DE102016125233A1

DE102016125233A1 - Sendeempfänger und zugehörige Kommunikations- und Navigationsverfahren

Info

Publication number: DE102016125233A1
Application number: DE102016125233.6A
Authority: DE
Inventors: Erik Lindman
Original assignee: Suunto Oy
Current assignee: Suunto Oy
Priority date: 2015-12-29
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-06-29
Also published as: US10227116B2; US20170183068A1

Abstract

Ein System und ein Verfahren sowie Ortungs- und tragbare Geräte zum Bestimmen der Distanz und des Orts von Geräten, die miteinander über ein Medium kommunizieren, werden offenbart. Mindestens ein Ferngerät enthält eine erste Verarbeitungseinheit, mindestens einen funktionell mit der ersten Verarbeitungseinheit verbundenen Sender, ausgebildet zum Senden von Signalen über ein Medium, und mindestens einen funktionell mit der ersten Verarbeitungseinheit gekoppelten Empfänger, ausgebildet zum Empfangen von Signalen über das Medium. Mindestens zwei tragbare Geräte, jeweils mit einer zweiten Verarbeitungseinheit und einer Drahtlos-Kommunikationseinheit zum Empfangen und Senden von Signalen über das Medium, sind ebenfalls vorgesehen. Das Ferngerät ist dazu ausgebildet, den Abstand zu mindestens zwei tragbaren Geräten zu bestimmen, und die Richtung zu den mindestens zwei tragbaren Geräten basierend auf mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen zu bestimmen, die von dem mindestens einen Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen werden, um den Ort der mindestens zwei tragbaren Geräte relativ zu dem Ferngerät zu berechnen, und um den Ort mindestens eines ersten tragbaren Geräts zu einem zweiten tragbaren Gerät zu übermitteln. Die tragbaren Geräte sind dazu ausgebildet, den Ort des ersten tragbaren Geräts in ihrer Verarbeitungseinheit zu verarbeiten und dem Benutzer des zweiten tragbaren Geräts eine Anzeige der Richtung und der Distanz zu dem ersten tragbaren Gerät zu präsentieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Kommunikation zwischen elektronischen Geräten und Verfahren sowie Kommunikationssysteme für die Navigation. Insbesondere betrifft die Erfindung akustische Unterwasser-Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, eine Ortung von Tauchern zu liefern, außerdem betrifft sie Funkkommunikationssysteme, die in der Lage sind, eine Ortung von Individuen auf einem gemeinsamen Aktionsgebiet vorzunehmen.
Hintergrund der Erfindung
Üblicherweise werden von Tauchern Tauchcomputer eingesetzt, um Schlüsselparameter wie z. B. verbleibende Luft, derzeitige Tiefe, Kompass (Richtung) etc. zu überwachen. Taucher verlassen sich auf ihre Tauchcomputer und kehren üblicherweise zur Oberfläche zurück, wenn in dem Tank noch ein gewisser Luftdruck herrscht, beispielsweise 50 bis 100 bar. In modernen Systemen kann Druckinformation drahtlos von einer Tanksensoreinheit zu dem Tauchcomputer durch elektromagnetische Induktion oder andere Nahfeld-Kommunikationssysteme übertragen werden, die über kurze Distanzen unter Wasser betreibbar sind. Die US 8275311 , die US 7650208 , die US RE42218 und FI 20135911 zeigen Unterwasser-Sendeempfänger dieser Art.
Ungeachtet der weiterentwickelten persönlichen Ausrüstung kommt es beim Gerätetauchen zu Unfällen. Die häufigsten Auslöser hierfür sind unzureichendes Gas, Einschluss- und Ausrüstungsprobleme. Es ist also ersichtlich, dass es nicht nur wichtig ist, die eigenen Schlüsselparameter beim Tauchen zu überwachen, sondern dass es auch einem wichtigen Zweck zuträglich wäre, die Schlüsselparameter sämtlicher Mit-Taucher zu überwachen, um Unfälle zu vermeiden.
Es ist bekannt, dass das günstigste Verfahren für die Drahtlos-Unterwasserkommunikation über akustische Mittel erfolgt. Schall breitet sich unter Wasser extrem gut aus und lässt sich zur Aufnahme von Daten codieren. Es gibt einige Gerätetaucher, die mit Vollgesichtsmaske ausgestattet sind, die Drahtlos-Sprachkommunikationssysteme umfassen. Diese Kommunikationssysteme beruhen auf Ultraschallwellen zum Übertragen codierter Sprache von einem Taucher zum anderen, oder zu einer Empfangsstation auf der Oberfläche. Unglücklicherweise sind existierende Ultraschall-Kommunikationssysteme sperrig und teuer.
In der US 2014/048069 ist ein Verfahren zum Überwachen einer Gruppe von Tauchern mit mehreren Sendegeräten beschrieben, wobei jedes Sendegerät verschaltet ist zum Empfangen eines Tankdrucks von einem Regler eines Tauchers. Das Sendegerät erzeugt ein-/aus-modulierte Schalldatenpakete, die z. B. einen Kennungsabschnitt und einen Druckangabeabschnitt umfassen. Ein Empfangsgerät kann dann die Schalldatenpakete empfangen. Außerdem kann die Richtung zu der Quelle berechnet und angezeigt werden, indem die Phasenverschiebung zwischen den von verschiedenen Wandlern in dem Empfangsgerät empfangenen Signalen berechnet wird. Dies schafft eine bilaterale Punkt-zu-Punkt-Angabe zwischen zwei Wandlern und liefert damit keine Kommunikation für die Gesamtortung einer Gruppe von Tauchern. Tatsächlich führt die einfache Modulationsmethode dazu, dass eine Kommunikation unter mehreren Benutzern häufig zu Kollisionen zwischen Datenpaketen führt, was diese effektiv stört.
In der WO 2014/075860 ist eine Lösung zum Bestimmen des absoluten Orts eines Tauchers beschrieben. Das System umfasst eine Tauchbasis mit einem GPS-Empfänger und einem Unterwasser-Akkustikmodem, konfiguriert zum Rücksenden von GPS-Koordinaten unter Wasser. Das Kombinieren zurückgesendeter GPS-Koordinaten mit einer berechneten Richtung und einer Distanz zu der Basiseinheit liefert dem Taucher dessen/deren absolute Position. Die Taucherausrüstung umfasst mehrere Mikrophone zum Nachweisen der Richtung zu der Basis, und es erfolgt eine Paarbildung von Basis und Taucherausrüstung, um die Möglichkeit zu erhalten, die Distanz zu der Ausrüstung zu berechnen. Dieses System unterstützt außerdem die gemeinsame Nutzung des Orts sowie anderer Daten zwischen paarweisen Tauchern über die (unbemannte) Basis. Das Unterwassernetzwerk basiert auf einem Zeitmultiplexschema, welches empfindlich ist für eine Mehrwege-Ausbreitung, und welches nur geringe Datenraten zulässt in einer Situation, die eine umfangreiche Signalübermittlung von GPS-Information zwischen den verschiedenen Geräten erfordert. Da außerdem die Ortsberechnung durch die jeweilige Ausrüstung des Tauchers erfolgt und über die Basiseinheit gesendet wird, akkumulieren sich Ortsberechnungsfehler in dem relativen Ort zwischen den Tauchern.
Allgemein gesagt, erfordert die Unterwasserübertragung von Schall relativ hohe Spannung, um akzeptable Reichweiten zu erzielen. Um die erforderliche Änderung von einigen 100 Metern zu erreichen, muss ein typischer Wandler, so z. B. ein typischer Ringwandler, durch eine Rechteckwelle zwischen 100 V und 200 V angeregt werden. Auch sind noch höhere Spannungen (300–1000 V) möglich, was die Reichweite vergrößert, allerdings auf Kosten einer verringerten Batterielebensdauer. Das Erzeugen einer derart hohen Spannung aus einer kleinen Batterie ist kompliziert und erfordert eine große Spule und einen oder mehrere große Kondensatoren. Das Einbauen von Druckwandlern, elektronischen Platinen, Batterien und großen Spulen und Kondensatoren in ein kleines Gehäuse einer Taucherausrüstung ist eine Haupt-Herausforderung. Es besteht daher Bedarf an einfachen Geräten, die klein gebaut werden können und einen geringen Energieverbrauch aufweisen. Außerdem besteht Bedarf an verbesserten Kommunikationssystemen und -geräten, insbesondere zum Zweck der Ortung der Individuen in einem Team.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein System zum Bestimmen der Distanz zu und des Orts von miteinander über ein Medium kommunizierenden Geräten. Das erfindungsgemäße System umfasst
mindestens ein Ferngerät mit einer ersten Verarbeitungseinheit, mindestens einem Sender, der mit der ersten Verarbeitungseinheit funktionell verbunden und dazu ausgebildet ist, Signale über ein Medium zu senden, und mindestens einem Empfänger, der funktionell mit der ersten Verarbeitungseinheit verbunden und dazu ausgebildet ist, Signale über das Medium zu empfangen,
mindestens zwei tragbare Geräte, jeweils mit einer zweiten Verarbeitungseinheit und einer Drahtlos-Kommunikationseinrichtung, die in der Lage ist, Signale über das Medium zu empfangen und zu senden;
wobei das Ferngerät ausgebildet ist, um:

– die Distanz zu mindestens zwei tragbaren Geräten zu bestimmen,
– die Richtung zu den mindestens zwei tragbaren Geräten basierend auf mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen zu bestimmen, die von dem mindestens einen Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen werden,
– den Ort der mindestens zwei tragbaren Geräte relativ zu dem Ferngerät zu berechnen,
– den Ort mindestens eines ersten tragbaren Geräts zu einem zweiten tragbaren Gerät zu übermitteln; und

– den Ort des ersten tragbaren Geräts in der zweiten Verarbeitungseinheit zu verarbeiten und dem Benutzer des zweiten tragbaren Geräts eine Anzeige der Richtung und der Distanz zu dem ersten tragbaren Gerät zu präsentieren.

Nach einigen Ausführungsformen der Erfindung ist das Ferngerät dazu ausgebildet, den Zeitpunkt zu speichern, wenn ein Datensignal über das Medium gesendet wird, und die Distanz zu den tragbaren Geräten basierend auf der Laufzeit der Signale zwischen den Geräten zu bestimmen.
Nach einigen Ausführungsformen der Erfindung ist das Ferngerät dazu ausgebildet, über das Medium ein Datensignal zu den tragbaren Geräten zu senden und die Distanz zu den tragbaren Geräten basierend auf der Signalstärke der von den tragbaren Geräten empfangenen Antwortsignale zu bestimmen.
Nach weiteren Ausführungsformen ist das Ferngerät dazu ausgebildet, die Richtung zu den tragbaren Geräten basierend auf dem Schnittpunkt von mindestens zwei verschiedenen Peilungen zu bestimmen, die von dem Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen wurden. Alternativ ist in anderen Ausführungsformen das Ferngerät dazu ausgebildet, die Richtung zu den tragbaren Geräten basierend auf mindestens zwei verschiedenen Peilungen zu jedem tragbaren Gerät zu bestimmen, die von mindestens zwei Empfängern vorgenommen werden, welche funktionell mit der Verarbeitungseinheit des Ferngeräts gekoppelt sind.
Die Empfänger können mindestens zwei voneinander beabstandete und Signalrichtungs-empfindliche Empfänger sein. Alternativ kann mindestens ein Empfänger einen Drehrichtungs-empfindlichen Sensor aufweisen.
Erfindungsgemäß enthält ein von dem Ferngerät zu einem tragbaren Gerät gesendetes Datensignal einen Kennungscode, über den ein tragbares Gerät sich selbst als der Empfänger des Datensignals identifiziert. In ähnlicher Weise kann ein von dem tragbaren Gerät zu dem Ferngerät gesendetes Datensignal einen ID-Code enthalten, mittels dessen ein tragbares Gerät sich selbst als der Sender des Datensignals identifiziert. Ein derartiger Code kann aus einer vorbestimmten Zeitverzögerung bestehen, die zwischen dem Empfang von Daten und dem Senden einer Antwort vergehen muss.
Erfindungsgemäß umfassen von dem Ferngerät zu mehreren tragbaren Geräten gesendete Signale Daten über den Ort der tragbaren Geräte, wobei jedes der mehreren tragbaren Geräte konfiguriert ist zum Berechnen und Anzeigen der Richtung und der Entfernung zu jedem anderen Gerät.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Distanz zu und des Orts von Geräten, die miteinander über ein Medium kommunizieren, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen von mindestens einem Ferngerät und mindestens zwei tragbaren Geräten, wobei jedes Gerät eine Verarbeitungseinheit und eine Drahtlos-Kommunikationseinrichtung aufweist, die funktionell ausgebildet ist zum Senden und Empfangen von Signalen über das Medium, wobei das Verfahren folgende in dem Ferngerät ausgeführte Schritte aufweist:

– Bestimmen der Distanz zu mindestens zwei tragbaren Geräten,
– Bestimmen der Richtung zu den mindestens zwei tragbaren Geräten, basierend auf mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen, die von dem mindestens einen Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen werden,
– Berechnen des Orts der mindestens zwei tragbaren Geräte relativ zu dem Ferngerät;
– Übermitteln des Orts mindestens eines ersten tragbaren Geräts zu einem zweiten tragbaren Gerät; und

Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Ortungsgerät zum Bestimmen der Distanz zu und des Orts von zwei oder mehr tragbaren Geräten, die mit dem Ortungsgerät und untereinander über ein Medium kommunizieren, geschaffen, wobei das Ortungsgerät aufweist: eine Verarbeitungseinheit, mindestens einen funktionell mit der Verarbeitungseinheit gekoppelten Sender, ausgebildet zum Senden von Signalen über ein Medium, mindestens einen funktionell mit der Verarbeitungseinheit gekoppelten Empfänger, ausgebildet zum Empfangen von Signalen über das Medium, und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten. Die Verarbeitungseinheit ist konfiguriert zum Bestimmen der Entfernung zu den tragbaren Geräten und zum Bestimmen der Richtung zu den tragbaren Geräten, basierend auf mindestens zwei verschiedenen Peilungen, die von dem Ortungsgerät zu jedem der tragbaren Geräte vorgenommen werden. Sie berechnet außerdem die Position der tragbaren Geräte in Relation zu dem Ortungsgerät, und das Ortungsgerät ist konfiguriert, um den Ort mindestens eines ersten Geräts der tragbaren Geräte zu mindestens einem zweiten Gerät der tragbaren Geräte zu übermitteln.
Die Verarbeitungseinheit in dem Ortungsgerät kann konfiguriert sein, um in der Speichereinheit die Zeit zu speichern, zu der ein Datensignal über ein Medium gesendet wird, zum Empfangen eines Rückkehrsignals, das von den tragbaren Geräten als Antwort auf das Datensignal gesendet wird, und zum Registrieren der Ankunftszeit der Antwort. Sie ist dann in der Lage, die Distanz zu den tragbaren Geräten basierend auf der Laufzeit der Signale zwischen dem Ortungsgerät und jedem der tragbaren Geräte zu bestimmen.
Alternativ kann die Verarbeitungseinheit konfiguriert sein, um in ihrer Speichereinheit als einen gegebenen Parameter die Sendeleistung der Sender der tragbaren Geräte zu speichern, und die Entfernung zu den tragbaren Geräten basierend auf der Signalstärke der von jenen empfangenen Antwortsignalen zu bestimmen.
Nach einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein tragbares Gerät geschaffen, welches aufweist: eine Verarbeitungseinheit und einen Drahtlos-Sendeempfänger, ausgebildet für die Kommunikation mit einem Fernortungsgerät und mindestens einem anderen tragbaren Gerät über ein Medium, wobei der Sendeempfänger konfiguriert ist zum Empfangen von Datensignalen von dem Fernortungsgerät und zum Antworten auf die Signale, und die Verarbeitungseinheit weiterhin konfiguriert ist, um Ortsdaten des Ortungsgeräts, die von dem Ortungsgerät empfangen werden, zu verarbeiten, und dem Benutzer des Geräts eine Anzeige der Richtung und der Distanz zu dem Ortungsgerät oder dem weiteren tragbaren Gerät zu präsentieren.
Die verschiedenen vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind gekennzeichnet durch die beigefügten Ansprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Verarbeitungseinheit;
2 zeigt ein Beispiel für eine Distanzmessung;
3 zeigt eine Triangulation für die Ortsbestimmung;
4a–4c zeigen Ausführungsformen der Erfindung;
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel für eine moderne Verarbeitungseinheit 100 mit einem Mikrocontroller oder Prozessor 110, der mindestens einen Prozessorkern aufweist. Der Prozessor besitzt eine Reihe von Peripherieeinrichtungen, so z. B. benutzt er Schnittstellen, Sensoren und Anzeigen. Ein Benutzer kann mit dem Gerät über die Benutzerschnittstellen interagieren, Letztere können beispielsweise Tasten aufweisen. Die Verarbeitungseinheit 100 kann eine Konnektivitätsfunktion aufweisen, konfiguriert für die Kommunikation mit einem Kommunikationsnetzwerk, beispielsweise einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk.
Ausführungsbeispiele für die Ferngeräte und die tragbaren Geräte der vorliegenden Erfindung können ähnliche Geräte wie das in 1 gezeigte Gerät sein, versehen mit Modifikationen gemäß der Erfindung, um den Geräten und den darauf laufenden Anwendungen zu ermöglichen, miteinander zu kommunizieren. Grundlegende Kommunikationen müssen Synchron-Operationen beim Übertragen von zeitkritischen Signalen enthalten, wenn es Sendeempfänger gibt, die mit einer Entfernung voneinander arbeiten. Möglicherweise ist ein Master-Slave-Konfigurationsmechanismus erforderlich, um ein Zeitschema einzurichten für die geordnete Kommunikation und Signalübermittlung zwischen den betroffenen Geräten, wenn es zahlreiche dieser Geräte gibt. Außerdem können Triangulations- und andere Abstands- und Richtungsberechnungen in sämtlichen Sendeempfängern innerhalb einer Basisstation ausgeführt werden, zu der die Information von den tragbaren Geräten gelangt, allerdings muss Übereinstimmung darüber herrschen, welches Gerät das Mastergerät ist, welches verarbeitete Information an die tragbaren Geräte aussendet.
Die dargestellte Verarbeitungseinheit kann einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor 110 enthalten. Im Fall eines Mikrocontrollers kann sie beispielsweise einen Mikrocontroller vom Typ Silabs EMF32, Renesas RL78 oder Toshiba TLCS-870 oder einen ähnlichen Typ enthalten. Im Fall eines Mikroprozessors kann sie z. B. einen Qualcomm Snapdragon Prozessor, einen ARM Cortex-basierten Prozessor und/oder einen Intel-Atom-Prozessor enthalten. Der Prozessor 110 kann ein Einzel- oder Mehrkernprozessor sein. Ein Prozessor kann z. B. ein Cortex-A8-Verarbeitungsprozessor sein, hergestellt von der ARM Holdings, oder ein Steamroller-Verarbeitungskern, hergestellt von der Advanced Micro Devices Corporation.
Der Prozessor 110 kann außerdem mindestens eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ASIC, oder mindestens ein Feld-programmiertes Gate-Array, FPGA, enthalten. Der Prozessor 110 kann eine Einrichtung bilden zum Ausführen von Verfahrensschritten in der Verarbeitungseinheit 100, und kann mindestens teilweise durch Computerbefehle konfiguriert sein, um Aktionen in der Verarbeitungseinheit 100 oder in einem von der Verarbeitungseinheit 100 betriebenen Gerät auszuführen.
Die Verarbeitungseinheit 100 kann in die Lage versetzt werden, eine Anzeige 130 des Geräts über eine Anzeigeschnittstelle 112 zu steuern. Die Anzeigeschnittstelle 112 kann eine Kommunikationsschaltung in dem Prozessor 110 aufweisen. Der Prozessor 110 kann in dem dargestellten Beispiel kommunikativ mit einer Ultraschallwandlereinheit 120, einer Vibrations- oder Summereinheit 120, einer universalen Serienbusschnittstelle (USB) 160, einem Drucksensor 190, einem Beschleunigungssensor 1100, einem Gyroskop 1110, einem Magnetometer (Kompass) 1120, einer Satelliten-Ortungsschaltung 1130, einer Bluetooth-Schnittstelle 1140, Benutzer-Schnittstellentasten 1150 und einer Berührschnittstelle 1160 gekoppelt sein. Der Drucksensor 190 kann beispielsweise einen Tiefensensor enthalten.
Der Prozessor 110 kann außerdem kommunikativ mit einer Zellular-Schnittstelle 140 und einer nicht-zellularen Drahtlosschnittstelle 150 gekoppelt sein. Weitere Beispiele für Peripherieeinrichtungen, die mit dem Prozessor 110 gekoppelt sein können, enthalten einen externen Flash-Speicher 1170, einen Sensor-Hub 1180, der mehre Akustikwandler enthält oder unterstützt, Funk-Sendeempfänger und andere Sensoren. Derartige Sensor-Hubs können Prozessoren enthalten, die für eine Ultraschall- oder Funkverbindung sorgen, oder der Hub kann mit beispielsweise Sensorgeräten 1190 mit eingebauter Konnektivität verbunden sein.
In 1 sind weiterhin ein Speicher 180, der auf Schreib-Lese-Zugriff-Speichertechnologie beruhen kann, beispielsweise DDR2 oder DDR3, oder auf pseudostatische Schreib-/Lese-Speichertechnik beruhen kann, beispielsweise SRAM, FLASH und/oder FROM beispielsweise dargestellt.
Distanzmessung
2 ist ein praktisches Beispiel für das Grundprinzip der Distanzmessung, wie sie bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Ein Ferngerät, beispielsweise ein Ultraschall- oder Funkwandler in der Einheit 210, erzeugt eine Welle (uw), die sich in der Luft oder in Wasser in Richtung der Pfeile zu einem Ultraschall- oder Funkempfänger in der Einheit 220 eines tragbaren Geräts ausbreitet. Ultraschall breitet sich bekanntlich in Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa zwischen 1480 und 1780 m/s aus, abhängig vom Salzgehalt des Wassers und der Temperatur. Natürlich breiten sich Funkwellen in der Luft mit Lichtgeschwindigkeit aus. Für ein gegebenes Wassersystem und unter der Annahme normaler Tauchbedingungen ermittelt sich die Ultraschallgeschwindigkeit in einfacher Weise aus der Literatur und lässt sich während eines Tauchvorgangs als konstant annehmen. Beispielsweise bei 22°C kann die Ultraschallgeschwindigkeit im Meerwasser typischerweise 1524 m/s betragen, in Süßwasser 1478 m/s. Durch Messen der Salzkonzentration C in Gramm/Liter ergibt sich die Geschwindigkeit V durch die Formel V = 0,94 C + 1480,5 m/s. Ein Ultraschallwandler kann auf einem piezoelektrischen Element basieren.
Der Abstand L zwischen den Einheiten 210 und 220 lässt sich dann dadurch berechnen, dass man den Zeitpunkt, zu dem das Signal bei 210 gesendet wird, aufzeichnet, und aufzeichnet, wann eine Antwort von der Einheit 220 empfangen wird (Transportgeschwindigkeit). Die Gesamtzeit C besteht aus t1 + t2 + t3. Die interne Verarbeitungszeit t3 des tragbaren Geräts ist in dem Antwortsignal von der Einheit 220 zu der Einheit 210 enthalten. Die Verarbeitungseinheit in 210 kann in einfacher Weise den Effekt von t3 eliminieren und den Abstand berechnen zu L = V·(T – t3)/2.
Alternativ lässt sich der Abstand zwischen einem Ferngerät und einem tragbaren Gerät dadurch ermitteln, dass ein Datensignal von dem Ferngerät zu einem tragbaren Gerät gesendet wird, und der Abstand basierend auf der Signalstärke des von dem tragbaren Gerät empfangenen Antwortsignals ermittelt wird. Die Verarbeitungseinheit muss in einer Speichereinheit einen Parameter gespeichert haben, welcher die Sendeleistung der Sender der tragbaren Geräte repräsentiert. Der Abstand lässt sich dann basierend auf der Dämpfung der empfangenen Signalstärke berechnet.
Bestimmung der Richtung von einer Ferneinheit zu einer tragbaren Einheit
Die Richtung von einer Ferneinheit, d. h. einer Basis des Tauchers, zu einem Taucher kann dadurch aufgefunden werden, dass man an der Basis drei Ultraschallsensoren oder Wandler vorsieht, die voneinander beabstandet sind, beispielsweise auf einem Boot oder auf Bojen. Der Ort und der Abstand eines Tauchers lässt sich dann durch klassische 3D-Triangulation berechnet.
In 3 ist eine Unterwasser-Situation dargestellt, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Ein Boot 30 ist die Basis für einen Taucher D. Das Boot besitzt drei Ultraschall-Sendeempfänger s₁–s₃ als Ferngeräte, die über Ultraschall-Signalausbreitung mit dem tragbaren Ultraschall-Sendeempfänger s₄ kommunizieren, der von dem Taucher D getragen wird. Die Distanzen d₁–d₃ von dem jeweiligen Sensor zu dem Taucher lassen sich messen und berechnen, wie es oben in Verbindung mit 2 erläutert wurde. Die Abstände b₁–b₃ und die gegenseitige Orientierung zwischen den Sendeempfängern s₁–s₃ sind bekannt. Ein (nicht gezeigtes) Kompassgerät verfolgt die Drehbewegungen der Basis 30. Diese Information wird dazu hergenommen, den Effekt derartiger Bewegungen in der Geometrie zwischen den Sensoren s₁–s₃ einerseits und den Sensor s₄ andererseits zu eliminieren.
Die Sendeempfänger brauchen nicht integrierte und kombinierte Sender und Empfänger sein, es kann sich auch um unterschiedliche Geräte handeln. Tatsächlich ist auf dem Boot 30 nur ein Sender erforderlich, der funktionell in Verbindung mit einer Prozessoreinheit 100 steht, die ihrerseits in funktioneller Verbindung mit den Empfängern an den Stellen s₁–s₃ steht. In diesem Fall wird der Zeitpunkt des von einem einzelnen Sender gesendeten Signals durch die Verarbeitungseinheit 100 aufgezeichnet, die außerdem Information über die Zeit jedes empfangenen Signals von den Empfängern s₁–s₃ empfängt. Damit lässt sich die gesamte Information sammeln und verarbeiten, die zum Bestimmen der Entfernungen d₁–d₃ erforderlich ist.
Um die Richtung des Tauchers D von dem Boot 30 durch Triangulation und die vier Sensoren zu bestimmen, muss der Ort des Geräts s₄ bestimmt werden. Die räumliche Lage des Geräts s₄ bestimmt sich durch die Dreiecke s₁-s₂-s₄, s₁-s₃-s₄ und/oder s₂-s₃-s₄. Allerdings besitzt eine auf nur den Distanzen basierende Lösung eines Reflexions- oder Spiegelpunkt, der dieselben geometrischen Kriterien erfüllt.
Um die Spiegel-Lösung zu eliminieren, wird ein Kreis c₁ in der Ebene eines der Dreiecke, hier beispielsweise des Dreiecks s₁-s₂-s₄, mit dessen Mittelpunkt (nicht dargestellt) auf der Verlängerung l₁ der Linie zwischen den Sensoren s₁ und s₂ konstruiert. Der Radius des Kreises c₁ ist derart skaliert, dass sein Umfang den Punkt s₄ des Dreiecks s₁, s₂, s₄ kreuzt. Da der Spiegelpunkt s₅ auf dem Kreis die gleichen Kriterien erfüllt, weiß der Algorithmus noch nicht, welcher Punkt der korrekte Punkt ist. Dann wird ein zweiter Kreis c₂ in ähnlicher Weise in einer Ebene des Dreiecks s₂-s₃-s₄ mit seinem Mittelpunkt auf der Verlängerung l₂ der Linie zwischen s₂ und s₃ konstruiert. Der Umfang von c₂ wird ebenfalls an dem Kreuzungspunkt s₄ eingestellt.
Die Richtung zu dem Taucher D ist nun eindeutig bestimmt, da die Spiegel-Kandidatenpunkte s₅ und s₆ nicht gleich sind und also eliminiert werden können.
Wenn Tiefeninformation verfügbar ist (gesendet von der Taucheinheit des Tauchers), reichen im Prinzip zwei Sensoren aus. Die Tiefe des Tauchers verrät in diesem Fall, welcher der Punkte s₄ und s₅ beispielsweise der maßgebliche Punkt ist. Die einzige Situation, in welcher der Tiefenwert der Punkte s₄ und s₅ derselbe ist, ist diejenige, in der die am Boot befindlichen Sensoren s₁–s₃ die gleiche Tiefe haben wie der Taucher, was in hohem Maße unwahrscheinlich ist.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können Drehsensoren eingesetzt werden, um die Richtung zu einem Ziel zu bestimmen. Diese beinhalten die Messung der Signalstärke. Mit Drehsensoren ist es einfach, die Richtung festzustellen, aus der ein empfangenes Signal am stärksten ist. Damit reichen zwei Drehsensoren aus, um die Information zu sammeln, die zum Bestimmen der Richtung für beispielsweise einen Taucher notwendig ist.
Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung können Sensorarrays verwendet werden, um die Richtung zu einem Ziel zu bestimmen. Sensorarrays können aus einer Mehrzahl von in einer Matrix, in einer Reihe oder in einem Kreis angeordneten Sensoren bestehen, die überwacht werden, um zu ermitteln, welche Sensoren das stärkste Signal empfangen. Das Steuersystem derartiger Arrays kann konfiguriert sein, um die Richtung zu dem Ziel basierend auf einer einzelnen Messung eines ankommenden Signals anzugeben.
Wie oben diskutiert wurde, können Antennenarray-Anordnungen ermitteln, aus welcher Richtung eine Ultraschall-Übertragung stammt, beispielsweise die stärkste Amplitude empfangen wird, wodurch mindestens eine angenäherte Richtung eines Tauchers bestimmt werden kann. Die Genauigkeit der Richtung zu dem Taucher hängt ab von den Tauchumständen, durch Einsatz passender Antennen-Arrays (Ultraschallwandler), und Nachweisalgorithmen für eine Ankunftsrichtung (DOA; Direction of Arrival) ist eine gute Abschätzung erzielbar. DOA-Algorithmen sind in diesem Zusammenhang bekannt, erwähnt seien hier Fast-Fourier-Transformationsmethoden, Psarenko Harmonic Decomposition (PHD), Multiple Signal Classification sowie Eigenvektorverfahren. Die in 1 gezeigte Verarbeitungseinheit kann dann einem Abstandswert für den Taucher einer Richtung zuordnen, im Fall mehrerer Taucher kann der Ort jedes Tauchers festgestellt werden.
In 4A sind einige Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, wobei Richtungs-empfindliche Ferngeräte 41 und 42 an einem Schiff 40 eingesetzt werden. Der Ort jedes tragbaren Geräts s₄ an dem Taucher D wird bestimmt durch die beiden dreidimensionalen Richtungsvektoren r1 und r2. Der Ort des Tauchers D befindet sich an deren Kreuzungspunkt. In 4b ist außerdem das Prinzip der Signalstärkemessung und der Richtungsbestimmung basierend auf diesem Verfahren skizziert. Sensoren s_x–s_x+1 empfangen ein Signal von dem Sender des Geräts s₄ mit unterschiedlicher Stärke, abhängig von deren Ort relativ zu dem Taucher D. Der Sensor s_x+m, der das stärkste Signal oder die stärkste Amplitude bei x empfängt, führt die Information über die Richtung zu dem Taucher. Die in 4 dargestellte zweidimensionale Ansicht lässt sich leicht auf 3D mit Drehsensoren erweitern, welche Signale aus sämtlichen Richtungen empfangen, oder indem Zwei-D- oder Drei-D-Sensorarrays (z. B. als Halbkugel angeordnet) eingesetzt werden, wie oben erläutert wurde.
In 4c ist das Konzept eines ringförmigen Sensorarrays 43 dargestellt, das in der Lage ist, in zwei Dimensionen die Richtung eines ankommenden Signals 45 von einer tragbaren Einheit nachzuweisen. Das Array 43 besteht in diesem beispielhaften Fall aus zwölf Signalrichtungsempfindlichen Empfängern oder Sensoren 44a–44l, jeweils mit einem Nachweiswinkel α. Der Sensor 44l empfängt das stärkste Signal und erhält das größte Gewicht bei der Richtungs-Auffindungsberechnung, während die benachbarten Empfänger 44k und 44a basierend auf deren Empfangssignalstärken zu der endgültigen Richtungsangabe beitragen. Ein Drehsensor würde in ähnlicher Weise arbeiten, mit dem Unterschied, dass die Nachweispunkte 44a–44l einen kleinen Zeitversatz aufweisen, bedingt durch die Verzögerung, die durch die Drehbewegung R eines Geräts 43 hervorgerufen wird, das anstelle von zwölf nur einen oder wenige Sensoren 44 aufweist. Ein Minimum von zwei, tatsächlich aber jede beliebige Anzahl von Sensoren 43, die in gewünschten Winkeln zueinander angeordnet sind, lässt sich kombinieren, um einen 3D-Sensor zu erhalten, der in der Lage ist, einen exakten Nachweis der Richtung zu dem tragbaren Gerät s₄ zu ermitteln.
Einer der Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, dass das tragbare Gerät, d. h. eine Tauchereinheit, mit nur einer einzigen Antenne gebaut werden kann. Auf diese Weise können die Einheiten klein und energieeffizient gemacht werden. Vorzugsweise ist eine Tauchereinheit in einem Tauchcomputer oder in eine Tankdruck-Sensoreinheit eines Tauchcomputers integriert.
Distanz und Richtung von Taucher zu Taucher
In 5 ist eine Situation dargestellt, in der ein Boot 50 die Basis für ein Team von drei Tauchern D1, D2 und D3 ist. Bei einigen Ausführungsformen kann das Boot Unterwasser-Sendeempfänger 54, 56 in der erforderlichen Zahl aufweisen, die von dem Boot und/oder von einer getrennten Boje 55 herabhängen. Wie in Verbindung mit 3 beschrieben ist, kommunizieren die Sendeempfänger über Ultraschall-Signalübermittlung mit den Tauchereinheiten 51, 52 und 53, die von den Tauchern D1, D2 bzw. D3 getragen werden. Die Abstands- und Richtungsvektoren d0-1, d0-2 und d0-3 von der Einheit 54 zu jedem der Taucher lassen sich in der oben in Verbindung mit den 2 bis 4 beschriebenen Weise berechnen. In den Bezugszeichen d0-1, d0-1 und d0-3 steht 0 für die Barke 54, und die Ziffern 1 bis 3 stehen für die jeweiligen Taucher D1–D3. Im Folgenden wird die Kommunikation für die von Taucher zu Taucher übermittelten Daten aus Gründen der Klarheit so beschrieben, als fände sie nur über die Einheit 54 statt. Es ist jedoch ersichtlich, dass jede Einheit 54, 56 in ähnlicher Weise arbeiten könnte, oder dass mehrere Sendeempfänger dies in paralleler Weise tun könnten, um den Bereich und die Signalqualität für entfernte Taucher zu verbessern.
Bei einigen Ausführungsformen kann die in 1 gezeigte Verarbeitungseinheit jedem Taucher einen Ortvektor d0-1, d0-2 und d0-3 zuordnen. Der Ort lässt sich verifizieren oder ergänzen durch von den Tauchereinheiten gesendete Tiefendaten. Die Ortsinformation bildet somit dreidimensionale Abstandsvektoren zu jedem Taucher D1–D3, was jeder Tauchereinheit 51 bis 53 übermittelt wird. Aus dieser Information kann die Verarbeitungseinheit in jeder Tauchereinheit die relative Distanz und Richtung von jedem Taucher zu einem beliebigen Mit-Taucher berechnen. Wenn z. B. die Abstandsvektoren d0-1, d0-2 und d0-3 von dem Sendeempfänger zu jedem Taucher bekannt sind, so lassen sich die Abstandsvektoren d1-2, d2-3 und d1-3 zwischen jeweils zwei Taucher durch gewöhnliche Vektorsubtraktion berechnen. Beispielsweise ist der Vektor d23 von dem Taucher D3 zum Taucher D2 ein Ergebnis der Subtraktion der Vektoren d03-d02, und der Wert lässt sich für den Taucher D3 zur einfachen Orientierung bezüglich des Tauchers D2 anzeigen, falls dies notwendig ist.
Auf diese Weise kann ohne weitere Signalübertragung zwischen den Tauchern und dem Sendeempfänger 54 und ohne jegliche Ortsmessung in den Tauchereinheiten der Sendeempfänger 54 oder eine Verarbeitungseinheit in jeder Tauchereinheit 51 bis 53 den Abstand zu und die Richtung zwischen beliebigen Tauchern in einem Taucherteam D1 bis D3 berechnen, und diese Information kann für jeden Taucher angezeigt werden. Vorzugsweise sind die Taucher sämtlich mit Kompassgeräten ausgerüstet, die es einfach machen festzustellen, in welcher Richtung zu schwimmen ist, um irgendwelche der Mit-Taucher aufzufinden.
Bestimmung der Bewegungsrichtung eines Tauchers
Die Bewegungsrichtung eines Tauchers lässt sich in einfacher Weise durch wiederholte Abstandsmessungen und Anwenden auf die Ergebnisse eines beliebigen Taucher-Ortsberechnungsverfahrens bestimmen, wie oben erläutert wurde. Die Differenz der Ortsdaten teilt dem System mit, in welcher Richtung der Taucher schwimmt oder sich bewegt. Das System kann Alarme einrichten, wenn sich ein Taucher z. B. aus dem Bereich des Ultraschall-Kommunikationssystems herausbewegt. Außerdem können andere Alarmgrenzen von dem System eingerichtet werden, so z. B. die Tauchzeit, der Tankdruck etc. Eine überschrittene Alarmgrenze kann das System veranlassen, eine Warnung oder eine Notnachricht an sämtliche Taucher auszugeben.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Geschwindigkeit sowie die Richtung eines Tauchers über andere Mittel bekannt, beispielsweise durch Verwendung von 6DOP-(6 Freiheitsgrade)-Orientierungssensoren, Druckgradienten- oder Thermogradienten-Geschwindigkeitssensoren innerhalb des tragbaren Geräts. In derartigen Fällen wird Information zu der Ferneinheit gesendet, mit den Ortsdaten des Tauchers kombiniert und zu den anderen Tauchern verteilt, wie oben beschrieben wurde.
Kommunikationsaspekte
Im Allgemeinen sollte ein Sendeempfänger im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit besitzen, auf Signale anderer sendenden Geräte zu hören. In derartigen Fällen können die Sendeempfänger ihr Kommunikations-Zeitablaufschema basierend auf Signalen ähnlicher Geräte selbst justieren. Das Senden von Daten lediglich als Antwort auf eine Anforderung ist ein Merkmal, welches dazu beiträgt, Probleme mit reflektierten Signalen und/oder überlappenden Signalen zu überwinden. Als ein weiteres Merkmal in diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße System bei einigen Ausführungsformen vorbestimmte und unterschiedliche Zeitverzögerungen für jeden Benutzer enthalten. Die Zeitverzögerungen können fabrikseitig eingestellt oder an jeder tragbaren Einheit einstellbar sein, wodurch es möglich ist, die Anzahl von Spielern, Tauchern und anderen Umständen zu berücksichtigen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Zeitverzögerungsinformation, die für jede tragbare Einheit eindeutig ist, auch die Kennungsdaten für diese Einheit bilden. Vorab definierte und unterschiedliche Zeitverzögerungen für jede tragbare Einheit sollten garantieren, dass ein Rundspruch von einer Ferneinheit 54 oder 56 in einer geordneten Weise ohne Kollisionen von jeder tragbaren Einheit beantwortet wird.
Alternativ kann es in einigen Ausführungsformen eine Mastereinrichtung geben, die einige oder sämtliche der Geräte steuert, der Master ist so konfiguriert, dass er auch von anderen Geräte gesendete Datenpakete hört, und er kann den anderen Geräten basierend auf der Verfügbarkeit freier Zeitschlitze innerhalb des Schemas Zeitschlitze zuordnen. Ein solches Zeiteinteilungsschema kann dem bekannten Zeitmultiplex-Schema (TDMA) ähneln. Dann kann ein Signal Datenpakete enthalten, die sukzessiv in aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen mit einer Zeitschranke zwischen den Datenpaketen geordnet sind, um sicherzustellen, dass es keine Überlappung von Datenpaketen gibt.
Wenn eine Ferneinheit 54 oder 56 Nachrichten aussendet, die eine Antwortnachricht-Anforderung von sämtlichen oder einigen der tragbaren Geräte 51 bis 53 enthalten, sei es in Form eines Rundspruchs oder individuell adressiert, so sendet jede tragbare Einheit als Antwort ein Datenpaket mit Kennungsdaten (ID) und Zeitverzögerungsdaten. Die Zeitverzögerungsdaten bilden die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitstempel eines empfangenen Signals und dem Zeitstempel des gesendeten Antwortsignals, wie in Verbindung mit 2 diskutiert wurde.
Das erfindungsgemäße System lässt sich auch einfach an Änderungen „im Flug” anpassen. Wenn ein neuer Spieler oder Taucher dem Team beitritt, wird der Neuankömmling einfach durch die ID der tragbaren Einheit identifiziert, die sie oder er trägt, und wird dem Team hinzugefügt. Wenn ein Teammitglied das Team verlässt, geschieht das Umgekehrte. Sämtliche Teammitglieder können durch eine Nachricht informiert werden, die von der Ferneinheit gesendet wird und Änderungen innerhalb des Teams betrifft.
Auf diese Weise verwaltet der Sendeempfänger 54 den Verkehr, um zu gewährleisten, dass eine sichere Kommunikation ohne Kollisionen und Fehler stattfindet. Die tragbaren Einheiten können Nutzdaten an die Sendeempfänger 54, 56 senden, so z. B. die Tiefe des betreffenden Tauchers, den derzeitigen Tankdruck und den durchschnittlichen Luftverbrauch während der letzten einigen Minuten, um Beispiele zu nennen. Ein hoher Luftverbrauch korreliert üblicherweise mit wenig Erfahrung oder einer starken Stresssituation, und dies kann die Ferneinheit veranlassen, einem Taucher häufiger zu folgen oder einen Alarm auszulösen.
Funk über die Luft
Bei einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems sind eine erste und eine zweite Drahtlos-Kommunikationseinrichtung des Ferngeräts bzw. des tragbaren Geräts Funk-Sendeempfänger. Somit umfasst das Ferngerät einen Empfänger, der Funksignale von dem tragbaren Gerät empfangen kann und dessen Abstand und Richtung ermitteln kann, und das tragbare Gerät kann ähnliche Kommunikationsfähigkeiten besitzen. Damit können das Ferngerät und/oder das tragbare Gerät Smartphone oder Smartuhren sein, die mit entsprechender Software zum Implementieren der Erfindung versehen sind. Die tragbaren Geräte können auch autonome Sendeempfänger sein, die sich an einer Sportausrüstung, einem Auto oder an einer ortsfesten Stelle auf einem Spielplatz befestigen lassen.
Der Abstand zwischen zwei Sendeempfängern in einer Funktechnik-Variante der vorliegenden Erfindung kann in der gleichen Weise berechnet werden wie bei Ultraschallwellen, basierend auf der Transportzeit. Die Richtung von einer entfernten oder Basiseinheit zu einem tragbaren Gerät lässt sich somit durch Triangulation oder durch Verwenden von Sensoren oder von Arrays berechnen, die in der Lage sind, die Richtung eines ankommenden Signals auf der Grundlage der Signalstärke zu identifizieren.
Erfindungsgemäße Systeme sind in dieser Hinsicht möglicherweise äußerst nützlich bei der Überwachung und Ausführung von Spielfeldaktivitäten, d. h. Spielen. Da zahlreiche Spielfelder eine ebene Oberfläche besitzen, sind die Richtungsvektoren zwischen unterschiedlichen Einheiten in der Praxis zweidimensional, was die Geräte weiter vereinfacht. Spielanalysen (z. B. beim Fußball) und Spiele in Dunkelheit (z. B. Paint Ball) sind Beispiele möglicher Anwendungen der vorliegenden Erfindung.
Funk-Sendeempfänger können somit ein Netzwerk bilden, in welchem sämtliche Teilnehmer oder Spieler in Echtzeit auf das Spielfeld abgebildet werden. Sie können einander auf einer Anzeige ihres tragbaren Geräts sehen und entsprechend handeln. Abhängig von der Sportart oder der Spielart kann eine Nachbearbeitung der Daten ein wichtiger Aspekt sein, beispielsweise zu dem Zweck, die Realisierung geplanter Taktiken zu – studieren. Das Drahtlos-Kommunikationsprotokoll kann ein Protokoll sein, wie es für die Kommunikation zwischen Computern verwendet wird, und/oder zwischen beliebigen Fernsensoren, beispielsweise ein Bluetooth-LE oder das Proprietary ANT+-Protokoll. Diese verwenden ein Direkt-Sequenz-Spreizspektrum, DSSS, Modulationsverfahren und eine adaptive isochrone Netzwerkkonfiguration. Erläuternde Beschreibungen der benötigten Hardware für verschiedene Implementierungen für Drahtlos-Verbindungen stehen beispielsweise zur Verfügung von Texas Instrument's^® Handbuch „Wireless Connectivity”, das IC-Schaltungen und zugehörige Hardware-Konfigurationen für Protokolle enthält, die in den Sub-1- und 2,4-GHz-Frequenzbändern arbeiten, so z. B. ANT^TM, Bluetooth^®, Bluetooth^® Low Energy, RFID/NFC, PurePath^TM Drahtlos-Audio, ZigBee^®, IEEE 802.15.4, ZigBee RF4CE, 6LoWPAN, Wi-Fi^®.
6 veranschaulicht eine beispielhafte Vorrichtung, die in der Lage ist, mindestens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen. Dargestellt ist ein tragbares Gerät 600, das z. B. eine Verarbeitungseinheit mit den in 1 erläuterten Spezifikationen und Fähigkeiten aufweist. In dem Gerät 600 befindet sich der Prozessor 610, der ähnlich wie der Prozessor 110 nach 1 ausgebildet sein kann. Das Gerät 600 kann eine Speichereinheit 620 zum Speichern von Information und/oder Computerbefehlen aufweisen, die der Prozessor 610 ausführen kann. Wenn Computerbefehle so konfiguriert sind dass sie den Prozessor 610 veranlassen, gewisse Aktionen auszuführen, die in der Speichereinheit 620 gespeichert sind, ist das Gerät 600 insgesamt so konfiguriert, dass es unter Anleitung des Prozessors 610 unter Einsatz von Computerbefehlen aus der Speichereinheit 620 läuft, wobei der Prozessor 610 und/oder mindestens dessen einer Prozessorkern konfiguriert ist, um gewisse Aktionen auszuführen.
Die Speichereinheit 602 kann einen Schreib-/Lesespeicher und/oder einen Permanentspeicher aufweisen. Die Speichereinheit 620 kann mindestens einen RAM-Chip enthalten. Die Speichereinheit 620 kann beispielsweise einen Festkörper, einen magnetischen, einen optischen und/oder holographischen Speicher enthalten. Die Speichereinheit 620 kann zumindest teilweise zugänglich sein für den Prozessor 610. Die Speichereinheit 620 kann zumindest teilweise in dem Prozessor 610 enthalten sein, und/oder sie kann mindesten teilweise außerhalb des Geräts 600 angeordnet sein, jedoch für das Gerät 600 zugänglich.
Das tragbare Gerät 600 kann einen Sender 630 und einen Empfänger 640 aufweisen, oder diese können einen kombinierten Sendeempfänger bilden. Der Sender 630 und der Empfänger 640 können konfiguriert sein zum Senden bzw. zum Empfangen von Information gemäß mindestens einer Ultraschall-Norm oder einer Besitzer-Norm. Der Sender 630 kann mehr als einen Sender enthalten. Der Empfänger 640 kann mehr als einen Empfänger enthalten. Der Sender 630 und/oder der Empfänger 640 können auch so konfiguriert sein, dass sie gemäß einem globalen System für die mobile Kommunikation, GSM, arbeiten, oder nach dem Breitband-Codemultiplex, WCDMA, Long Term Evolution, LTE, IS-95, Lokales Drahtlos-Netzwerk, WLAN, Ethernet und/oder weltweite Arbeitsfähigkeit für Mikrowellen-Zugriff, WiMAX-Standards.
Das Gerät 600 kann einen Nahfeldkommunikations- d. h. NFC-Sendeempfänger 650 aufweisen. Der NFC-Sendeempfänger 650 kann mindestens eine NFC-Technik unterstützen, beispielsweise NFC, Bluetooth, Wibree oder ähnliche Techniken. Das Gerät 600 kann eine Benutzerschnittstelle, UI 660 enthalten. UI 660 kann mindestens eine Anzeige, eine Tastatur, einen Touchscreen, einen Vibrator zum Informieren eines Benutzers, indem das Gerät 300 zum Vibrieren gebracht wird, einen Lautsprecher und ein Mikrofon enthalten. Ein Benutzer kann in der Lage sein, das Gerät 300 über die UI 360 zu betreiben, beispielsweise zu dem Zweck, Tauchen oder Sportaktivitätssitzungen zu verwalten. Das Gerät 600 kann außerdem ein Magnetometer oder ein Kompassgerät 670 enthalten, welches dem Prozessor 610 eine Anzeige des magnetischen Nordens liefert, die als solche angezeigt werden kann, oder die in eine Peilung zu einem anderen tragbaren Gerät auf eine Anzeige der Benutzerschnittstelle 660 eingearbeitet wird.
Es versteht sich, dass die Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hier offenbart sind, nicht auf die angegebenen speziellen Strukturen, Prozessschritte oder Werkstoffe beschränkt sind, sondern sich auf deren Äquivalente erstrecken, wie der Fachmann auf dem einschlägigen technischen Gebiet erkennt. Außerdem versteht sich, dass die hier verwendete Terminologie nur zur Beschreibung spezieller Ausführungsformen dient, jedoch nicht beschränkend zu verstehen ist.
Bezugnahme in der vorliegenden Beschreibung auf „eine (als Zahlwort) Ausführungsform” oder „Ausführungsform” bedeutet hier, dass ein spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur oder Charakteristik, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Auftauchen der begriffe „in einer (als Zahlwort) Ausführungsform” oder „in einer (als unbestimmter Artikel) Ausführungsformen” an verschiedenen Stellen im Rahmen dieser Beschreibung ist nicht notwendigerweise immer auf ein und dieselbe Ausführungsform beschränkt.
Zweckmäßigerweise können hier mehrere Ausdrücke, Strukturelemente, zusammengesetzte Elemente und0der Werkstoffe in einer gemeinsamen Liste dargestellt werden. Allerdings sollten diese Listen in der Weise ausgelegt werden, dass jedes Element der Liste individuell als separates und einzigartiges Element zu verstehen ist. Damit sollte kein individuelles Element einer derartigen Liste interpretiert werden als Äquivalent irgendeines anderen Elements derselben Liste nur aufgrund der Darstellung innerhalb einer gemeinsamen Gruppe, wenn nicht das Gegenteil angegeben ist. Ferner können verschiedene Ausführungsformen und Beispiele der vorliegenden Erfindung hier in Verbindung mit Alternativen für deren verschiedene Komponenten angegeben werden. Es versteht sich, dass solche Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen nicht als Äquivalente zueinander zu verstehen sind, sondern als getrennte und autonome Darstellungen der vorliegenden Erfindung zu betrachten sind.
Weiterhin können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Charakteristika in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details angegeben, so zum Beispiel Längen, Breiten, Formen etc., um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Der Fachmann erkennt allerdings, dass die Erfindung auch ohne ein oder mehrere der spezifischen Details in die Praxis umsetzbar ist, ebenso wie durch andere Verfahren, Komponenten, Werkstoffe etc. In anderen Fällen sind an sich bekannte Strukturen, Werkstoffe oder Arbeitsvorgänge nicht im Einzelnen dargestellt, um Aspekte der Erfindung nicht zu verdecken.
Während die obigen Beispiele anschaulich sind für Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer oder mehreren speziellen Anwendungen, ist dem Fachmann ersichtlich, dass zahlreiche Modifikationen in der Form der Anwendung und in Einzelheiten der Implementierung ohne erfinderisches Zutun möglich sind, ohne dass dabei von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung abgewichen wird. Dementsprechend ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung durch etwas anderes als die beigefügten Ansprüche beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8275311 [0002]
US 7650208 [0002]
US 42218 [0002]
FI 20135911 [0002]
US 2014/048069 [0005]
WO 2014/075860 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.15.4 [0062]

Claims

System zum Bestimmen der Distanz zu und des Orts von Geräten, die untereinander über ein Medium kommunizieren, umfassend: mindestens ein Ferngerät mit einer ersten Verarbeitungseinheit, mindestens einem Sender, der mit der ersten Verarbeitungseinheit funktionell verbunden und dazu ausgebildet ist, Signale über ein Medium zu senden, und mindestens einem Empfänger, der funktionell mit der ersten Verarbeitungseinheit verbunden und dazu ausgebildet ist, Signale über das Medium zu empfangen, mindestens zwei tragbare Geräte, jeweils mit einer zweiten Verarbeitungseinheit und einer Drahtlos-Kommunikationseinrichtung, die in der Lage ist, Signale über das Medium zu empfangen und zu senden; wobei das Ferngerät ausgebildet ist, um: – die Distanz zu mindestens zwei tragbaren Geräten zu bestimmen, – die Richtung zu den mindestens zwei tragbaren Geräten basierend auf mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen zu bestimmen, die von dem mindestens einen Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen werden, – den Ort der mindestens zwei tragbaren Geräte relativ zu dem Ferngerät zu berechnen, – den Ort mindestens eines ersten tragbaren Geräts zu einem zweiten tragbaren Gerät zu übermitteln; und das zweite tragbare Gerät dazu ausgebildet ist, – den Ort des ersten tragbaren Geräts in der zweiten Verarbeitungseinheit zu verarbeiten und dem Benutzer des zweiten tragbaren Geräts eine Anzeige der Richtung und der Distanz zu dem ersten tragbaren Gerät zu präsentieren.
System nach Anspruch 1, bei dem das Ferngerät dazu ausgebildet ist, die Zeit zu speichern, zu der ein Datensignal über das Medium gesendet wird, und die Distanz zu den tragbaren Geräten basierend auf der Laufzeit der Signale zwischen den Geräten zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, bei dem das Ferngerät dazu ausgebildet ist, über das Medium ein Datensignal zu dem tragbaren Gerät zu senden, und die Distanz zu den tragbaren Geräten basierend auf der Signalstärke der von den tragbaren Geräten empfangenen Antwortsignale zu bestimmen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ferngerät dazu ausgebildet ist, die Richtung zu den tragbaren Geräten basierend auf dem Schnittpunkt mindestens zweier verschiedener Peilungen zu bestimmen, die von dem Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ferngerät dazu ausgebildet ist, die Richtung zu den tragbaren Geräten basierend auf mindestens zwei verschiedenen Peilungen zu jeden tragbaren Geräten zu bestimmen, die von mindestens zwei Empfängern vorgenommen werden, die funktionell mit der Verarbeitungseinheit des Ferngeräts gekoppelt sind.
System nach Anspruch 5, bei denn die mindestens zwei Empfänger voneinander beabstandet sind und Signalrichtungs-empfindlich ausgerichtet sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der mindestens eine Empfänger einen Drehrichtungs-empfindlichen Sensor aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein von dem Ferngerät zu dem tragbaren Gerät gesendetes Datensignal einen Kennungscode aufweist, durch den ein tragbares Gerät sich selbst als ein Empfänger des Datensignals identifiziert.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein von dem tragbaren Gerät zu dem Ferngerät gesendetes Datensignal einen ID-Code enthält, über den ein tragbares Gerät sich selbst als den Sender des Datensignals identifiziert.
System nach Anspruch 9, bei dem der ID-Code des tragbaren Geräts eine vorbestimmte Zeitverzögerung ist, die zwischen dem Empfang von Daten und dem Senden einer Antwort verstreichen muss.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem von dem Ferngerät zu mehreren tragbaren Geräten gesendete Signale Daten über den Ort der tragbaren Geräte enthalten, wobei jedes der mehreren tragbaren Geräte konfiguriert ist zum Berechnen und Anzeigen der Richtung und der Distanz zu jedem anderen tragbaren Gerät.
Verfahren zum Bestimmen der Distanz zu und des Orts von Geräten, die untereinander über ein Medium kommunizieren, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen von mindestens einem Ferngerät und mindestens zwei tragbaren Geräten, wobei jedes Gerät eine Verarbeitungseinheit und eine Drahtlos-Kommunikationseinrichtung aufweist, die funktionell ausgebildet ist zum Senden und Empfangen von Signalen über das Medium, wobei das Verfahren folgende in dem Ferngerät ausgeführte Schritte aufweist: – Bestimmen der Distanz zu mindestens zwei tragbaren Geräten, – Bestimmen der Richtung zu den mindestens zwei tragbaren Geräten, basierend auf mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen, die von dem mindestens einen Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen werden, – Berechnen des Orts der mindestens zwei tragbaren Geräte relativ zu dem Ferngerät; – Übermitteln des Orts mindestens eines ersten tragbaren Geräts zu einem zweiten tragbaren Gerät; und folgenden weiteren, in dem tragbaren Gerät ausgeführten Schritt: Verarbeiten des Orts des ersten tragbaren Geräts in dem zweiten tragbaren Gerät, um eine Anzeige der Richtung und der Distanz zu dem ersten tragbaren Gerät zu enthalten und dem Benutzer des zweiten tragbaren Geräts zu präsentieren.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Bestimmens der Distanz zu den tragbaren Geräten ausgeführt wird durch Speichern der Zeit, zu der ein Datensignal über das Medium gesendet wird, und zum Bestimmen der Distanz zu den tragbaren Geräten auf der Grundlage der Laufzeit der Signale zwischen den Geräten.
System nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Bestimmens der Distanz zu den tragbaren Geräten dadurch ausgeführt wird, dass von dem Ferngerät zu den tragbaren Geräten über das Medium ein Datensignal gesendet wird, und die Distanz zu den mindestens zwei tragbaren Geräten bestimmt wird auf der Grundlage der Signalstärke der von den tragbaren Geräten empfangenen Antwortsignalen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Schritt des Bestimmens der Richtung zu den tragbaren Geräten auf dem Schnittpunkt mindestens zweier unterschiedlicher Peilungen zu jedem tragbaren Gerät basiert, welche von dem Ferngerät zu jedem tragbaren Gerät vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Schritt des Bestimmens der Richtung zu den tragbaren Geräten auf mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen zu jedem tragbaren Gerät beruht, die durch mindestens zwei Empfänger vorgenommen werden, die funktionell mit der Verarbeitungseinheit des mindestens eines Ferngeräts vorgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Richtung zu den mindestens zwei tragbaren Geräten auf einer Peilung basiert, die von zwei Signalrichtungs-empfindlichen Empfängern vorgenommen wird, die voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem das Ferngerät die Richtung zu den mindestens zwei tragbaren Geräten unter Verwendung mindestens eines Empfängers bestimmt, der mit einem Drehrichtungs-empfindlichen Sensor ausgestattet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem ein Kennungscode, durch den ein tragbares Gerät sich selbst als Empfänger eines Datensignals identifiziert, das von dem Ferngerät zu dem tragbaren Gerät gesendet wird, in dem Datensignal enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem ein ID-Code, durch den ein tragbares Gerät sich selbst als der Sender eines Datensignals identifiziert, in dem von dem tragbaren Gerät zu dem Ferngerät gesendeten Datensignal enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem als ID-Code des tragbaren Geräts eine vorbestimmte Zeitverzögerung verwendet wird, die zwischen dem Empfang von Daten und dem Senden einer Antwort verstreichen muss.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem die Daten über den Ort jedes tragbaren Geräts in den von dem Ferngerät zu einer Mehrzahl tragbarer Geräte gesendeten Signalen enthalten sind, wodurch jedes der mehreren tragbaren Geräte die Richtung und die Distanz zu jedem anderen tragbaren Gerät berechnen und anzeigen kann.
Ortungsgerät zum Bestimmen der Distanz zu und des Orts von zwei oder mehr tragbaren Geräten, die mit dem Ortungsgerät miteinander über ein Medium kommunizieren, umfassend: eine Verarbeitungseinheit, mindestens einen funktionell mit der Verarbeitungseinheit gekoppelten Sender, ausgebildet zum Senden von Signalen über ein Medium, mindestens einen funktionell mit der Verarbeitungseinheit verbundenen Empfänger, ausgebildet zum Empfangen von Signale über das Medium, und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten; wobei die Verarbeitungseinheit konfiguriert ist zum Bestimmen der Distanz zu den tragbaren Geräten; die Verarbeitungseinheit konfiguriert ist zum Bestimmen der Richtung zu den tragbaren Geräten, basierend auf mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen, die von dem Ortungsgerät zu jedem der tragbaren Geräte vorgenommen werden, und zum Berechnen des Orts jedes tragbaren Geräts relativ zu dem Ortungsgerät; und wobei das Ortungsgerät konfiguriert ist zum Übermitteln des Orts mindestens eines ersten Geräts der tragbaren Geräte zu mindestens einem zweiten Gerät der tragbaren Geräte.
Ortungsgerät nach Anspruch 23, bei dem die Verarbeitungseinheit konfiguriert ist, um in der Speichereinheit die Zeit zu speichern, zu der ein Datensignal über das Medium gesendet wird, zum Empfangen eines von den tragbaren Geräten als Antwort auf das Datensignal gesendetes Rückkehrsignal, und zum Registrieren der Ankunftszeit der Antwort, und zum Bestimmen der Distanz zu den tragbaren Geräten basierend auf der Laufzeit der Signale zwischen dem Ortungsgerät und jedem der tragbaren Geräte.
Ortungsgerät nach Anspruch 23, bei dem die Verarbeitungseinheit konfiguriert ist, um in der Speichereinheit als einen gegebenen Parameter die Sendeleistung der Sender in den tragbaren Geräten zu speichern, und den Abstand zu den tragbaren Geräten basierend auf der Signalstärke der von den tragbaren Geräten empfangenen Antwortsignale zu bestimmen.
Ortungsgerät nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem die Verarbeitungseinheit konfiguriert ist, um die Richtung zu den tragbaren Geräten basierend auf dem Schnittpunkt mindestens zweier unterschiedlicher Peilungen zu bestimmen, die von dem Ortungsgerät zu jedem der tragbaren Geräte vorgenommen werden, und zum Berechnen des Orts der tragbaren Geräte relativ zu dem Ortungsgerät.
Ortungsgerät nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem die Verarbeitungseinheit konfiguriert ist zum Bestimmen der Richtung zu den tragbaren Geräten auf der Grundlage von mindestens zwei unterschiedlichen Peilungen zu jedem tragbaren Gerät, welche von mindestens zwei Empfängern vorgenommen werden, die mit der Verarbeitungseinheit des Ortungsgeräts funktionell gekoppelt sind.
Tragbares Gerät, umfassend eine Verarbeitungseinheit und einen Drahtlos-Sendeempfänger, ausgebildet für die Kommunikation mit einem Fernortungsgerät und mindestens einem anderen tragbaren Gerät über ein Medium, wobei der Sendeempfänger konfiguriert ist zum Empfangen von Datensignalen von dem Fernortungsgerät und zum Antworten auf die Signale, und die Verarbeitungseinheit weiterhin konfiguriert ist, um Ortsdaten des Ortungsgeräts, die von dem Ortungsgerät empfangen werden, zu verarbeiten, und dem Benutzer des Geräts eine Anzeige der Richtung und der Distanz zu dem Ortungsgerät oder dem weiteren tragbaren Gerät zu präsentieren.