DE102016211639A1

DE102016211639A1 - Verfahren und System zur Lokalisierung

Info

Publication number: DE102016211639A1
Application number: DE102016211639.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ziroff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem System zur Lokalisierung wird eine relative Lage eines ersten Objekts zu einem zweiten Objekt mittels Verwendung eines durch einer auf dem ersten und zweiten Objekt verteilten Anordnung zur Magnetfelderzeugung erzeugten 2n-poligen Magnetfelds ermittelt, mit n größer oder gleich dem Wert 2.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 sowie ein System zur Lokalisierung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 8.
Es sind zahlreiche Systeme beziehungsweise Lokalisierungstechniken bekannt, wie beispielsweise Funklokalisierung oder auf Optik basierende Techniken. Zahlreiche Systeme sind auch bereits am Markt.
Mit diesen Systemen lässt sich die Bestimmung der Relativlage zwischen zwei Teilen eines technischen Systems, zwischen zwei Menschen oder zwischen einem technischen System und einem Menschen realisieren. Hierbei handelt es sich um ein Problem, welches in vielen technischen Zusammenhängen auftaucht und dessen Lösung die Voraussetzung dafür schafft, auf höherer Systemebene steuernd, optimierend oder überwachend eingreifen zu können.
Bei einem dieser Systeme werden Magnetfelder mit n Sende und m Empfangsspulen verwendet, die an den jeweiligen, relativ zueinander zu lokalisierenden Geräteteilen montiert sein müssen. Durch Messung der Empfangsfeldstärke und Kenntnis der Physik der Ausbreitung der Magnetischen Felder kann auf die relative Lage geschlossen werden.
Nachteilig ist bei diesem System, dass die radiale Relativposition nicht genau bestimmbar ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die beiden Anlagenteile einen großen Abstand voneinander aufweisen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es eine Lokalisierungstechnologie anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Lokalisierung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch das Systemgemäß Anspruch 8 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Lokalisierung wird eine relative Lage eines ersten Objekts zu einem zweiten Objekt mittels Verwendung eines durch einer auf dem ersten und zweiten Objekt verteilten Anordnung zur Magnetfelderzeugung erzeugten 2n-poligen Magnetfelds ermittelt, mit n größer oder gleich dem Wert 2.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird ein auf Magnetismus basierendes System ermöglicht, welches unempfindlich auf bestimmte Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise Materialien mit magnetischer Permeabilität ist, die beispielsweise die Magnetfelder von Sende-/Empfangsspulen stören und damit zu Abstands- und Winkelfehlern führen können.
Gemäß einer Weiterbildung erfolgt Ermittlung durch Verwendung des 2n-poligen Magnetfeldes derart, dass zumindest eine Parameter des Magnetfelds erfasst und eine Parameteränderung ermittelt wird und aus einer Korrelation zwischen der Parameteränderung und des Abstands der verteilten Anordnung die relative Lage ermittelt wird.
Vorzugsweise wird dabei das erfindungsgemäße Verfahren derart weitergebildet, dass als ein Parameter des Magnetfelds die radiale Komponente der Feldstärke des Magnetfelds erfasst wird. Da die Feldstärke stark mit der Entfernung korreliert, ist sie besonders für eine Implementierung geeignet.
Wird gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung die verteilte Anordnung derart betrieben, dass mindestens eine auf dem ersten Objekt angebrachte erste Spule als Sendespule und mindestens eine auf dem zweiten Objekt angebrachte zweite Spule als Empfangsspule betrieben wird, erhält man eine besonders einfache und dennoch effektive Anordnung zur Verwendung des 2n-poligen Magnetfelds für die relative Ortung.
Vorzugsweise werden bei einer Weiterbildung der Erfindung die erste und zweite Spule derart betrieben, dass sie hinsichtlich der Feldkomponenten ihres Magnetfelds gleich orientiert sind und der in den Spulen gegebene elektrische Strom im Bezug zueinander die Spulen gegensinnig durchläuft. Hierdurch ist beispielsweise eine Helmholtz Spulenanordnung möglich.
Eine Helmholtz Spulenanordnung ist beispielsweise bei dem bevorzugten Erzeugung des Magnetfelds als ein magnetisches Quadrupol, also n = 2, von Vorteil, da sie ein reines Quadrupolfeld möglich macht und das Quadrupol, genauer das zugehörige Feld, gegenüber dem Dipol empfindlicher bzgl. Abstand reagiert und die Anordnung dabei nicht zu komplex ausgestaltet werden muss.
Bei dem erfindungsgemäßen System zur Lokalisierung, derart ausgestaltet, dass eine relative Lage eines ersten Objekts zu einem zweiten Objekt mittels Verwendung eines durch einer auf dem ersten und zweiten Objekt verteilten Anordnung zur Magnetfelderzeugung erzeugten 2n-poligen Magnetfelds ermittelt, mit n größer oder gleich dem Wert 2. Sein Vorteil besteht im Wesentlichen in einer Verwirklichung der Vorteile des Verfahrens durch eine geeignete Implementierung. Somit werden aber auch die vorstehend zum Verfahren angeführten Vorteile erwirkt.
Gleiches gilt für die Weiterbildungen des Systems, die die Weiterbildungen des Verfahrens implementieren.
Ergänzend sei zusammengefasst, dass sich die erfindungsgemäße Lösung also auch dadurch auszeichnet, dass es auch unempfindlich ist gegenüber vorhandenen elektrisch leitfähigen Schleifen und Flächen, durch die es ebenfalls zu Fehlern der Messung aufgrund der Induktion von Strömen in diesen Schleifen und Flächen kommen kann, da diese Ströme wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugen, welches die Messung stört.
Die besonders bevorzugte Weiterbildung ist durch die Verwendung von Sende- und Empfangsspulen für die Erzeugung eines reinen Quadrupolfeldes gegeben.
Vorteilhafte Systemimplementierungen können ferner sein: Lokalisierung von Elektrofahrzeugen und Ladefreigabe (im Nahbereich). Körperinterne Ortung endoskopischer Kapseln, Ortung von diagnostischen Röntgendetektoren. Industrielle Lokalisierung im Nahbereich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt diese einzige
Figur ein Ablaufdiagramm als ein einfaches Ausführungsbeispiel des Lokalisierungsverfahrens gemäß der Erfindung.
In der Figur ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt an dem das Wesen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise erläutert wird und auch Beispiele für mögliche Mittel zur Implementierung des Verfahrens bzw. seiner Weiterbildungen adressiert werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel startet das implementierte Verfahren in einem ersten Schritt S1 aus einem Grundzustand „Messen“, in dem beispielsweise in kontinuierlichen diskreten Zeitabständen oder konstant eine Messung der Feldstärke initiiert und in einem zweiten Schritt S2 durchgeführt wird.
Nach jeder Messung kann beispielsweise daraufhin in einem dritten Schritt S3 eine Abfrage, ob es eine Änderung gegeben hat erfolgen, welche eine Ermittlung des Wertes der Feldstärkeänderung initiiert, die in einem vierten Schritt S4 durgeführt wird.
Auf diese Ermittlung erfolgt dann in einem fünften Schritt S5 aufgrund einer dem implementierten System bekannten Korrelationsfunktion, welche die Beziehung zwischen Feldstärkeänderung und Änderung der relativen Lage, gemäß Beispiel der Abstand beispielsweise zwischen zwei Objekten beim Beladen, einer Ermittlung des Abstandswertes zugrundelegt.
Dieser Wert kann dann in einem sechsten Schritt S6 an eine Steuerung, beispielsweise einer industriellen Beladungsvorrichtung, ausgegeben bzw. kommuniziert wird.
Dies kann dann entsprechende weitere Steuersignale zur Folge haben, die auf die aktuelle Bewegung des Beladungssystems einwirken.
Als besonders geeignet für eine derartige Steuerung auf Grundlage von Feldstärken wird erfindungsgemäß der Einsatz von Quadrupolen betrachtet.
Quadrupolfelder haben zwar den Nachteil, dass sie über dem Winkel eine größere Mehrdeutigkeit haben, als beispielsweise Dipolfelder, gemäß der gegen dieses Vorurteil der Fachwelt gerichteten erfinderischen Überlegungen, haben sie aber hierdurch den Vorteil, dass ihre Abhängigkeit in radialer Richtung größer ist, als dies beispielsweise bei Dipolfeldern der Fall ist. Diese Weiterbildung führt also zu höherer Lokalisierungsgenauigkeit.
Quadrupolfelder haben aber auch in radialer Richtung einen starken Abfall des Magnetfeldes. Dadurch ist die Reichweite der Lokalisierung im Allgemeinen geringer dieser Nachteil wurde erfinderisch als ein Vorteil erkannt hinsichtlich einer relativen Lagebestimmung, da hierdurch kleine Abstände genau lokalisiert werden können. Einerseits kann durch den über dem Abstand schnelleren Abfall der Quadrupolfelder eine genauere Abstandsbestimmung durchgeführt werden. Ferner zeichnet sich diese Weiterbildung dadurch aus, dass ein in größerem Abstand befindliches Störobjekt (leitende Schleife oder Platte, magnetisch permeables Material) einem geringeren Feld ausgesetzt als dies beispielsweise bei Dipolfeldern der Fall wäre.
Insbesondere im Fall, dass die Empfangsspule näher an der Sendespule angeordnet ist, als das Störobjekt, ist zu erwarten, dass der Störeinfluss des Störobjektes geringer ist, als es bei Nutzung von gängigen Magnetfeld-basierten Lokalisierungsansätzen der Fall ist.
Somit kann die Verwendung von Quadrupolfeldern im Bereich kleiner Abstände im Vergleich zu Dipolfeldern einen deutlichen Vorteil bringen.
Die Erzeugung eines Quadrupolfeldes kann unter Verwendung zweier gleich orientierter Spulen erfolgen, die somit eine Helmholtz Spulen Anordnung bilden, die allerdings gegensinnig mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. Das sich ausbildende Magnetfeld enthält damit eine vergleichsweise starke Quadrupolkomponente.
Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Verfahrensweise und dem System liegen besonders im Nahbereich, also für kleine Abstände der zu ortenden Teilnehmer zu erwartende, höhere Lokalisierungsgenauigkeiten.
Dies wird vor Allem durch den Einsatz von Quadrupolfeldern erreicht, die radial schneller abklingen. Dadurch werden die Wirkungen von radial weiter entfernten Störeinflüssen minimiert. Dies wird ferner durch die höheren Gradienten der Quadrupolfelder über dem Winkel, sowie über dem Abstand erreicht. Vorteilhaft kann insbesondere auch die Kombination mit auf Dipolfeldern basierenden Ortungssystemen sein.
Aus diesem Grund erscheint die Anwendung im Bereich Mobilität, Industrie und Gesundheitswesen vorteilhaft. Dort ist ein konstantes Interesse an entsprechenden Lösungen zu beobachten.

Claims

Verfahren zur Lokalisierung, derart ausgestaltet, dass eine relative Lage eines ersten Objekts zu einem zweiten Objekt mittels Verwendung ein durch einer auf dem ersten und zweiten Objekt verteilten Anordnung zur Magnetfelderzeugung erzeugtes 2n-poliges Magnetfeld ermittelt wird, mit n größer oder gleich dem Wert 2.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung durch Verwendung des 2n poligen Magnetfeldes derart erfolgt, dass zumindest eine Parameter des Magnetfelds erfasst und eine Parameteränderung ermittelt wird und aus einer Korrelation zwischen der Parameteränderung und des Abstands der verteilten Anordnung die relative Lage ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Parameter des Magnetfelds die radiale Komponente der Feldstärke des Magnetfelds erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verteilte Anordnung derart betrieben wird, dass mindestens eine auf dem ersten Objekt angebrachte erste Spule als Sendespule und mindestens eine auf dem zweiten Objekt angebrachte zweite Spule als Empfangsspule betrieben wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Spule derart betrieben werden, dass sie hinsichtlich der Feldkomponenten ihres Magnetfelds gleich orientiert sind und der in den Spulen gegebene elektrische Strom im Bezug zueinander die Spulen gegensinnig durchläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnetfeld ein magnetisches Quadrupol erzeugt wird.
System zur Lokalisierung, derart ausgestaltet, dass eine relative Lage eines ersten Objekts zu einem zweiten Objekt mittels Verwendung ein durch einer auf dem ersten und zweiten Objekt verteilten Anordnung zur Magnetfelderzeugung erzeugtes 2n-poliges Magnetfeld ermittelt wird, mit n größer oder gleich dem Wert 2.
System zur Lokalisierung, gekennzeichnet durch, Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6.