das Gerät digitale Daten, insbesondere den Identifikator, in die Schallwellenpakete kodiert, vorzugsweise mittels eine Frequenzverfahrens und/oder dass die Empfänger aus empfangenen akustischen Signalen kodierte digitale Daten entnehmen und dekodieren. Da die relative Position zwischen Sender und dem tragbaren elektronischen Gerät oder etwa einen mobilen Objekt, an welchem der Sender befestigt ist, in der Regel bekannt ist, lässt sich somit aus der Position des Senders präzise, oder zumindest näherungsweise, auf die Position des elektronischen Geräts oder des mobilen Objekts rückschließen.
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit Teil des Geräts ist. In diesem Fall kann die Ortsbestimmung somit von dem Gerät selbst ausgeführt werden. Hierbei können insbesondere der mindestens eine Empfänger beziehungsweise die mindestens zwei stationären Empfänger die Zeitstempel, den zugehörigen Identifikator und/oder eine jeweilige eindeutige Empfängerkennung drahtlos an das Gerät übertragen.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe durch weitere vorteilhafte Ausführungen, wie in den Unteransprüchen beschrieben, gelöst werden.
Werden beispielsweise mehrere Empfänger, insbesondere mindestens zwei Empfänger, verwendet, so kann in diesem Fall jeder der Empfänger bei Eingang von akustischen Signalen entsprechende Zeitstempel generieren und diese Zeitstempel als auch den Identifikator an die Berechnungseinheit übertragen. Damit ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens zwei stationären Empfängern definiert bei dem, der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei die mindestens zwei stationären Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfangen, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei die mindestens zwei Empfänger Zeitstempel generieren, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, wobei die mindestens zwei Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit übertragen und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet, und wobei erfindungsgemäß zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben.
Von Vorteil ist bei einem derartigen Verfahren, dass bereits mit lediglich zwei stationären Empfängern eine zuverlässige 3D-Lokalisierung des Senders möglich ist, selbst dann, wenn ausschließlich NLOS-Signale von den beiden Empfängern empfangen werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Empfänger oder die mindestens zwei Empfänger eine jeweilige eindeutige Empfängerkennung an eine Berechnungseinheit übertragen, insbesondere zusammen mit jedem übertragenen Zeitstempel. Durch eine derartige Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass die Berechnungseinheit empfangene Zeitstempel den einzelnen Empfängern zuordnen kann, wodurch insbesondere die Zeitstempel von mehreren Empfängern zur Berechnung der Ortsposition des Senders ausgenutzt werden können. Alternativ kann die Empfängerkennung aber auch aus Messdaten geschätzt werden.
Ferner kann erfindungsgemäß zur Berechnung der aktuellen Position des Senders mindestens eine Ortsposition eines Empfängers verwendet werden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht die Bestimmung der absoluten Position des Senders, beispielsweise innerhalb eines Raums.
Erfindungsgemäß ist es für einen geringen Rechenaufwand vorteilhaft, wenn die Berechnung der Ortsposition des Senders auf eine Annahme über eine Lage einer Reflexionsebene gestützt wird. Beispielsweise kann die Berechnung so durchgeführt werden und/oder die Berechnungseinheit so programmiert sein, dass eine bestimmte Höhe des Senders über einem Boden angenommen wird, der als Reflexionsfläche dient. Die Annahme über die Höhe des Senders kann beispielsweise durch eine Schätzung gewonnen werden, die von der Berechnungseinheit während der Lokalisierung des Senders bereitgestellt wird. Ferner kann die Lage mehrerer Reflexionsebenen zueinander, beispielsweise deren Winkel zueinander, bei der Berechnung der Ortsposition des Senders berücksichtigt werden. Die Berechnung kann auch auf die Annahme gestützt werden, dass sich der Sender und die Empfänger in einem quaderförmigen Raum, insbesondere mit rechtwinkligen Wänden, befindet/befinden.
Zusammenfassend kann die Annahme somit die relative oder absolute Lage einer Reflexionsebene in Bezug auf den Sender und/oder in Bezug auf mindestens einen der Empfänger und/oder in Bezug auf eine weitere Reflexionsebene betreffen. Somit kann erfindungsgemäß insbesondere die relative Position mindestens eines Empfängers zu einer oder der Reflexionsebene bei der Berechnung berücksichtigt werden. Alle diese Annahmen können erfindungsgemäß sowohl auf bekannten Informationen oder auf Schätzung gewonnen Informationen beruhen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Ortsposition eines Empfängers von der Berechnungseinheit geschätzt wird. Erfindungsgemäß kann diese Schätzung mittels eines initialen Kalibrierverfahrens erfolgen. Von Vorteil ist hierbei, dass der Aufwand bei der Installation der Empfänger gering gehalten werden kann, da die genauen Ortspositionen der Empfänger nicht aufwendig bestimmt werden müssen. Vielmehr kann bei jeder erneuten Anwendung des Lokalisierungsverfahrens, die Berechnungseinheit eine initiale Kalibrierung vornehmen, während derer die Ortspositionen durch Schätzung gewonnen werden.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn zur Schätzung der Ortsposition eines Empfängers ein TDOA Algorithmus angewendet wird. Denn dieser erfordert insbesondere keine Synchronisation zwischen dem Sender und dem/den Empfänger(n).
Ferner können für die Schätzung der Ortsposition des Empfängers während eines initialen Kalibrierverfahrens Zeitstempel verwendet werden, die von NLOS-Signalen generiert worden sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Senders Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von an einem Boden reflektierten akustischen Signalen wiedergeben. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die mindestens zwei Empfänger in gleicher Höhe über dem Boden stationär installiert werden, der für die akustischen Signale als Reflexionsebene dient. „Gleiche Höhe” kann hier insbesondere so verstanden werden, dass die Empfänger in Höhen über dem Boden angeordnet werden, die sich im Rahmen der Messgenauigkeit des Verfahrens nicht voneinander unterscheiden lassen. Dieser Ansatz ermöglicht eine besonders einfache technische Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da für die Berechnung der Ortsposition eine einfache quadratische Gleichung verwendet werden kann, wie zuvor bereits beschrieben. Damit kann der Rechenaufwand für die Lokalisierung des Senders gering gehalten werden kann, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf einem tragbaren elektronischen Gerät mit begrenzter Rechenkapazität, wie beispielsweise einem smart phone, ausgeführt werden soll.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, lässt sich die Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders weiter steigern, indem die Berechnungseinheit die aktuelle Position des Senders mittels eines Optimierungsalgorithmus errechnet. Der Optimierungsalgorithmus kann hierbei beispielsweise n Zeitstempel berücksichtigen, die in einem vorhergehenden Verfahrensschritt selektiert wurden, beispielsweise, wie bereits oben beschrieben, mit Hilfe einer anfänglich zufälligen Selektion und weiterer Filterung mit Hilfe eines statistischen Schätzers t₀* für den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets. Dabei kann für jedes dieser selektierten Zeitstempel, die jeweils von einem Empfänger geniert worden sind, ein Restfehler berechnet werden und von dem Optimierungsalgorithmus berücksichtigt werden. Der Restfehler kann hierbei insbesondere als eine Differenz zwischen einer aus errechneten und/oder bekannten Raumpositionen bestimmten Sender-Empfänger-Entfernung und einer aus einer TOF-basierten Schätzung der Sender-Empfänger-Entfernung definiert sein. Für die TOF-Schätzung kann hierbei auf einen aktuellen Schätzwert t₀* für den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets zurückgegriffen werden.
Es wurde bereits erläutert, dass es erfindungsgemäß bevorzugt sein kann, die Empfänger in einer gemeinsamen Ebene über einem Boden anzuordnen, denn in diesem Fall kann die Lage des Bodens relativ zu den Empfängern bei der Berechnung der Ortsposition des Senders berücksichtigt werden, wobei der Boden für einige der für die Ortsbestimmung genutzten Signale als Reflexionsebene dient. Analog zu diesem Ansatz kann erfindungsgemäß zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders vorgesehen sein, dass zur Errechnung der aktuellen Position des Senders Positionen von Reflexionsebenen oder Schätzungen von Positionen von Reflexionsebenen berücksichtigt werden, insbesondere durch die Berechnungseinheit. Somit können beispielsweise Informationen über die Lage von Wänden eines Raumes, welche vom Sender ausgesandte Schallwellen reflektieren, bei der Berechnung der Ortsposition berücksichtigt werden und somit diese verbessern.
Die bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren können bevorzugt mittels eines TDOA-Algorithmus implementiert werden. Sie sind jedoch nicht auf diesen Ansatz beschränkt. Vielmehr kann beispielsweise die Berechnungseinheit die Position des Senders mittels eines time-difference-of-arrival (TDoA) Algorithmus und/oder mittels eines time-of-flight (TOF) Algorithmus errechnen. Hierzu kann eine zusätzliche Synchronisierung zwischen Sender und dem mindestens einen Empfänger vorgesehen sein. Damit sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung benannt, mit denen eine verbesserte Robustheit und/oder Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schallwellenpakete mit einer gleichbleibenden Zeitdauer und/oder in gleichbleibenden Zeitabständen von dem Sender ausgesendet werden. Von Vorteil ist dabei, dass bei bekannter Intervalllänge eines Schallwellenpakets und damit der von ihm erzeugten akustischen Signale die Robustheit der Lokalisierung weiter erhöht werden kann, da zur Berechnung der aktuellen Position des Senders auch solche Zeitstempel genutzt werden können, die in unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder ausgehend von verschiedenen Senderpositionen vom Sender ausgesandt wurden. Insbesondere ermöglicht dieser Ansatz somit die Ausnutzung von Zeitstempeln zur Positionsbestimmung, die von unterschiedlichen Schallwellenpaketen herrühren, wodurch sich die Genauigkeit in der Bestimmung der Ortsposition des Senders weiter verbessern lässt. Ferner können diese Zeitstempel damit beispielsweise zur Bestimmung eines statistischen Schätzers t₀* für den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets verwenden werden.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders mittels von dem Sender ausgesandter Schallwellenpakete vorgeschlagen, dass die Vorrichtung mindestens einen stationären Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu dem mindestens einen stationären Empfänger umfasst, dass der mindestens eine Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, dass der mindestens eine Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet ist, und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt.
Im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen verbessert diese Vorrichtung sowohl die Robustheit der Lokalisierung in NLOS-Situation als auch die Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders.
Eine wichtige Voraussetzung für die Nutzung von akustischen NLOS-Signalen für die Positionsbestimmung eines Senders besteht darin, dass die einzelnen Empfänger in der Lage sind die NLOS-Signale zu detektieren, die aufgrund der Reflektion an einer Oberfläche typischerweise schwächer sind als vom selben Schallwellenpaket erzeugte LOS-Signale. Daher kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass der mindestens eine Empfänger ein Mikrofon umfasst, mit einer Sensitivität, die sowohl die Detektion von LOS-Signalen als auch von schwächeren NLOS-Signalen erlaubt.
Ferner müssen bei Verwendung von NLOS-Signalen zur Positionsbestimmung die Empfänger und/oder die Berechnungseinheit so leistungsfähig sein, dass eine Vielzahl von in sehr kurzen Zeitabständen eintreffenden akustischen Signalen getrennt voneinander detektiert werden können. Hierfür kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, wenn die Recheneinheit zu einer parallelen Ausführung von für die Ortbestimmung notwendigen Rechenoperationen eingerichtet ist. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines Mikroprozessors mit mehreren Kernen realisiert werden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mindestens zwei stationäre Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu den mindestens zwei stationären Empfängern umfasst, dass jeder der mindestens zwei Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, dass die mindestens zwei Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet sind und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich insbesondere für das selbständige Navigieren innerhalb von Gebäuden eignet, ist vorgesehen, dass der Sender Teil eines tragbaren elektronisches Geräts ist. Um nun zu ermöglichen, dass das elektronische Gerät eine errechnete Position des Senders anzeigen oder akustisch wiedergeben kann, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet ist. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit Teil des Geräts ist. In diesem Fall kann der mindestens eine stationäre Empfänger oder die mindestens zwei stationären Empfänger zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet sein.
Um die volle Funktionalität der hier diskutierten Verfahren nutzen zu können, kann in erfindungsgemäßen Vorrichtungen die Berechnungseinheit zur Durchführung eines oder mehrerer der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 eingerichtet sein. Hierbei können die notwendigen Anpassungen der Berechnungseinheit anhand der obigen Beschreibung der Verfahren abgeleitet werden.
Schließlich sieht die Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe die Verwendung einer Software auf einem tragbaren elektronischen Gerät vor. Diese Software dient der Anwendung eines der hier diskutierten erfindungsgemäßen Verfahren und zeichnet sich dadurch aus, dass sie dazu eingerichtet ist, einen Sender des Geräts anzusteuern, um Schallwellenpakete auszusenden und diese mit einem Identifikator zu versehen, und dass sie dazu eingerichet ist, von einer Berechnungseinheit des Geräts errechnete Positionsdaten grafisch oder akustisch auszugeben. Die Verwendung einer solchen Software, insbesondere auf einem smart phone, hat den technischen Vorteil, dass der Installationsaufwand bei der Errichtung einer Vorrichtung zur Nutzung eines der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahren verringert werden kann, da auf eine von dem Gerät separate, stationär installierte Berechnungseinheit verzichtet werden kann und die Empfänger lediglich mit dem tragbaren elektronischen Gerät, beispielsweise über eine WLAN-Verbindung, kommunizieren können.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Weiterbildungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus der Kombination der Merkmale wenigstens eines Anspruchs mit den Merkmalen einzelner oder mehrerer Unteransprüche untereinander und/oder mit der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels, insbesondere in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen.
Es zeigt:
1 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lokalisierung eines mobilen Senders,
2 eine schematische Skizze, die reale und virtuelle Signalwege eines LOS-Signals und eines NLOS-Signals illustriert.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lokalisierung eines mobilen Senders 1 mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahrens. Der Sender 1 ist durch den Lautsprecher eines tragbaren elektronischen Geräts, beispielsweise eines smart phones, realisiert und sendet in konstanten Zeitabständen Schallwellenpakete 3 von definierter Dauer aus. Unter einem Schallwellenpaket kann hier das kontinuierliche Aussenden von Schallwellen über eine gewisse Zeitdauer verstanden werden, wobei ein einzelnes Schallwellenpaket beispielsweise durch den Beginn des Aussendens der Schallwellen und die Zeitdauer des kontinuierlichen Aussendens der Schallwellen charakterisiert werden kann. Hierbei kann die Amplitude und/oder die Frequenz mit der Schallwellen ausgesendet werden variabel sein, insbesondere innerhalb eines Schallwellenpakets.
Über dem Sender 1 sind mehrere Empfänger 2 stationär installiert, wobei die Sender in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wie es die gestrichelte Linie illustiert.
Die vom Sender 1 ausgesandten Schallwellen erzeugen eine Vielzahl an akustischen Signalen 4, die sich entlang verschiedener Signalwege 6 geradlinig im Raum mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Das mit 7 bezeichnete akustische Signal 4 breitet sich auf direktem Wege zu dem linken Empfänger 2 aus. Solche Signale werden als line-of-sight(LOS)-Signale 7 bezeichnet. Daneben gibt es ein weiteres mit 8 bezeichnetes akustisches Signal 4, welches an einer Reflexionsebene 9 reflektiert wird und somit auf einem indirekten Signalweg 6 zum dem linken Empfänger 2 gelangt. Solche Signale werden als non-line-of-sight(NLOS)-Signale bezeichnet. Wie gut zu erkennen ist, ist der Signalweg 6 des NLOS-Signals 8 länger als der Signalweg 6 des LOS-Signals 7.
Gemäß der Erfindung detektieren die Empfänger 2 die von einem Schallwellenpaket 3 hervorgerufenen akustischen Signale 4 und generieren Zeitstempel, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines eingetroffenen akustischen Signals 4 in dem jeweiligen Empfänger 2 wiedergeben. Die Empfänger 2 kommunizieren diese Zeitstempel mittels einer drahtlosen Verbindung an eine Berechnungseinheit 5, wie durch den rechten oberen Pfeil angedeutet. Die Berechnungseinheit 5 errechnet aus den Zeitstempeln die Ortsposition des Senders 1, relativ zu den Empfängern 2, wobei erfindungsgemäß hierbei von reflektierten akustischen Signalen 4 generierte Zeitstempel in die Berechnung der Ortsposition einfließen.
Nach erfolgter Berechnung der aktuellen Ortsposition des Senders 1 überträgt die Berechnungseinheit 5 die Ortsposition drahtlos an das elektronische Gerät, dargestellt durch den rechten unteren Pfeil. Das Gerät verfügt über eine Anzeige, mit der die Ortsposition für den Benutzer visualisiert wird.
2 veranschaulicht das Modell eines virtuellen Empfängers 10. Wie die gestrichelte Linie, die von dem Reflexionspunkt des NLOS-Signals 8 an der in Schnittansicht dargestellten Reflexionsebene 9 ausgeht, darstellt, kann jedem realen Empfänger 2, der ein von einem Sender 1 ausgesandtes reales NLOS-Signal 8 empfängt, ein virtueller Empfänger 10 zugeordnet werden. Der virtuelle Empfänger 10 liegt dabei auf einer Achse, die der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des NLOS-Signals 8 zum Zeitpunkt der Aussendung vom Sender 1 entspricht. Die Position des virtuellen Empfängers 10 erhält man durch Spiegelung des realen Empfängers 2 an der Reflexionsebene 9.
Es versteht sich, dass der Signalweg des realen NLOS-Signals 8 vom Sender 1 zum realen Empfänger 2 gerade dem gedachten Signalweg des virtuellen LOS-Signals vom Sender 1 zum virtuellen Empfänger 10 entspricht. Das vom Empfänger 2 detektierte NLOS-Signal 8 kann somit auch so berücksichtigt werden, als sei es von dem virtuellen Empfänger 10 als ein (virtuelles) LOS-Signal aufgezeichnet worden.
Aufgrund der Spiegelung an der Reflexionsebene 9 unterscheidet sich der virtuelle Empfänger lediglich in seiner z-Koordinate von dem realen Empfänger 2, insofern die z-Achse normal zur Reflexionsebene 9 verläuft. Wird der Nullpunkt der z-Achse in die Reflexionsebene 9 gelegt, so unterscheiden sich die z-Koordinaten von realen Empfänger 2 und virtuellem Empfänger 10 lediglich im Vorzeichen.
Das Modell des virtuellen Empfängers veranschaulicht somit, wie durch Berücksichtigung von NLOS-Signalen 8 in realen Empfängern 2 zusätzliche virtuelle Empfänger 10 geschaffen werden können. Die verbesserte Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher vereinfacht so verstanden werden, dass sie durch die Erhöhung der Anzahl an genutzten (realen als auch virtuellen) Empfängern erreicht wird. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Lage der Reflexionsebene 9 zu einem realen Empfänger 2 bekannt ist oder zumindest geschätzt werden kann, da in diesem Fall die relative Position eines zugehörigen virtuellen Empfängers bekannt ist oder zumindest geschätzt werden kann.
Zusammenfassend wird bei einem Lokalisierungsverfahren zur Bestimmung der Ortsposition eines mobilen Senders 1 relativ zu mindestens einem stationären Empfänger 2, insbesondere innerhalb eines Gebäudes, zur Erhöhung der Genauigkeit in der Ortsbestimmung vorgeschlagen, von dem mindestens einen Empfänger 2 empfangene akustische Signale 4, die von an Objekten reflektierten Schallwellen 3 erzeugt wurden, für die Berechnung der Ortsposition des Senders 1 zu nutzen. Durch diesen Ansatz kann insbesondere die Robustheit in der Lokalisierung des Senders 1 in Situationen erhöht werden, in denen keine oder eine nur unzureichende Anzahl an direkten line-of-sight Verbindungen 7 zwischen dem Sender 1 und zur Positionsbestimmung genutzten stationären Empfängern 2 bestehen.
Bezugszeichenliste

1: Sender
2: Empfänger
3: Schallwellenpaket
4: akustisches Signal
5: Berechnungseinheit
6: Signalweg
7: LOS-Signal
8: NLOS-Signal
9: Reflexionsebene
10: Virtueller Empfänger

Claims

Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens einem stationären Empfänger, wobei der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei der mindestens eine stationäre Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfängt, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei der mindestens eine Empfänger Zeitstempel generiert, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, wobei der mindestens eine Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit überträgt und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben.
Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens zwei stationären Empfängern, wobei der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei die mindestens zwei stationären Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfangen, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei die mindestens zwei Empfänger Zeitstempel generieren, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, wobei die mindestens zwei Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit übertragen und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Empfänger oder die mindestens zwei Empfänger eine jeweilige eindeutige Empfängerkennung an eine Berechnungseinheit übertragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Senders mindestens eine Ortsposition eines Empfängers verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ortsposition eines Empfängers von der Berechnungseinheit geschätzt wird, insbesondere mittels eines initialen Kalibrierverfahrens, vorzugsweise wobei die Berechnungseinheit hierzu einen TDOA Algorithmus anwendet und/oder Zeitstempel verwendet, die von NLOS-Signalen generiert worden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Ortsposition auf eine Annahme über eine Lage einer Reflexionsebene gestützt wird, insbesondere wobei dabei die relative Position mindestens eines Empfängers zu der Reflexionsebene berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung einer aktuellen 3D-Position des Senders Zeitstempel genutzt werden, die von weniger als drei Empfängern generiert wurden und/oder dass zur Berechnung einer aktuellen 2D-Position des Senders Zeitstempel genutzt werden, die von einem einzigen Empfänger generiert wurden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Senders Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von an einem Boden reflektierten akustischen Signalen wiedergeben, vorzugsweise wobei die mindestens zwei Empfänger in gleicher Höhe über einem Boden stationär installiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit die aktuelle Position des Senders mittels eines Optimierungsalgorithmus errechnet, insbesondere wobei hierzu ein statistischer Schätzer für den Aussendezeitpunkt sowie von dem Empfängern generierte Zeitstempel verwendet werden und/oder wobei der Optimierungsalgorithmus einen Restfehler berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit zur Errechnung der aktuellen Position des Senders Schätzungen von Positionen von Reflexionsebenen berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit die Position des Senders mittels eines time-difference-of-arrival (TDoA) Algorithmus und/oder mittels eines time-of-flight (TOF) Algorithmus errechnet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellenpakete mit einer gleichbleibenden Zeitdauer und/oder in gleichbleibenden Zeitabständen von dem Sender ausgesendet werden.
Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders mittels von dem Sender ausgesandter Schallwellenpakete, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen stationären Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu dem mindestens einen stationären Empfänger umfasst, dass der mindestens eine Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, dass der mindestens eine Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet ist und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt.
Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders mittels von dem Sender ausgesandter Schallwellenpakete, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei stationäre Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu den mindestens zwei stationären Empfängern umfasst, dass jeder der mindestens zwei Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, dass die mindestens zwei Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet sind und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Sender Teil eines tragbaren elektronisches Geräts ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet ist und/oder dass die Berechnungseinheit Teil des Geräts ist, insbesondere wobei der mindestens eine stationäre Empfänger oder die mindestens zwei stationären Empfänger zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet ist/sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.
Verwendung einer Software auf einem tragbaren elektronisches Gerät zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Software dazu eingerichtet ist, einen Sender des Geräts anzusteuern, um Schallwellenpakete auszusenden und diese mit einem Identifikator zu versehen, und von einer Berechnungseinheit des Geräts errechnete Positionsdaten grafisch oder akustisch auszugeben.