DE102018207242A1 - Method for determining a position and / or spatial position of a tool, method for outputting at least one position identification signal in the millimeter-wave frequency range and method for determining the position of a tool - Google Patents

Method for determining a position and / or spatial position of a tool, method for outputting at least one position identification signal in the millimeter-wave frequency range and method for determining the position of a tool Download PDF

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Werner Soergel
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs 105, wobei das Verfahren zunächst einen Schritt des Empfangens aufweist, bei dem ein von einem Lageidentifizierer 115 ausgesendetes erstes 135 und zweites 140 Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich empfangen wird und das Verfahren schließlich einen Schritt des Berechnens aufweist, bei dem die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs 105 unter Verwendung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten 135 und zweiten 140 Lageidentifizierungssignal berechnet wird.

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The invention relates to a method for determining a position and / or spatial position of a tool 105, wherein the method initially comprises a step of receiving, in which a first 135 and second 140 position identification signal emitted by a position identifier 115 in the millimeter-wave frequency range is received and finally the method a step of calculating, wherein the position and / or spatial position of the tool 105 is calculated using the first 135 and / or second 140 position identification signal and / or a temporal relationship between the first 135 and second 140 position identification signal.
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Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.

Allgemein sind für heutige Industrie-Automatisierungstechniken bereits Lösungen zur Bestimmung der Position und/oder räumlichen Lage von Objekten in einem industriellen Umfeld bekannt.In general, solutions for determining the position and / or spatial position of objects in an industrial environment are already known for today's industrial automation techniques.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs, ein Verfahren zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich, ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs, weiterhin eine Vorrichtung, die diese Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a method for determining a position and / or spatial position of a tool, a method for outputting at least one position identification signal in the millimeter-wave frequency range, a method for determining the position of a tool, a device that uses these methods, as well as finally presented a corresponding computer program according to the main claims. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.

Der hier vorgestellte Ansatz dient insbesondere einer hochpräzisen Ermittlung einer Position und/oder räumlichen Lage bzw. Orientierung eines Werkzeugs im Raum, beispielsweise im Bereich einer Montagestation, mittels Signalen im Millimeterwellenfrequenzbereich. So kann beispielweise ein Schraubwerkzeug mit dem Ziel der selektiven Einstellung, beispielsweise zur automatischen Dokumentation der technologischen Parameter, wie eines Drehmoments in Verknüpfung mit der angezogenen Schraube am Werkstück, von der Position des Schrauber-Bits abgeleitet werden.The approach presented here is used in particular for a high-precision determination of a position and / or spatial position or orientation of a tool in space, for example in the region of an assembly station, by means of signals in the millimeter wave frequency range. Thus, for example, a screwing with the purpose of selective adjustment, for example, for automatic documentation of the technological parameters, such as a torque in conjunction with the tightened screw on the workpiece, are derived from the position of the screwdriver bit.

Der hier vorgestellte Ansatz kann ferner einer Positions- und Lageerfassung von Stückgütern, Halbzeugen und beweglichen Maschinen innerhalb einer Werkshalle, in einer Lagerhalle oder allgemein auf einem Werksgelände dienen.The approach presented here can also be used to record the position and position of piece goods, semi-finished products and moving machines within a workshop, in a warehouse or generally on a factory premises.

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

  • Empfangen eines von einem Lageidentifizierer ausgesendeten ersten und zweiten Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich; und
  • Berechnen der Position und/oder räumlichen Lage des Werkzeugs unter Verwendung des ersten und/oder zweiten Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Lageidentifizierungssignal.
A method for determining a position and / or spatial position of a tool is presented, wherein the method comprises the following steps:
  • Receiving in the millimeter-wave frequency range a first and second position identification signal emitted by a position identifier; and
  • Calculating the position and / or spatial position of the tool using the first and / or second position identification signal and / or a temporal relationship between the first and second position identification signal.

Bei einem Werkzeug kann es sich beispielsweise um einen Gegenstand handeln, der in einer Maschine unmittelbar auf ein mechanisch zu bearbeitendes Werkstück formend oder bearbeitend einwirkt. Hierbei kann es sich bei einem Werkzeug um ein wichtiges Hilfsmittel in der Produktion und Fertigungsarbeit, beispielsweise um ein Schraubwerkzeug, handeln, wobei es sich bei dem Schraubwerkzeug insbesondere um einen vernetzten Elektro-Schraubendreher handeln kann. Bei einem Lageidentifizierer kann es sich beispielsweise um einen elektronischen Markierer und/oder einen elektronischen Kennzeichner zur Lokalisierung eines Objekts, insbesondere eines automatisch und/oder maschinell ansteuerbaren Werkzeugs, handeln. Der Lageidentifizierer kann hierbei beispielsweise an einem Werkzeug angeordnet oder drehfest befestigt sein, wobei speziell die Position und/oder räumliche Lage des Lageidentifizierers und somit insbesondere die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs ermittelt werden kann. Unter einem Millimeterwellenfrequenzbereich kann ein Frequenzbereich verstanden werden, in dem beispielsweise elektrische Strahlung mit einer Wellenlänge vom Bereich von Millimetern (Millimeterwellen) gesendet und/oder empfangen werden, wobei die Größe einer Wellenlänge im Millimeterbereich zwischen 1 mm und 10 mm liegt, was einem Frequenzbereich von 30 GHz bis 300 GHz entspricht.A tool may be, for example, an object that acts in a machine directly on a workpiece to be machined machining or machining. In this case, a tool can be an important tool in production and production work, for example a screwing tool, wherein the screwing tool can be, in particular, a networked electric screwdriver. A position identifier may, for example, be an electronic marker and / or an electronic identifier for localizing an object, in particular an automatically and / or machine-controllable tool. In this case, the position identifier can be arranged, for example, on a tool or fixed in a rotationally fixed manner, wherein the position and / or spatial position of the position identifier and thus in particular the position and / or spatial position of the tool can be determined in particular. A millimeter wave frequency range can be understood as a frequency range in which, for example, electrical radiation with a wavelength in the range of millimeters (millimeter waves) is transmitted and / or received, wherein the size of a wavelength in the millimeter range lies between 1 mm and 10 mm, which corresponds to a frequency range of 30 GHz to 300 GHz.

Für die modernen Industrie 4.0-Anwendungen besteht ein wichtiger Aspekt darin, einen Werker in der Fertigung, beispielsweise auf einer Montagestation, mit intelligenten Werkzeugen zu unterstützen. Diese vernetzten Werkzeuge erkennen, an welcher Position sie relativ zum Werkstück eingesetzt werden oder sich befinden. Damit ist es möglich, beispielsweise die Drehmomente eines Schraubwerkzeugs automatisch und individuell einzustellen, wenn beispielsweise die Position eines Schraubers derart genau erfasst werden kann, sodass hieraus (beispielsweise unter Kenntnis eines Drehmomentverlaufs in einem Werkstück bei einer solchen Position des Schraubers) tatsächlich ein Drehmoment eingestellt werden kann, mit dem der Schrauber ein Werkstück, wie beispielsweise eine Schraube, dreht oder bearbeitet. Des Weiteren ist eine Dokumentation der tatsächlich angewendeten Drehmomente für jede einzelne Schraube vornehmbar. Für diese Anwendung ist es hierbei günstig, dass nicht nur die Position, sondern auch die Lage des Werkzeugs erfasst wird. Dadurch können sich vorteilhaft Produktionszyklen verkürzen, Kundenbedürfnisse in Echtzeit in die Produktion einfließen und Wartung und Instandhaltung sich weitgehend selbst regeln. Eine durchgängige Digitalisierung sorgt zudem für mehr Transparenz in der Fertigung, da die Werkzeuge durch Chips oder Barcodes gekennzeichnet bzw. markiert werden und jederzeit abrufbar ist, wo und in welchem Zustand sich die Werkzeuge in der Produktion befinden.For the modern Industry 4.0 applications, one important aspect is to assist a worker in manufacturing, for example on an assembly station, with intelligent tools. These networked tools recognize where they are or are located relative to the workpiece. This makes it possible, for example, to adjust the torques of a screwing tool automatically and individually, if, for example, the position of a screwdriver can be detected so precisely, so that a torque can actually be set (for example, with knowledge of a torque curve in a workpiece in such a position of the screwdriver) can, with the screwdriver a workpiece, such as a screw, rotates or edited. Furthermore, a documentation of the actual applied torques for each screw is vornehmbar. For this application, it is favorable that not only the position but also the position of the tool is detected. As a result, production cycles can be shortened, customer needs can be incorporated into production in real time, and maintenance and sales can be reduced Maintenance largely regulate itself. Consistent digitization also ensures greater transparency in production because the tools are marked or marked by chips or barcodes and can be called up at any time, where and in which state the tools are in production.

Die Vorteile des hier vorgestellten Verfahrensansatzes liegen insbesondere darin, dass eine gleichzeitige Messung von einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs im Raum ermöglicht wird. So handelt es sich bei hiesigem Ansatz um ein hochpräzises Messverfahren, das sich durch eine hohe Bandbreite sowie ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis im Millimeterwellen-frequenzbereich auszeichnet. So ermöglicht die hohe Bandbreite dieses Ansatzes gegenüber anderen Lösungen sehr hohe Update-Raten und damit eine geringe Systemlatenz. Durch die hohe Arbeitsfrequenz des Ansatzes im Millimeterwellenfrequenzbereich ist eine hohe Störfestigkeit des Systems in einer industriellen Umgebung, beispielsweise gegen WLAN, RFID oder Emissionen von Schweißsystemen, gegeben, da diese weit außerhalb des Frequenzwellenbereichs des hier vorgestellten Lokalisierungsansatzes arbeiten. Weiterhin weist der hier vorgestellte Verfahrensansatz dank der Ausnutzung der Millimeterwellenfrequenztechnologie einen kleineren Formfaktor sowie ein geringeres Gewicht als andere bekannte Lösungen auf.The advantages of the method approach presented here are in particular that a simultaneous measurement of a position and / or spatial position of a tool in the room is made possible. Thus, this approach is a high-precision measuring method, which is characterized by a high bandwidth and a high signal-to-noise ratio in the millimeter-wave frequency range. Thus, the high bandwidth of this approach over other solutions allows very high update rates and thus a low system latency. Due to the high operating frequency of the approach in the millimeter wave frequency range, a high immunity to interference of the system in an industrial environment, for example against WLAN, RFID or emissions of welding systems, given because they work well outside the frequency range of the localization approach presented here. Furthermore, thanks to the exploitation of the millimeter-wave frequency technology, the method approach presented here has a smaller form factor and a lower weight than other known solutions.

Mittels des hier vorgestellten Ansatzes besteht die Möglichkeit, beispielsweise die Position eines Schraubwerkzeugs innerhalb einer Werkhalle sehr genau zu lokalisieren. Abgeleitet aus der Positionsbestimmung wird automatisch das richtige Drehmoment für die jeweilige Aufgabe gewählt. Damit werden zum Beispiel sicherheitsrelevante Schrauben immer mit der genau vorgeschriebenen Kraft angezogen. Diese Werte lassen sich zudem automatisch dokumentieren, um die Qualität der Produkte zu sichern und zu prüfen. Möglich wird dies durch die Vernetzung der Werkzeuge untereinander sowie mit den Produktionsdaten der herzustellenden Produkte. Dank der Positionsinformation des Werkzeugs und der ebenfalls genau bekannten räumlichen Lage eines Bauteils weiß der Werker, wo sich das Werkzeug aktuell befindet. Die Software im Hintergrund übermittelt dann automatisiert, mit welcher Kraft dort Schrauben angezogen werden sollten. Dies hat weiterhin den entscheidenden Vorteil, dass vernetzte Werkzeuge nicht nur einen Beitrag zu Produktqualität und Produktsicherheit liefern, sondern auch einer effizienteren Produktion dienen. So helfen vernetzte Werkzeuge zudem bei der Fehlersuche und -vermeidung. Sollte ein Werker ein Werkzeug irrtümlich für den falschen Zweck oder am falschen Ort nutzen wollen, schaltet sich das Werkzeug automatisch ab. Ein Fehler kann so erst gar nicht entstehen, was ebenfalls zu mehr Sicherheit, Qualität und Produktivität beiträgt.By means of the approach presented here it is possible, for example, to locate the position of a screwing tool within a workshop very accurately. Derived from the position determination, the correct torque for the respective task is automatically selected. Thus, for example, safety-relevant screws are always tightened with the exact prescribed force. These values can also be automatically documented to ensure and test the quality of the products. This is made possible by networking the tools with each other and with the production data of the products to be produced. Thanks to the position information of the tool and the exactly known spatial position of a component, the worker knows where the tool is currently located. The software in the background then automatically transmits the force with which screws should be tightened there. This has the distinct advantage that networked tools not only contribute to product quality and product safety, but also serve more efficient production. Networked tools also help with troubleshooting and avoidance. Should a worker erroneously use a tool for the wrong purpose or in the wrong place, the tool automatically shuts off. An error can not arise in the first place, which also contributes to more safety, quality and productivity.

Der hier vorgestellte Ansatz zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs ist zudem universell einsetzbar. Industrielle Elektrowerkzeuge zum Bohren, Verschrauben, Vermessen, Löten oder Nieten lassen sich lückenlos in ein Gesamtsystem vernetzter Werkzeuge eingliedern. Das funktioniert unabhängig von Marke und Werkzeugtyp, wobei die Verwaltung und Steuerung über ein Computersystem erfolgen.The approach presented here for determining the position of a tool is also universally applicable. Industrial power tools for drilling, screwing, measuring, soldering or riveting can be seamlessly integrated into an overall system of networked tools. This works regardless of brand and tool type, with management and control done via a computer system.

Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Aussendens aufweisen, bei dem zumindest ein (erstes) Aktivierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich von zumindest einer Empfangseinrichtung an den zumindest einen Lageidentifizierer ausgesendet wird, wobei der Schritt des Empfangens und/oder der Schritt des Berechnens hierbei ansprechend auf das ausgesendete Aktivierungssignal erfolgt. Hierbei kann die zumindest eine Empfangseinrichtung eine Sende-und Empfangseinheit zur Kommunikation mit dem Lageidentifizierer aufweisen. Über diese Datenschnittstelle kann der Lageidentifizierer aktiviert bzw. aus einem Standby-Betrieb aufgeweckt werden. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass beispielsweise Leistungseinstellungen vorgenommen werden können, um die eingestellte Sendeleistung und damit auch den Stromverbrauch bei Gewährleistung der Funktion zu minimieren. Des Weiteren können im Fall, dass mehrere Lageidentifizierer aktiv sind, diese nacheinander abgefragt werden bzw. ihre Blink-Sequenzen synchronisiert werden.According to one embodiment, the method may comprise a step of transmitting, in which at least one (first) activation signal in the millimeter-wave frequency range of at least one receiving device is transmitted to the at least one position identifier, wherein the step of receiving and / or the step of calculating in this case in response to the emitted activation signal takes place. In this case, the at least one receiving device may have a transmitting and receiving unit for communicating with the position identifier. Via this data interface, the position identifier can be activated or woken up from a standby mode. Such an embodiment of the approach presented here has the advantage that, for example, power settings can be made to minimize the set transmission power and thus the power consumption while ensuring the function. Furthermore, in the event that several position identifiers are active, they can be interrogated one after the other or their blink sequences can be synchronized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Empfangens und/oder im Schritt des Berechnens das erste und/oder zweite Lageidentifizierungssignal unter Verwendung einer Zeitmultiplexstruktur ausgewertet werden. Mittels der Zeitmultiplexstruktur kann das erste und/oder zweite Lageidentifizierungssignal zeitlich geteilt werden, wobei die Übertragung des ersten und/oder zweiten Lageidentifizierungssignals in einem definierten Multiplexrahmen erfolgt, in dem für jeden Übertragungskanal ein fester Zeitschlitz vorhanden ist. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass mittels eines Zeitmultiplexverfahrens mehrere Lageidentifizierungssignale gleichzeitig simultan oder sequenziell über vorhandene Übertragungswege übertragen werden können. Dadurch können die Übertragungswege effizienter genutzt werden, da gleichzeitig mehrere Übertragungskanäle über einen Übertragungsweg übertragen werden, wodurch eine Datenübertragungsrate gesteigert werden kann.According to a further embodiment, in the step of receiving and / or in the step of calculating, the first and / or second position identification signal can be evaluated using a time division multiplex structure. By means of the time division multiplex structure, the first and / or second position identification signal can be divided in time, wherein the transmission of the first and / or second position identification signal takes place in a defined multiplexing frame in which a fixed time slot is present for each transmission channel. Such an embodiment of the approach presented here has the advantage that multiple position identification signals can be transmitted simultaneously or sequentially via existing transmission paths by means of a time-division multiplex method. As a result, the transmission paths can be used more efficiently because several transmission channels are simultaneously transmitted over a transmission path, whereby a data transmission rate can be increased.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Empfangens ferner ein drittes Lageidentifizierungssignal empfangen werden, wobei im Schritt des Berechnens die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten, zweiten und/oder dritten Lageidentifizierungssignal und/oder dem Aktivierungssignal berechnet wird. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass je mehr ausgesendete Signale empfangen werden und je mehr Signale in die tatsächliche Positionsberechnung mit einbezogen werden, desto genauer kann die Bestimmung bzw. Berechnung einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs erfolgen.According to one embodiment, in the step of receiving, a third position identification signal may be further received, wherein in the step of calculating the position and / or spatial position of the tool using the first, second and third position identification signal and / or a temporal relationship between the first, second and / or third position identification signal and / or the activation signal is calculated. Such an embodiment of the approach presented here has the advantage that the more emitted signals are received and the more signals are included in the actual position calculation, the more accurate can be the determination or calculation of a position and / or spatial position of a tool.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Empfangens das erste und/oder zweite empfangene Lageidentifizierungssignal in einem Frequenzbereich zwischen 57 und 64 GHz empfangen werden und/oder das zumindest eine ausgesendete Aktivierungssignal in einem Frequenzbereich zwischen 57 und 64 GHz ausgesendet werden. So sendet eine Empfangseinrichtung beispielsweise ein elektromagnetisches Aktivierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich aus, wobei dieses Aktivierungssignal von einem Lageidentifizierer reflektiert wird. Die zumindest zwei reflektierten Lageidentifizierungssignale werden erfasst, wobei die Empfangseinrichtung hieraus eine Entfernung, eine Geschwindigkeit und einen Winkel des Lageidentifizierers bzw. des Werkzeugs bestimmen kann. Bei dem hier vorgestellten Verfahrensansatz weisen das ausgesendete Aktivierungssignal sowie die empfangenen Lageidentifizierungssignale eine Wellenlänge im Millimeterbereich auf, was im elektromagnetischen Spektrum als kurzwellig gilt. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass einige Systemkomponenten, wie beispielsweise Antenneneinrichtungen, kleiner konstruiert werden können. Ein weiterer Pluspunkt ist die hohe Genauigkeit: So kann das hier vorgestellte Millimeterwellen-System mit Frequenzen von 57 bis 64 GHz, was einer Wellenlänge zwischen 4,7 und 5,3 mm entspricht, Bewegungen eines Werkzeugs um den Bruchteil eines Millimeters detektieren.According to one embodiment, in the step of receiving, the first and / or second received position identification signal may be received in a frequency range between 57 and 64 GHz and / or the at least one transmitted activation signal may be transmitted in a frequency range between 57 and 64 GHz. For example, a receiving device transmits an electromagnetic activation signal in the millimeter-wave frequency range, this activation signal being reflected by a position identifier. The at least two reflected position identification signals are detected, and the receiving device can determine therefrom a distance, a speed and an angle of the position identifier or of the tool. In the method approach presented here, the emitted activation signal and the received position identification signals have a wavelength in the millimeter range, which is considered to be shortwave in the electromagnetic spectrum. Such an embodiment of the approach presented here has the advantage that some system components, such as antenna devices, can be constructed smaller. Another plus point is the high accuracy: the millimeter-wave system presented here with frequencies of 57 to 64 GHz, which corresponds to a wavelength between 4.7 and 5.3 mm, can detect movements of a tool by a fraction of a millimeter.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann im Schritt des Empfangens das erste und/oder zweite Lageidentifizierungssignal zur Identifikation des Lageidentifizierers demoduliert werden. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass durch eine Demodulation das ursprünglich ausgesendete Aktivierungssignal, das zuvor durch Modulation auf einen Träger aufmoduliert wurde, wiederhergestellt werden kann.In a further embodiment of the method, in the step of receiving the first and / or second position identification signal for identifying the position identifier can be demodulated. Such an embodiment of the approach presented here has the advantage that the originally emitted activation signal, which was previously modulated onto a carrier by modulation, can be restored by demodulation.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Empfangens von einer ortsfesten Empfangseinrichtung ausgeführt werden und/oder das erste und/oder zweite Lageidentifizierungssignal von einem an dem Werkzeug angeordneten Lageidentifizierer empfangen werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Schritt des Empfangens also von dem Lageidentifizierer ausgeführt werden bzw. das erste und/oder zweite Lageidentifizierungssignal von dem an dem Werkzeug angeordneten Lageidentifizierer empfangen werden. Eine solche alternative Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass diese kostengünstiger zu realisieren ist, wenn deutlich mehr Empfangseinrichtungen als Lageidentifizierer für die hochpräzise Lokalisierung benötigt werden. Ferner ist keine Synchronisierung der Empfangseinrichtungen erforderlich, die Installation der Infrastruktur ist also vereinfacht. Gegebenenfalls könnte es bei dieser alternativen Ausführungsform zu geringeren Kommunikations-Latenzzeiten bei der Bestimmung der Position und/oder räumlichen Lage des Werkzeugs kommen, falls ein Lokalisierungsrechner mit dem Lageidentifizierer integriert wird.According to one embodiment, the step of receiving may be carried out by a stationary receiving device and / or the first and / or second position identification signal may be received by a position identifier arranged on the tool. In an alternative embodiment, the step of receiving may thus be carried out by the position identifier or the first and / or second position identification signal may be received by the position identifier arranged on the tool. Such an alternative embodiment of the approach presented here has the advantage that it can be realized more cost-effectively if significantly more receiving devices are required as position identifiers for the high-precision localization. Furthermore, no synchronization of the receiving devices is required, the installation of the infrastructure is thus simplified. Optionally, in this alternative embodiment, there may be less communication latency in determining the position and / or spatial location of the tool if a location calculator is integrated with the location identifier.

Es wird ein Verfahren zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

  • Einlesen zumindest eines Aktivierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich; und
  • Aussenden eines ersten und zweiten Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich ansprechend auf das zumindest eine eingelesene Aktivierungssignal auf je einer von mehreren Antenneneinrichtungen, wobei die Antenneneinrichtungen voneinander beabstandet angeordnet sind.
A method is presented for outputting at least one position identification signal in the millimeter-wave frequency range, the method comprising the following steps:
  • Reading at least one activation signal in the millimeter wave frequency range; and
  • Emitting a first and second position identification signal in the millimeter-wave frequency range in response to the at least one read-in activation signal on each of a plurality of antenna devices, wherein the antenna devices are arranged spaced from each other.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Aussendens ein drittes Lageidentifizierungssignal von einer dritten Antenneneinrichtung ausgesendet werden, insbesondere wobei die Antenneneinrichtungen hierbei Eckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks bilden. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil dass, je mehr ausgesendete Signale empfangen werden und je mehr Signale in die Positionsberechnung mit einbezogen werden, desto genauer kann die Bestimmung bzw. Berechnung einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs erfolgen.According to one embodiment, in the step of transmission, a third position identification signal can be emitted by a third antenna device, in particular wherein the antenna devices in this case form vertices of an isosceles triangle. A Such an embodiment of the approach presented here offers the advantage that the more emitted signals are received and the more signals are included in the position calculation, the more accurate the determination or calculation of a position and / or spatial position of a tool.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Aussendens das erste und/oder zweite Lageidentifizierungssignal zur Identifikation des Lageidentifizierers auf Basis eines vorbestimmten Kennzeichnungsmodulationsverfahrens moduliert werden. Bei der Signalübertragung steht hierbei die Frage im Vordergrund, wie möglichst viele Informationen möglichst verlustfrei über einen Übertragungsweg übertragen werden können. Bei der Übertragung verschiedener Signale auf demselben Übertragungsweg ist somit eine Signalaufbereitung vor der Signalübertragung notwendig. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet also den Vorteil, dass mittels des Kennzeichenmodulationsverfahrens Informationen und Daten so in elektrische Signale umgewandelt werden, dass sie für die Übertragung geeignet sind. Das Kennzeichenmodulationsverfahrens beschreibt hierbei, wie die Daten abgebildet werden müssen, damit sie möglichst verlust- und störfrei über die Luft übertragen werden können.According to a further embodiment, in the step of transmitting, the first and / or second position identification signal for identifying the position identifier may be modulated on the basis of a predetermined identification modulation method. In the case of signal transmission, the focus is on how much information can be transmitted via a transmission path as loss-free as possible. In the transmission of different signals on the same transmission path thus signal conditioning before the signal transmission is necessary. Such an embodiment of the approach presented here thus offers the advantage that information and data are converted into electrical signals by means of the license plate modulation method so that they are suitable for transmission. The license plate modulation method describes how the data must be mapped so that it can be transmitted over the air as loss-free and as free of interference as possible.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Aussendens das erste, zweite und/oder dritte Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich unter Verwendung einer Zeitmultiplexstruktur ausgewertet werden, insbesondere wobei das erste, zweite und/oder dritte Lageidentifizierungssignal in unterschiedlichen Zeitschlitzen der Zeitmultiplexstruktur ausgesendet werden. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass mittels Zeitmultiplexverfahren mehrere Signale gleichzeitig simultan oder sequenziell über vorhandene Übertragungswege übertragen werden können. Durch sie werden die Übertragungswege effizienter genutzt, weil gleichzeitig mehrere Übertragungskanäle über einen Übertragungsweg übertragen werden, wodurch eine Datenübertragungsrate gesteigert werden kann.According to one embodiment, in the step of transmission, the first, second and / or third position identification signal in the millimeter wave frequency range can be evaluated using a time-division multiplex structure, in particular wherein the first, second and / or third position identification signal are transmitted in different time slots of the time-division multiplex structure. Such an embodiment of the approach presented here has the advantage that multiple signals can be transmitted simultaneously or sequentially via existing transmission paths by means of time division multiplexing. Through them, the transmission paths are used more efficiently because at the same time several transmission channels are transmitted over a transmission path, whereby a data transmission rate can be increased.

Eines oder mehrere der hier vorgestellten Verfahren kann/können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einer Vorrichtung oder einem Steuergerät implementiert sein.One or more of the methods presented here can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a device or a control device.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines der hier vorgestellten Verfahren in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also provides a device which is designed to perform the steps of a variant of one of the methods presented here in corresponding devices to drive or implement. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.

Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the device may comprise at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output to a corresponding data transmission line.

Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.

Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Gesamtsystems zur Verwendung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4 ein Funktionsdiagramm zur Bestimmung einer Ausbreitungsdämpfung eines Signals im Millimeterwellenfrequenzbereich sowie eines ersten und zweiten Signals im Ultrabreitbandfrequenzbereich im freien Raum gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 5 ein Funktionsdiagramm zur Bestimmung einer Empfangsleistung eines Signals im Millimeterwellenfrequenzbereich sowie eines und zweiten Signals im Ultrabreitbandfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 6 ein Blockschaltbild zur Verwendung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 7 ein Blockschaltbild zur Verwendung einer alternativen Ausführungsform eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 8 eine schematische Darstellung eines Lageidentifizierers mit einer Anordnung einer Mehrzahl von Antenneneinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 9 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Ausführung eines Aussendens eines empfangenen Aktivierungssignals im Millimeterwellenbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 10 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Ausführung einer Frequenzverschiebung bei einer Übertragung eines empfangenen Aktivierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 11 ein Blockschaltbild einer Empfangseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 12 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 13 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
  • 14 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
  • 1 a block diagram of an apparatus for determining a position and / or spatial position of a tool according to an embodiment;
  • 2 a block diagram of an apparatus for outputting at least one position identification signal in the millimeter wave frequency range according to an embodiment;
  • 3 a schematic representation of an overall system for using a method for determining a position and / or spatial position of a tool according to an embodiment;
  • 4 a functional diagram for determining a propagation loss of a signal in the millimeter wave frequency range and a first and second signal in Ultrabroadband frequency range in free space according to an embodiment;
  • 5 a functional diagram for determining a received power of a signal in the millimeter wave frequency range and one and second signal in the ultra-wideband frequency range according to an embodiment;
  • 6 a block diagram for using a method for determining a position and / or spatial position of a tool according to an embodiment;
  • 7 a block diagram for using an alternative embodiment of a method for determining a position and / or spatial position of a tool according to an embodiment;
  • 8th a schematic representation of a position identifier with an arrangement of a plurality of antenna devices according to an embodiment;
  • 9 a block diagram of a circuit for carrying out a transmission of a received activation signal in the millimeter wave range according to an embodiment;
  • 10 a block diagram of a circuit for performing a frequency shift in a transmission of a received activation signal in the millimeter wave frequency range according to an embodiment;
  • 11 a block diagram of a receiving device according to an embodiment;
  • 12 a flowchart of an embodiment of a method for determining a position and / or spatial position of a tool according to an embodiment;
  • 13 a flowchart of an embodiment of a method for outputting at least one position identification signal in the millimeter wave frequency range according to an embodiment; and
  • 14 a flowchart of an embodiment of a method for determining the position of a tool according to an embodiment.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Werkzeug 105 handelt es sich beispielhaft um ein Schraubwerkzeug 105, welches hier aus Gründen der Übersichtlichkeit als manuell benutzbares Werkzeug dargestellt ist, welches jedoch ebenfalls in einer Werkzeugmaschine verbaut sein kann, wobei die Lage und/oder Position dieses Werkzeugs 105 durch den hier vorgestellten Ansatz sehr präzise erkannt werden kann. Die Vorrichtung 100 ist hierbei beispielhaft auf einer Empfangseinrichtung 110 angeordnet, kann aber zusätzlich oder alternativ auch auf einem Lageidentifizierer 115 angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Lageidentifizierer 115 an dem Werkzeug 105 angeordnet. 1 shows a block diagram of a device 100 for determining a position and / or spatial position of a tool 105 according to an embodiment. At the tool 105 is an example of a screwing tool 105 which is shown here for reasons of clarity as a manually usable tool, which, however, can also be installed in a machine tool, wherein the position and / or position of this tool 105 can be recognized very precisely by the approach presented here. The device 100 is hereby exemplary on a receiving device 110 but may additionally or alternatively also be on a location identifier 115 be arranged. In one embodiment, the location identifier is 115 on the tool 105 arranged.

Die Vorrichtung 100 weist eine Empfangseinheit 120, eine Berechnungseinheit 125 sowie eine optionale Aussendeeinheit 130 auf. Die Empfangseinheit 120 ist ausgebildet, ein von dem Lageidentifizierer 115 ausgesendetes erstes 135 und zweites 140 Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich zu empfangen. Die Berechnungseinheit 125 ist ausgebildet, die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs 105 unter Verwendung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten 135 und zweiten Lageidentifizierungssignal 140 zu berechnen.The device 100 has a receiving unit 120 , a calculation unit 125 as well as an optional transmitter unit 130 on. The receiving unit 120 is formed, one of the position identifier 115 sent out first 135 and second 140 Receive location identification signal in the millimeter-wave frequency range. The calculation unit 125 is formed, the position and / or spatial position of the tool 105 using the first 135 and / or second 140 Location identification signal and / or a temporal relationship between the first 135 and second location identification signal 140 to calculate.

Die optionale Aussendeeinheit 130 ist ausgebildet zumindest ein erstes Aktivierungssignal 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich zur Aktivierung des Lageidentifizierers 115 auszusenden. Hierbei ist die Empfangseinheit 120 ansprechend auf das von der Aussendeeinheit 130 ausgesendete Aktivierungssignal 145 ausgebildet, das von dem Lageidentifizierer 115 ausgesendete erste 135 und zweite 140 Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich zu empfangen. Die Empfangseinheit 120 ist ferner ausgebildet ein zusätzliches drittes Lageidentifizierungssignal 150 zu empfangen. Hierbei ist die Berechnungseinheit 125 ansprechend auf das ausgesendete Aktivierungssignal 145 ausgebildet, die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs 105 unter Verwendung des ersten 135, zweiten 140 und dritten 150 Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten 135, zweiten 140 und/oder dritten 150 Lageidentifizierungssignal sowie dem Aktivierungssignal 145 zu berechnen.The optional transmitter unit 130 is formed at least a first activation signal 145 in the millimeter-wave frequency range for activating the position identifier 115 send out. Here is the receiving unit 120 in response to that from the sending unit 130 emitted activation signal 145 formed by the situation identifier 115 sent out first 135 and second 140 Receive location identification signal in the millimeter-wave frequency range. The receiving unit 120 is further formed an additional third position identification signal 150 to recieve. Here is the calculation unit 125 in response to the transmitted activation signal 145 trained, the position and / or spatial position of the tool 105 using the first 135 second 140 and third 150 Location identification signal and / or a temporal relationship between the first 135 second 140 and / or third 150 Location identification signal and the activation signal 145 to calculate.

2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 200 zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals 135 im Millimeterwellenfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 200 ist hierbei beispielhaft auf einem Lageidentifizierer 115 angeordnet, kann aber zusätzlich oder alternativ auch auf einer Empfangseinrichtung 110 angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Lageidentifizierer 115 an einem nicht dargestellten Werkzeug angeordnet. 2 shows a block diagram of a device 200 for outputting at least one location identification signal 135 in the millimeter wave frequency range according to an embodiment. The device 200 is an example of a position identifier 115 arranged, but may additionally or alternatively also on a receiving device 110 be arranged. According to one Embodiment is the location identifier 115 arranged on a tool, not shown.

Die Vorrichtung 200 weist eine Einleseeinheit 205 sowie eine Aussendeeinheit 210 auf. Die Einleseeinheit 205 ist hierbei ausgebildet, zumindest ein von der Empfangseinrichtung 110 bereitgestelltes Aktivierungssignal 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich einzulesen. Die Aussendeeinheit 210 ist im Folgenden ausgebildet, ein erstes 135 und ein zweites 140 Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich ansprechend auf das zumindest eine eingelesene Aktivierungssignal 145 auf je einer ersten und zweiten Antenneneinrichtung des Lageidentifizierers 115 an die Empfangseinrichtung 110 auszusenden. Hierbei ist die Aussendeeinheit 210 ferner ausgebildet, ein drittes Lageidentifizierungssignal 150 von einer dritten Antenneneinrichtung des Lageidentifizierers 115 an die Empfangseinrichtung 110 auszusenden.The device 200 has a read-in unit 205 as well as a sending unit 210 on. The reading unit 205 is formed here, at least one of the receiving device 110 provided activation signal 145 read in the millimeter wave frequency range. The sending unit 210 is formed below, a first 135 and a second one 140 Location identification signal in the millimeter-wave frequency range in response to the at least one read-in activation signal 145 on each of a first and second antenna device of the Lageidentifizierers 115 to the receiving device 110 send out. Here is the sending unit 210 further formed, a third position identification signal 150 from a third antenna device of the position identifier 115 to the receiving device 110 send out.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Gesamtsystems 300 zur Verwendung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. 3 shows a schematic representation of an overall system 300 for using a method for determining a position and / or spatial position of a tool 105 according to an embodiment.

Das Gesamtsystem 300, das eine Montagestation mit einem Werker darstellt, weist hierbei beispielhaft vier Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 und 315 auf, die an verschiedenen Orten rund um die Montagestation befestigt sind und eine Laufzeit- und Richtungsmessung analog zu einem Radar vornehmen. Das Gesamtsystem 300 weist ferner zumindest einen Lageidentifizierer 115 auf, wobei es sich bei dem Lageidentifizierer 115 um eine elektronische Kennzeichnungs- und Ortungseinrichtung handelt, die fest mit dem Werkzeug 105, beispielhaft einem Schraubwerkzeug 105, verbunden ist. Hierbei wird gemäß einem Ausführungsbeispiel die Laufzeit eines Millimeterwellensignals, beispielsweise im Frequenzbereich von 57 GHz bis 64 GHz, von den vier Empfangseinrichtungen 110, 305, 210 und 315 zu dem Lageidentifizierer 115 und zurück gemessen. Das Gesamtsystem 300 weist ferner einen nicht dargestellten Lokalisierungsrechner auf, der aus den Daten des Millimeterwellensignals der Empfangseinrichtungen 110, 305, 210 und 315 die Position und/oder die räumliche Lage des Lageidentifizierers 115 bzw. des Werkzeugs 105 berechnet und der Anwendung beispielsweise eine automatische Vorwahl des Drehmoments des Schraubwerkzeugs 105 und der Dokumentation des Schraubvorgangs zur Verfügung stellt.The overall system 300 , which represents an assembly station with a worker, here by way of example has four receiving devices 110 . 305 . 310 and 315 mounted on various locations around the assembly station and make a run-time and direction measurement analogous to a radar. The overall system 300 further comprises at least one location identifier 115 which is the location identifier 115 is an electronic marking and locating device fixed to the tool 105 , by way of example a screwing tool 105 , connected is. In this case, according to one exemplary embodiment, the transit time of a millimeter-wave signal, for example in the frequency range from 57 GHz to 64 GHz, of the four receiving devices 110 . 305 . 210 and 315 to the location identifier 115 and measured back. The overall system 300 also has a localization computer, not shown, which consists of the data of the millimeter-wave signal of the receiving devices 110 . 305 . 210 and 315 the location and / or spatial location of the location identifier 115 or the tool 105 calculated and the application, for example, an automatic preselection of the torque of the screwing 105 and the documentation of the screwing provides.

In einer ersten Variante des Gesamtsystems 300 empfängt der Lageidentifizierer 115 ein Aktivierungssignal von einer der Empfangseinrichtungen 110, 305, 210 oder 315 und sendet dieses Signal verstärkt mit einer bekannten Verzögerungszeit im Zeitmultiplexverfahren mittels drei räumlich getrennter, auf dem Lageidentifizierer 115 angeordneter Antenneneinrichtungen in Form eines ersten und/oder zweiten Lageidentifizierungssignals an zumindest eine der Empfangseinrichtungen 110, 305, 210 oder 315 aus. Die Positionen der drei Antenneneinrichtungen auf dem Lageidentifizierer 115 werden durch die Auswertung der an den Empfangseinrichtungen 110, 305, 210 und 315 empfangenen Lageidentifizierungssignale räumlich aufgelöst. Dadurch wird eine Bestimmung der Position und/oder der räumlichen Lage des Werkzeugs 105 im Raum ermöglicht.In a first variant of the overall system 300 the location identifier receives 115 an activation signal from one of the receiving devices 110 . 305 . 210 or 315 and sends this signal amplified with a known delay time in the time division multiplex method using three spatially separated, on the position identifier 115 arranged antenna devices in the form of a first and / or second position identification signal to at least one of the receiving devices 110 . 305 . 210 or 315 out. The positions of the three antenna devices on the position identifier 115 be through the evaluation of the reception equipment 110 . 305 . 210 and 315 received location identification signals spatially resolved. This will determine the position and / or spatial location of the tool 105 in the room.

In einer zweiten Variante des Gesamtsystems 300 sind die Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 und 315 ortsfest montiert und der am beweglichen Werkzeug 105 befestigte Lageidentifizierer 115 misst eine Zwei-Wege-Laufzeit und die Richtungen der von den Empfangseinrichtungen 110, 305, 210 und 315 verstärkten Millimeterwellensignale.In a second variant of the overall system 300 are the reception facilities 110 . 305 . 310 and 315 Fixed mounted and the movable tool 105 attached location identifier 115 Measures a two-way transit time and the directions of the reception facilities 110 . 305 . 210 and 315 amplified millimeter-wave signals.

In der dritten Variante des Gesamtsystems 300 senden mindestens vier ortsfeste und miteinander synchronisierte Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 und 315 Millimeterwellensignale an den am zu lokalisierenden Werkzeug 105 befestigten Lageidentifizierer 115. Diese Variante weist gemäß einem Ausführungsbeispiel ferner einen Lokalisierungsrechner auf, der aus den Messdaten des Lageidentifizierers 115 eine genaue Position des Werkzeugs 105 berechnet.In the third variant of the overall system 300 send at least four fixed and synchronized receiving devices 110 . 305 . 310 and 315 Millimeter wave signals at the tool to be located 105 attached location identifier 115 , According to one exemplary embodiment, this variant also has a localization computer which is made up of the measured data of the position identifier 115 an exact position of the tool 105 calculated.

4 zeigt ein Funktionsdiagramm 400 zur Bestimmung einer Ausbreitungsdämpfung eines Signals 405 im Millimeterwellenfrequenzbereich sowie eines ersten 410 und zweiten 415 Signals im Ultrabreitbandfrequenzbereich im freien Raum gemäß einem Ausführungsbeispiel. 4 shows a function diagram 400 for determining a propagation loss of a signal 405 in the millimeter wave frequency range and a first 410 and second 415 signal in the ultra wide band frequency range in free space according to an embodiment.

Das Funktionsdiagramm 400 stellt einen Freiraumdämpfungsfaktor in Dezibel dB dar, der hierbei als Funktion der Entfernung in Metern angegeben ist. Das Signal 405 im Millimeterwellenfrequenzbereich weist eine Frequenz von 60 GHz auf, das erste Signal 410 im Ultrabreitbandfrequenzbereich weist eine Frequenz von 6,5 GHz auf und das zweite Signal 415 im Ultrabreitbandfrequenzbereich weist eine Frequenz von 3,5 GHz auf.The function diagram 400 represents a free space damping factor in decibels dB, which is given here as a function of the distance in meters. The signal 405 in the millimeter-wave frequency range has a frequency of 60 GHz, the first signal 410 in the ultra broadband frequency range has a frequency of 6.5 GHz and the second signal 415 in the ultra broadband frequency range has a frequency of 3.5 GHz.

Aus dem Funktionsdiagramm 400 ist ersichtlich, dass eine Freiraumdämpfung mit der Frequenz eines Signals abnimmt bzw. die Freiraumdämpfung mit der Entfernung und der Frequenz steigt. Dies bedeutet, dass das Signal 405 im Millimeterwellenfrequenzbereich eine ungünstigere Freifelddämpfung gegenüber dem ersten 410 und zweiten 415 Signal im Ultrabreitbandfrequenzbereich aufweist.From the function diagram 400 It can be seen that a free space attenuation decreases with the frequency of a signal or increases the free space attenuation with the distance and the frequency. This means that the signal 405 in the millimeter wave frequency range has a less favorable free-field damping compared to the first 410 and second 415 signal in the ultra-wideband frequency range.

5 zeigt ein Funktionsdiagramm 500 zur Bestimmung einer Empfangsleistung eines Signals 405 im Millimeterwellenfrequenzbereich sowie eines ersten 410 und zweiten 415 Signals im Ultrabreitbandfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel. 5 shows a function diagram 500 for determining a received power of a signal 405 in the millimeter wave frequency range as well as a first 410 and second 415 signals in the ultra-wideband frequency range according to an embodiment.

Das Funktionsdiagramm 500 stellt hierbei einen Signalstärkefaktor der Signale 405, 410 und 415 in Dezibel Milliwatt (dBm) als Funktion der Entfernung in Metern dar. Das Signal 405 im Millimeterwellenfrequenzbereich weist eine Frequenz von 60 GHz auf, das erste Signal 410 im Ultrabreitbandfrequenzbereich weist eine Frequenz von 6,5 GHz auf und das zweite Signal 415 im Ultrabreitbandfrequenzbereich weist eine Frequenz von 3,5 GHz auf. Die Signalstärke wird hierbei mittels einer negativen Skala in Dezibel Milliwatt (dBm) gemessen. Je höher der gemessene Faktor, also je näher der Faktor sich der Null annähert, desto stärker ist das Signal. Ein Wert von beispielsweise -50 dBm entspricht einem sehr guten Signal.The function diagram 500 This represents a signal strength factor of the signals 405 . 410 and 415 in decibels milliwatts (dBm) as a function of distance in meters. The signal 405 in the millimeter-wave frequency range has a frequency of 60 GHz, the first signal 410 in the ultra broadband frequency range has a frequency of 6.5 GHz and the second signal 415 in the ultra broadband frequency range has a frequency of 3.5 GHz. Signal strength is measured by a negative scale in decibels milliwatts (dBm). The higher the measured factor, ie the closer the factor approaches zero, the stronger the signal. A value of -50 dBm, for example, corresponds to a very good signal.

Gegenüber der zwei Signale 410 und 415 im Ultrabreitbandfrequenzbereich hat das Signal 405 im Millimeterwellenfrequenzbereich den Vorteil, dass die regulierte zulässige effektive Strahlungsleistung mit 13dBm/MHz deutlich höher ist. Dies hat zur Folge, dass trotz der ungünstigeren Freifelddämpfung, wie sie in 4 dargestellt ist, ein insgesamt stärkeres Empfangssignal bzw. ein zu empfangendes Lageidentifizierungssignal zu erwarten ist.Opposite the two signals 410 and 415 in the ultra broadband frequency range, the signal has 405 In the millimeter wave frequency range, the advantage is that the regulated permissible effective radiation power of 13 dBm / MHz is significantly higher. As a result, despite the less favorable free-field damping, as in 4 is shown, an overall stronger received signal or to be received position identification signal is to be expected.

6 zeigt ein Blockschaltbild 600 zur Verwendung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. 6 shows a block diagram 600 for using a method for determining a position and / or spatial position of a tool according to an exemplary embodiment.

Das Blockschaltbild 600 weist zunächst eine erste 110, eine zweite 305 sowie eine weitere 310 Empfangseinrichtung auf. Das Blockschaltbild 600 weist ferner einen Lageidentifizierer 115 sowie einen Lokalisierungsrechner 605 auf. Je eine Empfangseinrichtung 110, 305, 310 sendet beispielhaft ein erstes Aktivierungssignal 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich an den zumindest einen Lageidentifizierer 115. Ansprechend auf die vom Lageidentifizierer 115 empfangenen Aktivierungssignale 145 sendet der Lageidentifizierer 115 je zumindest ein erstes 135 und zweites 140 Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich mittels je einer von mehreren Antenneneinrichtungen, wobei die Antenneneinrichtungen voneinander beabstandet auf dem Lageidentifizierer 115 angeordnet sind, an die Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 aus. Der Lokalisierungsrechner 605, der mit den Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 über eine Datenschnittstelle, beispielsweise über Ethernet, verbunden ist, ruft die von den Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 empfangenen Messdaten in Form eines Abfragesignals 610 ab. Hierbei kann der Lokalisierungsrechner 605 unter Verwendung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten 135 und zweiten 140 Lageidentifizierungssignal die Position und/oder räumliche Lage sowie optional die Geschwindigkeit des Werkzeugs berechnen und diese Positionsinformation in Form eines Positionssignals 615 ausgeben.The block diagram 600 has first a first 110, a second 305 and a further 310 receiving device. The block diagram 600 also has a location identifier 115 and a localization calculator 605 on. One receiving device each 110 . 305 . 310 sends by way of example a first activation signal 145 in the millimeter wave frequency range to the at least one position identifier 115 , In response to the location identifier 115 received activation signals 145 sends the location identifier 115 at least a first 135 and second 140 Location identification signal in millimeter wave frequency range by means of one of a plurality of antenna devices, wherein the antenna devices spaced from each other on the position identifier 115 are arranged, to the receiving facilities 110 . 305 . 310 out. The localization calculator 605 , with the reception facilities 110 . 305 . 310 Connected via a data interface, for example via Ethernet, calls from the receiving devices 110 . 305 . 310 received measurement data in the form of an interrogation signal 610 from. Here, the localization calculator 605 using the first 135 and / or second 140 Location identification signal and / or a temporal relationship between the first 135 and second 140 Position identification signal calculate the position and / or spatial position and optionally the speed of the tool and this position information in the form of a position signal 615 output.

Eine Positionsbestimmung des Werkzeugs erfolgt im Wesentlichen aus den gemessenen Laufzeiten des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals des Lageidentifizierers 115 zu den einzelnen Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 und optional aus den gemessenen Richtungen des ersten 135 und zweiten 140 Lageidentifizierungssignals. Für die Laufzeitbestimmung wird jeweils die kürzeste gemessene Laufzeit berücksichtigt, um Vielfachreflexionen des Funkkanals abzutrennen. Eine Bestimmung der räumlichen Lage des Werkzeugs erfolgt aus der Positionsbestimmung für alle drei Sendepfade eines Lageidentifizierers 115, sowie aus den relativen Phasendifferenzen der drei unterschiedlichen Sendepfade des Lageidentifizierers 115.A position determination of the tool essentially takes place from the measured transit times of the first 135 and / or second 140 Location identification signal of the location identifier 115 to the individual reception facilities 110 . 305 . 310 and optionally from the measured directions of the first 135 and second 140 Location identification signal. For determining the transit time, the shortest measured transit time is taken into account in each case in order to separate off multiple reflections of the radio channel. A determination of the spatial position of the tool is made from the position determination for all three transmission paths of a position identifier 115 , as well as the relative phase differences of the three different transmission paths of the position identifier 115 ,

Bei der Berechnung der Position des Lageidentifizierers 115 bzw. des Werkzeugs wird auf der Basis eines Gütekriteriums, beispielsweise eines LMS-Algorithmus, eine Güte der Positionsbestimmung und/oder Bestimmung der räumlichen Lage berechnet. Dieses Gütekriterium kann verwendet werden, um Nichtsicht-Verbindungen, also wenn kein direkter Sichtkontakt zwischen den Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 und dem Lageidentifizierer 115 besteht, zu identifizieren. Wenn es sich um die Verdeckung einer einzelnen Empfangseinrichtung 110, 305 oder 310 handelt, kann diese von der Positionsbestimmung ausgeschlossen werden.When calculating the position of the position identifier 115 or the tool is calculated on the basis of a quality criterion, such as an LMS algorithm, a quality of position determination and / or determination of the spatial position. This quality criterion can be used to provide non-visible connections, that is, when there is no direct visual contact between the receiving devices 110 . 305 . 310 and the location identifier 115 exists to identify. When it comes to the occlusion of a single receiving device 110 . 305 or 310 This can be excluded from the position determination.

Bei der Berechnung der Position des Lageidentifizierers 115 bzw. des Werkzeugs kann optional eine Datenfusion der durch Funk-Ortung errechneten Position mit den Daten der Inertialen Messeinheit des Lokalisierungsrechners 605 bzw. eines mikromechanischen Kreisels (MEMS Gyro) erfolgen. Hierzu können bekannte Verfahren, wie beispielsweise Zustandsbeobachter und Kalman-Filter, eingesetzt werden.When calculating the position of the position identifier 115 or the tool can optionally a data fusion of calculated by radio positioning position with the data of the inertial measurement unit of the localization computer 605 or a micromechanical gyroscope (MEMS gyro). Known methods, such as state observers and Kalman filters, can be used for this purpose.

Für den räumlichen Bereich in dem der Lageidentifizierer 115 keine Sichtverbindung zu mindestens einer oder mehrerer Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 hat, kann eine positionsreferenzierte Tabelle des gemessenen ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals (Impulsantwort und Winkelspektrum) auf der Basis einer mit Hilfe der Daten der Inertialen Messeinheit des Lokalisierungsrechners 605 und der letzten gemessenen Position des Lageidentifizierers 115 erfolgen. Diese Tabelle kann mit Hilfe von Interpolationsverfahren verallgemeinert werden und später zu einer Positionsbestimmung im NLOS Bereich auch dort verwendet werden, wo durch Drift und Toleranzen die Daten der Inertialen Messeinheit zu ungenau sind.For the spatial area in which the location identifier 115 no line of sight to at least one or more receiving devices 110 . 305 . 310 may have a position-referenced table of the measured first 135 and / or second 140 Location identification signal (impulse response and angular spectrum) based on a data from the inertial unit of the localization computer 605 and the last measured position of the position identifier 115 respectively. This table can be generalized with the help of interpolation methods and can later be used to determine the position in the NLOS area. where due to drift and tolerances the data of the inertial measurement unit are too inaccurate.

Auch weitere Verfahren zur Positionsberechnung, die dem Stand der Technik entsprechen, können mit dem hier vorgeschlagenen Verfahrensansatz kombiniert werden.Other methods for position calculation which correspond to the prior art can also be combined with the method approach proposed here.

Der Lokalisierungsrechner 605 ist ausgebildet, die Güte der Messungen zu überwachen und lässt den Werker gegebenenfalls Kalibrationsmessungen durchführen. Hierzu wird das Werkzeug bzw. der Lageidentifizierer 115 an einen oder mehrere bekannte Punkte gebracht und aus den Messungen werden Kalibrationsdaten für die Laufzeitmessung und gegebenenfalls auch für eine Winkelgebung errechnet.The localization calculator 605 is designed to monitor the quality of the measurements and allows the operator to carry out calibration measurements if necessary. For this purpose, the tool or the position identifier 115 are brought to one or more known points and from the measurements calibration data for the transit time measurement and optionally also for an angle calculation are calculated.

Optional unterstützt der Lokalisierungsrechner 605 auch Verfahren zur Auto-Kalibration, bei der die exakte Position der Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 zunächst nicht vollständig bekannt ist und das gesamte System durch Abtasten mehrerer Referenzpunkte kalibriert wird.Optionally, the localization calculator supports 605 also method of auto-calibration, in which the exact position of the receiving equipment 110 . 305 . 310 initially not completely known and the entire system is calibrated by scanning several reference points.

Der Lokalisierungsrechner 605 ist weiterhin ausgebildet, eine Synchronisation zwischen den Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 zu steuern und zu überwachen. Er steuert die zeitliche Sequenz in der die verschiedenen Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 ihre Messungen durchführen. Diese Sequenz ist beispielsweise abhängig von der letzten bekannten Position des Lageidentifizierers 115 oder auch der Anzahl der zu überwachenden Lageidentifizierer 115 in einem bestimmten Überwachungsbereich, beispielsweise einer Montagestation.The localization calculator 605 is further formed, a synchronization between the receiving devices 110 . 305 . 310 to control and monitor. He controls the temporal sequence in the various receiving devices 110 . 305 . 310 perform their measurements. This sequence depends, for example, on the last known position of the position identifier 115 or also the number of position identifiers to be monitored 115 in a particular monitoring area, for example a mounting station.

7 zeigt ein Blockschaltbild 700 zur Verwendung einer alternativen Ausführungsform eines Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. 7 shows a block diagram 700 for using an alternative embodiment of a method for determining a position and / or spatial position of a tool according to an exemplary embodiment.

Das Blockschaltbild 700 weist zunächst eine erste 110, eine zweite 305 sowie eine weitere 310 Empfangseinrichtung auf, wobei die zumindest drei Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 fest montiert sind. Das Blockschaltbild 700 weist ferner einen Lageidentifizierer 115 sowie einen Lokalisierungsrechner 605 auf, wobei der Lokalisierungsrechner 605 aus den Messdaten des Lageidentifizierers 115 die genaue Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs errechnet. Der Lokalisierungsrechner 605 kann alternativ mit dem Lageidentifiziererer 115 in einem Gerät integriert sein.The block diagram 700 first has a first 110 , a second 305 and a further 310 receiving device, wherein the at least three receiving devices 110 . 305 . 310 are firmly mounted. The block diagram 700 also has a location identifier 115 and a localization calculator 605 on, being the localization calculator 605 from the measured data of the position identifier 115 calculates the exact position and / or spatial position of the tool. The localization calculator 605 may alternatively be with the location identifier 115 be integrated in one device.

Je eine Empfangseinrichtung 110, 305, 310 empfängt das von einem Lageidentifizierer 115 ausgesendete erste 135 und/oder zweite 140 Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich zwischen 57 GHz und 64 GHz. Hierfür weist der Lageidentifizierer 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Sende- und Empfangseinheit auf, die das modulierte hochfrequente erste 135 und/oder zweite 140 Lageidentifizierungssignal aussendet und empfangen kann mit dem Ziel, eine Laufzeitmessung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignal zu den verschiedenen Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 durchzuführen.One receiving device each 110 . 305 . 310 receives this from a location identifier 115 sent out first 135 and / or second 140 Position identification signal in the millimeter-wave frequency range between 57 GHz and 64 GHz. This is indicated by the location identifier 115 According to one embodiment, a transmitting and receiving unit, the modulated high-frequency first 135 and / or second 140 Location identification signal can be sent and received with the aim of measuring transit time of the first 135 and / or second 140 Location identification signal to the various receiving devices 110 . 305 . 310 perform.

Die Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 sind ausgebildet, das empfangene erste 135 und/oder zweite 140 Lageidentifizierungssignal zu verstärken und optional eine Verschiebung der Trägerfrequenz um eine feste Differenzfrequenz durchzuführen und/oder optional das erste 135 und/oder zweite 140 Lageidentifizierungssignal zur Identifikation der jeweiligen Empfangseinrichtung 110, 305, 310 auf Basis eines vorbestimmten Kennzeichnungsmodulationsverfahrens zu modulieren. Dass so veränderte erste 135 und/oder zweite 140 Lageidentifizierungssignal wird im Folgenden mit einer regelbaren Verstärkung über zumindest eine Antenneneinrichtung der jeweiligen Empfangseinrichtung 110, 305, 310 ausgesendet. Der Lokalisierungsrechner 605, der mit dem Lageidentifizierer 115 über eine Datenschnittstelle verbunden ist, wobei die Datenschnittstelle beispielsweise als Bus auf einer Leiterplatte ausgeformt oder als drahtlose Kommunikation oder kabelgebunden, beispielsweise über Ethernet, realisiert ist, ruft die von dem Lageidentifizierer 115 empfangenen Messdaten in Form eines Abfragesignals 610 ab und berechnet unter Verwendung der abgefragten Messdaten die Position und/oder die räumliche Lage und optional die Geschwindigkeit des jeweiligen Lageidentifizierers 115 bzw. des Werkzeugs. Die Positionsbestimmung erfolgt dabei im Wesentlichen aus den gemessenen Zwei-Wege-Laufzeiten des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals von dem Lageidentifizierer 115 zu den zumindest drei Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 sowie optional aus der gemessenen Richtung zumindest eines Lageidentifizierungssignals 135 oder 140, wobei der Lokalisierungsrechner 605 diese Positionsinformation in Form eines Positionssignals 615 ausgibt. Für die Laufzeitbestimmung wird hierbei jeweils die kürzeste gemessene Laufzeit berücksichtigt, um Vielfachreflexionen des Funkkanals abzutrennen.The reception facilities 110 . 305 . 310 are formed, the received first 135 and / or second 140 Strengthen position identification signal and optionally perform a shift of the carrier frequency by a fixed difference frequency and / or optionally the first 135 and / or second 140 Location identification signal for identifying the respective receiving device 110 . 305 . 310 based on a predetermined labeling modulation method. That so changed first 135 and / or second 140 Position identification signal is hereinafter with a controllable gain via at least one antenna device of the respective receiving device 110 . 305 . 310 sent out. The localization calculator 605 that with the location identifier 115 is connected via a data interface, wherein the data interface is formed, for example, as a bus on a printed circuit board or as wireless communication or wired, for example via Ethernet, calls that of the position identifier 115 received measurement data in the form of an interrogation signal 610 and calculates the position and / or the spatial position and optionally the speed of the respective position identifier using the requested measurement data 115 or the tool. The position determination takes place essentially from the measured two-way transit times of the first 135 and / or second 140 Location identification signal from the location identifier 115 to the at least three receiving devices 110 . 305 . 310 and optionally from the measured direction of at least one position identification signal 135 or 140 , where the localization calculator 605 this position information in the form of a position signal 615 outputs. In each case, the shortest measured transit time is taken into account for determining the transit time in order to separate off multiple reflections of the radio channel.

Jede der drei Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 weist eine sogenannte Wächterfunktion auf, die bei selbsterregtem Anschwingen durch positive Rückkopplung zwischen einer sendenden Antenneneinrichtung und einer empfangenden Antenneneinrichtung die Verstärkung so begrenzt, dass keine dauerhafte selbst-erregte Schwingung auftreten kann. Eine Verzögerungszeit vom Empfangen des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals bis zum Wiederaussenden ist hierbei durch Kalibrationsmessungen präzise bekannt.Each of the three reception facilities 110 . 305 . 310 has a so-called watchdog function, which limits self-excited oscillation by positive feedback between a transmitting antenna device and a receiving antenna device, the gain so that no permanent self-excited oscillation can occur. A delay time from receiving the first 135 and / or second 140 Position identification signal until retransmission is precisely known by calibration measurements.

Die Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 weisen gemäß einem Ausführungsbeispiel je eine Sende- und Empfangseinheit mit einer geringen Leistung von beispielsweise von 2.45 GHz auf, die eine Steuerung der Parameter Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 ermöglicht. Die typische Ausführung basiert auf einem Standard wie beispielsweise 802.15.4, Bluetooth, oder WLAN. Zu den zu übermittelten Parametern gehören hierbei unter anderem die Leistungsregelung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, das An- und Abschalten des Millimeterwellen-Signalpfades sowie die Modulationsparameter der optionalen Modulation des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, wie beispielsweise eine Blinkfrequenz. Hierbei kann eine Phase des „Blinkens“ einer der Empfangseinrichtung 110, 305 oder 310 mit der Blinkphase der anderen Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 so synchronisiert werden, dass im Blickfeld des Lageidentifizierers 115 immer nur eine Empfangseinrichtung 110, 305 oder 310 gleichzeitig angeschaltet ist, um eine Interferenz durch die Aussendungen verschiedener Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 zu minimieren.The reception facilities 110 . 305 . 310 According to one embodiment, each have a transmitting and receiving unit with a low power of, for example, 2.45 GHz, which is a control of the parameter receiving devices 110 . 305 . 310 allows. The typical implementation is based on a standard such as 802.15.4, Bluetooth, or WLAN. The parameters to be transmitted include, among others, the power control of the first 135 and / or second 140 Location identification signal, turning on and off the millimeter-wave signal path as well as the modulation parameters of the optional modulation of the first 135 and / or second 140 Location identification signal, such as a blinking frequency. In this case, a phase of "flashing" of one of the receiving device 110 . 305 or 310 with the flashing phase of the other receiving devices 110 . 305 . 310 be synchronized so that in the field of view of the Lageidentifizierers 115 always only one receiving device 110 . 305 or 310 is turned on at the same time, to interference by the emissions of various receiving devices 110 . 305 . 310 to minimize.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erhält jede der Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 ihren Strom von einer umgebenden Infrastruktur oder optional aus einer hinreichend großen Batterie. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erhält der Lageidentifizierer 115 Strom von dem tragenden Werkzeug.According to one embodiment, each of the receiving devices receives 110 . 305 . 310 their power from a surrounding infrastructure or optionally from a sufficiently large battery. In one embodiment, the location identifier is obtained 115 Electricity from the carrying tool.

Der Lageidentifizierer 115 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel unbedingt die Fähigkeit eine Winkelbestimmung des empfangenen ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals durch die Auswertung der relativen Phasen, beispielsweise durch digitales Beamforming, der verschiedenen Empfangskanäle auf. Die Anzahl der Empfangskanäle beträgt hierfür mindestens drei, typischerweise aber vier bis sechs Kanäle. Die Richtungsbestimmung umfasst hierbei Azimut und Elevation relativ zum kalibrierten sogenannten Radarnullpunkt auf der Platine.The location identifier 115 according to one embodiment necessarily has the ability of an angle determination of the received first 135 and / or second 140 Location identification signal by the evaluation of the relative phases, for example by digital beamforming, the various receiving channels on. The number of receive channels is at least three, but typically four to six channels. The direction determination here comprises azimuth and elevation relative to the calibrated so-called radar zero point on the board.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Lageidentifizierer 115 einen Mikrocontroller auf, der die Messabläufe und die Datenkommunikation mit den Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 sowie dem Lokalisierungsrechner 605 steuert.According to another embodiment, the location identifier 115 a microcontroller that monitors the measurement processes and data communication with the receiving devices 110 . 305 . 310 and the localization calculator 605 controls.

Ein Ausführungsbeispiel des Lageidentifizierer 115 sieht ferner vor, dass dieser optional über einen Indikator, wie beispielsweise eine LED-Leuchte, verfügt. Der Indikator dient hierbei einer Anzeige einer durch den Lokalisierungsrechner 605 in der Auswertung festgestellten und unzulässigen Verschlechterung der Kalibration. Der Werker wird daraufhin aufgefordert mit dem Werkzeug eine Kalibrationspunkt auf der Arbeitsfläche anzufahren.An embodiment of the location identifier 115 further provides that it optionally has an indicator, such as an LED light. The indicator serves to display one by the localization computer 605 in the evaluation determined and inadmissible deterioration of the calibration. The worker is then prompted to use the tool to approach a calibration point on the work surface.

Der Lageidentifizierer 115 weist optional eine Inertiale Messeinheit auf, die als Mikrosystem ausgeprägt ist, um festzustellen, ob der Lageidentifizierer 115, und damit das Werkzeug, bewegt wurde. Der Millimeterwellen-Signalpfad kann hierbei abhängig von der Bewegung des Lageidentifizierers 115 angesteuert werden, um Strom zu sparen. Die Messwerte der Inertialen Messeinheit können darüber hinaus zur Sensordatenfusion bei der Positionsberechnung des Werkzeugs verwendet werden.The location identifier 115 Optionally has an inertial measuring unit, which is designed as a microsystem, to determine if the position identifier 115 , and so that the tool was moved. The millimeter wave signal path may depend on the movement of the position identifier 115 be controlled to save electricity. The measured values of the inertial measuring unit can also be used for sensor data fusion in the position calculation of the tool.

Bei der Berechnung der Position des Lageidentifizierers 115 bzw. des Werkzeugs wird auf der Basis eines Gütekriteriums, beispielsweise eines LMS-Algorithmus, eine Güte der Positionsbestimmung und/oder Bestimmung der räumlichen Lage berechnet. Dieses Gütekriterium kann verwendet werden, um Nichtsicht-Verbindungen, also wenn kein direkter Sichtkontakt dem Lageidentifizierer 115 zu einer der Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 besteht, zu identifizieren. Wenn es sich um die Verdeckung einer einzelnen Empfangseinrichtung 110, 305 oder 310 handelt, kann diese Empfangseinrichtung 110, 305 oder 310 von der Positionsbestimmung ausgeschlossen werden. Somit ist der hier vorgestellte Ansatz robust gegenüber eventuellen Verdeckungen, beispielsweise durch den Werker selbst oder durch redundante Empfangseinrichtungen.When calculating the position of the position identifier 115 or the tool is calculated on the basis of a quality criterion, such as an LMS algorithm, a quality of position determination and / or determination of the spatial position. This quality criterion can be used to provide nonvisual connections, that is, when there is no direct line of sight to the location identifier 115 to one of the reception facilities 110 . 305 . 310 exists to identify. When it comes to the occlusion of a single receiving device 110 . 305 or 310 This receiving device can be used 110 . 305 or 310 be excluded from the position determination. Thus, the approach presented here is robust against any occlusion, for example, by the worker or by redundant receiving devices.

Bei der Berechnung der Position des Lageidentifizierers 115 bzw. des Werkzeugs kann optional eine Datenfusion der durch Funk-Ortung errechneten Position mit den Daten der Inertialen Messeinheit des Lokalisierungsrechners 605 bzw. eines mikromechanischen Kreisels (MEMS Gyro) erfolgen. Hierzu können bekannte Verfahren, wie beispielsweise Zustandsbeobachter und Kalman-Filter, eingesetzt werden.When calculating the position of the position identifier 115 or the tool can optionally a data fusion of calculated by radio positioning position with the data of the inertial measurement unit of the localization computer 605 or a micromechanical gyroscope (MEMS gyro). Known methods, such as state observers and Kalman filters, can be used for this purpose.

Für den räumlichen Bereich, in dem der Lageidentifizierer 115 keine Sichtverbindung zu einer oder mehrerer Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 hat, kann eine positionsreferenzierte Tabelle des gemessenen ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals (Impulsantwort und Winkelspektrum) auf der Basis einer mit Hilfe der Daten der Inertialen Messeinheit des Lokalisierungsrechners 605 und der letzten gemessenen Position des Lageidentifizierers 115 erfolgen. Diese Tabelle kann mit Hilfe von Interpolationsverfahren verallgemeinert werden und später zu einer Positionsbestimmung im NLOS Bereich auch dort verwendet werden, wo durch Drift und Toleranzen die Daten der Inertialen Messeinheit zu ungenau sind.For the spatial area in which the location identifier 115 no line of sight to one or more reception facilities 110 . 305 . 310 may have a position-referenced table of the measured first 135 and / or second 140 Location identification signal (impulse response and angular spectrum) based on a data from the inertial unit of the localization computer 605 and the last measured position of the position identifier 115 respectively. This table can be generalized with the help of interpolation methods and later used to determine the position in the NLOS range, even where the data of the inertial measuring unit are too inaccurate due to drift and tolerances.

Auch weitere Verfahren zur Positionsberechnung, die dem Stand der Technik entsprechen, können mit dem hier vorgeschlagenen Verfahrensansatz kombiniert werden. Other methods for position calculation which correspond to the prior art can also be combined with the method approach proposed here.

Der Lokalisierungsrechner 605 ist ausgebildet, die Güte der Messungen zu überwachen und lässt den Werker gegebenenfalls Kalibrationsmessungen durchführen. Hierzu wird das Werkzeug bzw. der Lageidentifizierer 115 an einen oder mehrere bekannte Punkte gebracht und aus den Messungen werden Kalibrationsdaten für die Laufzeitmessung und gegebenenfalls auch für eine Winkelgebung errechnet.The localization calculator 605 is designed to monitor the quality of the measurements and allows the operator to carry out calibration measurements if necessary. For this purpose, the tool or the position identifier 115 are brought to one or more known points and from the measurements calibration data for the transit time measurement and optionally also for an angle calculation are calculated.

Der Lokalisierungsrechner 605 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Sende-und Empfangseinheit zur Kommunikation mit den Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 ausgestattet. Über diese Datenschnittstelle werden die Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 aktiviert, also aus einem Standby-Betrieb aufgeweckt. Im Fall, dass mehrere Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 aktiv sind, können diese nacheinander abgefragt werden bzw. ihre Blink-Sequenzen synchronisiert werden.The localization calculator 605 According to one embodiment, with a transmitting and receiving unit for communicating with the receiving devices 110 . 305 . 310 fitted. Via this data interface, the receiving devices 110 . 305 . 310 activated, so woken up from a standby mode. In the case of multiple receiving facilities 110 . 305 . 310 are active, these can be queried one after the other or their flash sequences synchronized.

Der Lokalisierungsrechner 605 ist weiterhin ausgebildet, eine Synchronisation zwischen den Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 zu steuern und zu überwachen. Er steuert die zeitliche Sequenz in der die verschiedenen Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 ihre Messungen durchführen. Diese Sequenz ist beispielsweise abhängig von der letzten bekannten Position des Lageidentifizierers 115 oder auch der Anzahl der zu überwachenden Lageidentifizierer 115 in einem Überwachungsbereich.The localization calculator 605 is further formed, a synchronization between the receiving devices 110 . 305 . 310 to control and monitor. He controls the temporal sequence in the various receiving devices 110 . 305 . 310 perform their measurements. This sequence depends, for example, on the last known position of the position identifier 115 or also the number of position identifiers to be monitored 115 in a surveillance area.

Optional unterstützt der Lokalisierungsrechner 605 auch Verfahren zur Auto-Kalibration, bei der die exakte Position der Empfangseinrichtungen 110, 305, 310 zunächst nicht vollständig bekannt ist und das gesamte System durch Abtasten mehrerer Referenzpunkte kalibriert wird.Optionally, the localization calculator supports 605 also method of auto-calibration, in which the exact position of the receiving equipment 110 . 305 . 310 initially not completely known and the entire system is calibrated by scanning several reference points.

8 zeigt eine schematische Darstellung eines Lageidentifizierers 115 mit einer Anordnung einer Mehrzahl von Antenneneinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel. 8th shows a schematic representation of a position identifier 115 with an arrangement of a plurality of antenna devices according to an embodiment.

Die Darstellung zeigt den beispielhaft dreieckig ausgeformten Lageidentifizierer 115, wobei der Lageidentifizierer 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel zumindest drei Antenneneinrichtungen 805, 810, 815 aufweist, die je mit den Buchstaben Tx bezeichnet sind, wobei das Tx für Transmitter, zu Deutsch Sender, steht. Die drei sendenden Antenneneinrichtungen 805, 810, 815 sind in einer Ebene angeordnet und weisen einen gleichen Abstand zueinander auf, wobei die drei Antenneneinrichtungen 805, 810, 815 hierbei Eckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks bilden. Im Zentrum des Lageidentifizierers 115 ist ein Empfänger 820 angeordnet, der mit Rx für Receiver, zu Deutsch Empfänger, bezeichnet ist.The illustration shows the exemplary triangular shaped position identifier 115 where the location identifier 115 According to one embodiment, at least three antenna devices 805 . 810 . 815 each denoted by the letters Tx, where the Tx stands for transmitter, to German transmitter. The three transmitting antenna devices 805 . 810 . 815 are arranged in a plane and have an equal distance from each other, wherein the three antenna devices 805 . 810 . 815 forming vertices of an isosceles triangle. In the center of the situation identifier 115 is a recipient 820 arranged, which with Rx for receiver, to German receiver, is designated.

Der Lageidentifizierer 115 ist ausgebildet, ein zumindest erstes Aktivierungssignal 145 über den Empfänger 820 einzulesen bzw. zu empfangen. Hierbei wird das Aktivierungssignal 145 in einem Millimeterwellenfrequenzbereich, beispielsweise im Frequenzband zwischen 57 und 64 GHz, von einer Empfangseinrichtung ausgesendet. Der Lageidentifizierer 115 ist ferner ausgebildet, das eingelesene Aktivierungssignal 145 zu verstärken und in Form eines ersten 135 und zweiten 140 Lageidentifizierungssignals mittels der sendenden Antenneneinrichtungen 805 und 810 an die Empfangseinrichtung auszusenden. Optional kann eine Trägerfrequenz des auszusendenden ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals hierbei um eine feste Differenzfrequenz verschoben werden und/oder das auszusendende erste 135 und/oder zweite 140 Lageidentifizierungssignals zur Identifikation des Lageidentifizierers 115 auf Basis eines vorbestimmten Kennzeichnungsmodulationsverfahrens moduliert werden.The location identifier 115 is formed, at least a first activation signal 145 over the receiver 820 to read or to receive. This will be the activation signal 145 in a millimeter-wave frequency range, for example in the frequency band between 57 and 64 GHz, emitted by a receiving device. The location identifier 115 is further configured, the read-in activation signal 145 to reinforce and take the form of a first 135 and second 140 Location identification signal by means of the transmitting antenna devices 805 and 810 to send to the receiving device. Optionally, a carrier frequency of the first to be transmitted 135 and / or second 140 Position identification signal in this case are shifted by a fixed difference frequency and / or the first to be transmitted 135 and / or second 140 Location identification signal for identifying the location identifier 115 be modulated on the basis of a predetermined identification modulation method.

Bei der Modulation des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals ergeben sich hierbei folgende Möglichkeiten:

  1. 1. ein langsames On-Off-Keying, eine einfache Form der Amplitudenumtastung, als sogenanntes „Blinking“, um den Lageidentifizierer 115 gegenüber dem Hintergrund abzuheben;
  2. 2. eine langsame und/oder eine schnelle Phasenumtastung; oder
  3. 3. eine langsame und/oder eine schnelle Quadraturamplitudenmodulation.
In the modulation of the first 135 and / or second 140 Position identification signal arise in this case the following options:
  1. 1. slow on-off keying, a simple form of amplitude shift keying, so-called "blinking" to the position identifier 115 to stand out against the background;
  2. 2. slow and / or fast phase shift keying; or
  3. 3. a slow and / or a fast quadrature amplitude modulation.

Das modulierte erste 135 und/oder zweite 140 Lageidentifizierungssignal wird anschließend mit einer regelbaren Verstärkung ausgesendet. Eine Ansteuerung der drei Antenneneinrichtungen 805, 810, 815 erfolgt typischerweise sequentiell nacheinander im Zeitschlitzverfahren. Hierbei ist es optional möglich alle drei Sendesignalpfade gleichzeitig zu aktivieren. Eine Verzögerungszeit vom Einlesen des Aktivierungssignals 145 bis zum Aussenden des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals ist durch Kalibrationsmessungen präzise bekannt.The modulated first 135 and / or second 140 Position identification signal is then sent out with a controllable gain. A control of the three antenna devices 805 . 810 . 815 typically occurs sequentially one after another in the time slot method. Optionally, it is possible to activate all three transmit signal paths simultaneously. A delay time from reading the activation signal 145 until the first one is sent out 135 and / or second 140 Location identification signal is precisely known by calibration measurements.

Der Lageidentifizierer 115 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine sogenannte Wächterfunktion auf, die bei selbsterregtem Anschwingen durch positive Rückkopplung zwischen den drei Antenneneinrichtungen 805, 810, 815 und dem Empfänger 820 die Verstärkung so begrenzt, dass keine dauerhafte selbst-erregte Schwingung auftreten kann.The location identifier 115 according to one embodiment has a so-called watchdog function, the self-excited oscillation by positive feedback between the three antenna devices 805 . 810 . 815 and the receiver 820 the gain is limited so that no permanent self-excited oscillation can occur.

Der Lageidentifizierer 115 weist optional eine Sende- und Empfangseinheit mit einer geringen Leistung von beispielsweise von 2.45 GHz auf, die eine Steuerung der Parameter des Lageidentifizierers 115 ermöglicht. Die typische Ausführung basiert auf einem Standard wie beispielsweise 802.15.4, Bluetooth oder WLAN. Zu den zu übermittelten Parametern gehören hierbei unter anderem die Leistungsregelung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, das An- und Abschalten des Millimeterwellen-Signalpfades sowie die Modulationsparameter der optionalen Modulation des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, wie beispielsweise eine Blinkfrequenz. The location identifier 115 Optionally has a transmitting and receiving unit with a low power of, for example, 2.45 GHz, which controls the parameters of the position identifier 115 allows. The typical implementation is based on a standard such as 802.15.4, Bluetooth or WLAN. Among the parameters to be transmitted here include the power control of the first 135 and / or second 140 position identification signal, the switching on and off of the millimeter-wave signal path and the modulation parameters of the optional modulation of the first 135 and / or second 140 position identification signal, such as a flashing frequency ,

Optional kann der Lageidentifizierer 115 eine Intertiale Messeinheit aufweisen, die beispielsweise mit mikromechanischen Interialsensoren und optionaler Sensorfusion ausgestattet ist, um festzustellen, ob der Lageidentifizierer 115 und somit das Werkzeug bewegt wurde und um die Inertialsensordaten mit den Messungen des Hochfrequenz-Systems zu fusionieren, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems zu erhöhen. Der Millimeterwellen-Signalpfad kann hierbei abhängig von der Bewegung des Lageidentifizierers 115 angesteuert werden, um Strom zu sparen.Optionally, the location identifier 115 an inertial measuring unit equipped, for example, with micromechanical interference sensors and optional sensor fusion to determine if the position identifier 115 and thus the tool has been moved and to merge the inertial sensor data with the measurements of the high frequency system to increase the reliability and accuracy of the system. The millimeter wave signal path may depend on the movement of the position identifier 115 be controlled to save electricity.

Ein Ausführungsbeispiel des Lageidentifizierers 115 sieht ferner vor, dass dieser optional über einen Indikator, wie beispielsweise eine LED-Leuchte, verfügt. Der Indikator dient hierbei einer Anzeige einer durch einen Lokalisierungsrechner in der Auswertung festgestellten und unzulässigen Verschlechterung der Kalibration. Der Nutzer wird daraufhin aufgefordert mit dem Werkzeug eine Kalibrationspunkt auf der Arbeitsfläche anzufahren.An embodiment of the Lageidentifizierers 115 further provides that it optionally has an indicator, such as an LED light. The indicator serves to display a deterioration of the calibration which has been detected by a localization computer in the evaluation and which is not permissible. The user is then prompted to use the tool to approach a calibration point on the work surface.

Der Lageidentifizierer 115 erhält gemäß einem Ausführungsbeispiel seine Stromversorgung vom tragenden Werkzeug oder optional durch eigene Batterien. Diese Batterien können optional durch drahtlose induktive Leistungsübertragung geladen werden.The location identifier 115 receives according to one embodiment, its power supply from the supporting tool or optionally by their own batteries. These batteries can optionally be charged by wireless inductive power transfer.

Wesentliche Schaltungsteile des Lageidentifizierers 115, wie der Millimeterwellen-Signalpfad, eine Steuerungslogik und gegebenenfalls auch ein Funk mit geringer Leistung, können in einer anwendungspezifischen integrierten Schaltung, beispielsweise einem Monolithic Microwave Integrated Circuit, auf Basis eines CMOS-Halbleiterprozesses miniaturisiert werden. Die Miniaturisierung ermöglicht Schaltungen bis in den Bereich der Millimeterwellen.Essential circuit parts of the Lageidentifizierers 115 such as the millimeter wave signal path, control logic, and possibly also low power radio may be miniaturized in an application specific integrated circuit, such as a monolithic microwave integrated circuit, based on a CMOS semiconductor process. The miniaturization allows circuits down to the millimeter wave range.

9 zeigt ein Blockschaltbild 900 einer Schaltung zur Ausführung eines Aussendens eines empfangenen Aktivierungssignals 145 im Millimeterwellenbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel. Hierbei wird das Aussenden des empfangenen Aktivierungssignals 145 in Form eines ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals beispielhaft auf einem Lageidentifizierer ausgeführt, kann alternativ aber auch auf einer Empfangseinrichtung ausgeführt werden. 9 shows a block diagram 900 a circuit for carrying out a transmission of a received activation signal 145 in the millimeter wave range according to an embodiment. In this case, the transmission of the received activation signal 145 in the form of a first 135 and / or second 140 Location identification signal executed on a position identifier, for example, but may alternatively be carried out on a receiving device.

Das Blockschaltbild 900 weist zunächst einen Empfänger 820 auf, wobei es sich bei dem Empfänger 820 beispielhaft um eine empfangende Antenneneinrichtung des Lageidentifizierers handelt. Das Blockschaltbild 900 weist ferner einen Verstärker 905, einen Mischer 910 und beispielhaft drei sendende Antenneneinrichtungen 805, 810 und 815 auf, wobei es sich bei den drei Antenneneinrichtungen 805, 810 und 815 beispielhaft um die drei sendenden Antenneneinrichtungen 805, 810 und 815 des Lageidentifizierers aus 8 handelt. Das Blockschaltbild 900 weist schließlich eine bidirektionale Sende- und Empfangseinheit 915 mit einer geringen Leistung von beispielsweise 2,45 GHz auf, die eine Steuerung der Parameter des Lageidentifizierers ermöglicht. Zu den übermittelnden Parametern gehören beispielsweise das An- und Abschalten des Millimeterwellensignalpfades, die Modulationsparameter der optionalen Modulation eines auszusendenden ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, wie beispielsweise eine Blinkfrequenz, sowie schließlich die Leistungsregelung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals. Hierbei sendet der Lageidentifizierer beispielhaft ein Statusanfragesignal 920 an die bidirektionale Sende- und Empfangseinheit 915, um eine Steuerung der Parameter des Lageidentifizierers durch die Sende- und Empfangseinheit 915 anzufragen, wobei die Steuerung der Parameter in Form eines von der Sende- und Empfangseinheit 915 an den Lageidentifizierer ausgesendeten Kontrollsignals 925 realisiert wird.The block diagram 900 first has a receiver 820 on, where it is at the receiver 820 exemplarily is a receiving antenna device of the position identifier. The block diagram 900 also has an amplifier 905 , a mixer 910 and by way of example three transmitting antenna devices 805 . 810 and 815 on, with the three antenna devices 805 . 810 and 815 for example, the three transmitting antenna devices 805 . 810 and 815 of the location identifier 8th is. The block diagram 900 finally has a bidirectional transmitting and receiving unit 915 with a low power of 2.45 GHz, for example, which allows control of the parameters of the position identifier. The transmitting parameters include, for example, the switching on and off of the millimeter-wave signal path, the modulation parameters of the optional modulation of a first to be transmitted 135 and / or second 140 Location identification signal, such as a blinking frequency, and finally the power control of the first 135 and / or second 140 Location identification signal. Here, the position identifier sends an example of a status request signal 920 to the bidirectional transmitting and receiving unit 915 to control the parameters of the position identifier by the transmitting and receiving unit 915 request, wherein the control of the parameters in the form of one of the transmitting and receiving unit 915 control signal sent to the location identifier 925 is realized.

Der Empfänger 820 empfängt zunächst das von einer Empfangseinrichtung ausgesendete Aktivierungssignal 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich. Das empfangene Aktivierungssignal 145, welches eine Frequenz von 60 GHz aufweist, wird von dem Verstärker 905 verstärkt, wobei der Verstärker 905 eine Empfindlichkeit des Empfängers 820 erhöht, indem schwache Signalteile verstärkt werden, ohne diese mit Rauschen zu kontaminieren. Durch die Verstärkung des empfangenen Aktivierungssignals 145 werden eine höhere Reichweite sowie eine höhere Genauigkeit des Signals erzielt.The recipient 820 first receives the activation signal emitted by a receiving device 145 in the millimeter-wave frequency range. The received activation signal 145 , which has a frequency of 60 GHz, is supplied by the amplifier 905 amplified, the amplifier 905 a sensitivity of the receiver 820 increased by weak signal parts are amplified without contaminating them with noise. By amplifying the received activation signal 145 Greater range and accuracy of the signal are achieved.

Optional kann zur Identifikation des Lageidentifizierers und/oder der Empfangseinrichtung das empfangene Aktivierungssignal 145 auf Basis eines vorbestimmten Kennzeichnungsmodulationsverfahrens moduliert werden, wobei der Mischer 910 hierbei zur Frequenzumsetzung des Aktivierungssignals 145 verwendet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es bei der Frequenzumsetzung beispielhaft um eine rechteckförmige Modulation, also eine einfache Frequenzumtastung. Diese Modulation wird für eine sehr genaue Entfernungsmessung im Nahbereich durch Phasenvergleich beider Frequenzen des ausgesendeten und empfangenen Aktivierungssignals 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich genutzt. Im Folgenden wird das verstärkte und/oder modulierte Aktivierungssignal 145 in Form eines ersten 135 und zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, welche je eine Frequenz von 60 GHz aufweisen, mittels der sendenden Antenneneinrichtungen 805 und 815 wieder an die Empfangseinrichtung ausgesendet. Die Ansteuerung der drei sendenden Antenneneinrichtungen 805, 810, 815 erfolgt typischerweise sequentiell nacheinander im Zeitschlitzverfahren. Es ist optional möglich, alle drei Sendepfade gleichzeitig zu aktivieren, wobei gemäß einem Ausführungsbeispiel zwei der drei Sendepfade aktiviert sind.Optionally, for the identification of the position identifier and / or the receiving device, the received activation signal 145 be modulated on the basis of a predetermined identification modulation method, wherein the mixer 910 in this case for the frequency conversion of the activation signal 145 is used. According to one embodiment, the frequency conversion is concerned for example, a rectangular modulation, so a simple Frequenzumtastung. This modulation is used for a very accurate distance measurement in the near range by phase comparison of both frequencies of the transmitted and received activation signal 145 used in the millimeter wave frequency range. The following is the amplified and / or modulated activation signal 145 in the form of a first 135 and second 140 Location identification signal, each having a frequency of 60 GHz, by means of the transmitting antenna devices 805 and 815 sent back to the receiving device. The control of the three transmitting antenna devices 805 . 810 . 815 typically occurs sequentially one after another in the time slot method. It is optionally possible to activate all three transmit paths simultaneously, wherein according to one embodiment two of the three transmit paths are activated.

10 zeigt ein Blockschaltbild 1000 einer Schaltung zur Ausführung einer Frequenzverschiebung bei einer Übertragung eines empfangenen Aktivierungssignals 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel. Hierbei wird das Aussenden des empfangenen Aktivierungssignals 145 in Form eines ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals beispielhaft auf einem Lageidentifizierer ausgeführt, kann alternativ aber auch auf einer Empfangseinrichtung ausgeführt werden. 10 shows a block diagram 1000 a circuit for performing a frequency shift in a transmission of a received activation signal 145 in the millimeter wave frequency range according to an embodiment. In this case, the transmission of the received activation signal 145 in the form of a first 135 and / or second 140 position identification signal by way of example on a position identifier, but may alternatively be carried out on a receiving device.

Das Blockschaltbild 1000 weist zunächst einen Empfänger 820 auf, wobei es sich bei dem Empfänger 820 beispielhaft um eine empfangende Antenneneinrichtung des Lageidentifizierers handelt. Das Blockschaltbild 1000 weist ferner einen Verstärker 905, einen Tiefpassfilter 1010, einen ersten Mischer 1020, einen Lokaloszillator 1030, einen Bandpassfilter 1040, einen Mischer 910 und beispielhaft drei sendende Antenneneinrichtungen 805, 810 und 815 auf. Das Blockschaltbild 1000 weist schließlich eine bidirektionale Sende- und Empfangseinheit 915 mit einer geringen Leistung von beispielsweise 2,45 GHz auf, die eine Steuerung der Parameter des Lageidentifizierers ermöglicht. Zu den übermittelnden Parametern gehören beispielsweise das An- und Abschalten des Millimeterwellensignalpfades, die Modulationsparameter der optionalen Modulation eines auszusendenden ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, wie beispielsweise eine Blinkfrequenz sowie schließlich die Leistungsregelung des ersten 135 und/oder zweiten 140 Lageidentifizierungssignals. Hierbei sendet der Lageidentifizierer beispielhaft ein Statusanfragesignal 920 an die bidirektionale Sende- und Empfangseinheit 915, um eine Steuerung der Parameter des Lageidentifizierers durch die Sende- und Empfangseinheit 915 anzufragen, wobei die Steuerung der Parameter in Form eines von der Sende- und Empfangseinheit 915 an den Lageidentifizierer ausgesendeten Kontrollsignals 925 realisiert wird.The block diagram 1000 first has a receiver 820 on, where it is at the receiver 820 exemplarily is a receiving antenna device of the position identifier. The block diagram 1000 also has an amplifier 905 , a low pass filter 1010 , a first mixer 1020 , a local oscillator 1030 , a bandpass filter 1040 , a mixer 910 and by way of example three transmitting antenna devices 805 . 810 and 815 on. The block diagram 1000 finally has a bidirectional transmitting and receiving unit 915 with a low power of 2.45 GHz, for example, which allows control of the parameters of the position identifier. The transmitting parameters include, for example, the switching on and off of the millimeter-wave signal path, the modulation parameters of the optional modulation of a first to be transmitted 135 and / or second 140 Location identification signal, such as a flashing frequency and finally the power control of the first 135 and / or second 140 Location identification signal. Here, the position identifier sends an example of a status request signal 920 to the bidirectional transmitting and receiving unit 915 to control the parameters of the position identifier by the transmitting and receiving unit 915 request, wherein the control of the parameters in the form of one of the transmitting and receiving unit 915 control signal sent to the location identifier 925 is realized.

Der Empfänger 820 empfängt zunächst das von einer Empfangseinrichtung ausgesendete Aktivierungssignal 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich. Das empfangene Aktivierungssignal 145, welches eine Frequenz von 59 GHz aufweist, wird von dem Verstärker 905 verstärkt, wobei der Verstärker 905 eine Empfindlichkeit des Empfängers 820 erhöht, indem schwache Signalteile verstärkt werden, ohne diese mit Rauschen zu kontaminieren. Das Aktivierungssignal 145 wird dann an den Tiefpassfilter 1010 weitergeleitet, der die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb seiner Grenzfrequenz von 61,5 GHz annähernd ungeschwächt passieren lässt, Anteile mit höheren Frequenzen, die das gewünschte Signal ansonsten stören würden, dagegen dämpft. Der erste Mischer 1020 mischt das empfangene Aktivierungssignal 145 mit einem Hilfssignal 1050 des Lokaloszillators 1030, das eine Frequenz von 4 GHz aufweist, um das Aktivierungssignal 145 in eine Zwischenfrequenz umzuwandeln. Die Zwischenfrequenz wird in den Hochpassfilter 1040 weitergeleitet, der die Frequenzen oberhalb seiner Grenzfrequenz von 61 GHz bis 65 GHz annähernd ungeschwächt passieren lässt und tiefere Frequenzen dämpft. Optional kann zur Identifikation des Lageidentifizierers und/oder der Empfangseinrichtung das empfangene Aktivierungssignal 145 auf Basis eines vorbestimmten Kennzeichnungsmodulationsverfahrens moduliert werden, wobei der Mischer 910 hierbei zur Frequenzumsetzung des Aktivierungssignals 145 verwendet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Frequenzumsetzung beispielhaft um eine rechteckförmige Modulation, also eine einfache Frequenzumtastung. Diese Modulation wird für eine sehr genaue Entfernungsmessung im Nahbereich durch Phasenvergleich beider Frequenzen des ausgesendeten und empfangenen Aktivierungssignals 145 im Millimeterwellenfrequenzbereich genutzt.The recipient 820 first receives the activation signal emitted by a receiving device 145 in the millimeter-wave frequency range. The received activation signal 145 , which has a frequency of 59 GHz, is provided by the amplifier 905 amplified, the amplifier 905 a sensitivity of the receiver 820 increased by weak signal parts are amplified without contaminating them with noise. The activation signal 145 then goes to the low pass filter 1010 passed, which allows the signal components with frequencies below its cutoff frequency of 61.5 GHz pass approximately unattenuated, but attenuates higher frequency components that would otherwise disturb the desired signal. The first mixer 1020 mixes the received activation signal 145 with an auxiliary signal 1050 of the local oscillator 1030 which has a frequency of 4 GHz to the activation signal 145 to convert to an intermediate frequency. The intermediate frequency will be in the high pass filter 1040 which passes the frequencies above its cut-off frequency of 61 GHz to 65 GHz almost unattenuated and attenuates lower frequencies. Optionally, for the identification of the position identifier and / or the receiving device, the received activation signal 145 be modulated on the basis of a predetermined identification modulation method, wherein the mixer 910 in this case for the frequency conversion of the activation signal 145 is used. According to one embodiment, the frequency conversion is by way of example a rectangular modulation, ie a simple frequency shift keying. This modulation is used for a very accurate distance measurement in the near range by phase comparison of both frequencies of the transmitted and received activation signal 145 used in the millimeter wave frequency range.

Schließlich wird das verstärkte und/oder modulierte Aktivierungssignal 145 in Form eines ersten 135 und zweiten 140 Lageidentifizierungssignals, welche je eine Frequenz von 63 GHz aufweisen, mittels der sendenden Antenneneinrichtungen 805 und 815 wieder an die Empfangseinrichtung ausgesendet. Die Ansteuerung der drei sendenden Antenneneinrichtungen 805, 810, 815 erfolgt typischerweise sequentiell nacheinander im Zeitschlitzverfahren. Es ist optional möglich, alle drei Sendepfade gleichzeitig zu aktivieren, wobei gemäß einem Ausführungsbeispiel zwei der drei Sendepfade aktiviert sind.Finally, the amplified and / or modulated activation signal 145 in the form of a first 135 and second 140 Location identification signal, each having a frequency of 63 GHz, by means of the transmitting antenna devices 805 and 815 sent back to the receiving device. The control of the three transmitting antenna devices 805 . 810 . 815 typically occurs sequentially one after another in the time slot method. It is optionally possible to activate all three transmit paths simultaneously, wherein according to one embodiment two of the three transmit paths are activated.

11 zeigt ein Blockschaltbild 1100 einer Empfangseinrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Empfangseinrichtung 110 ist hierbei beispielhaft auf Basis eines Dauerstrichradars bzw. eines FMCW-Systems dargestellt. Das Blockschaltbild 1100 zeigt hierbei, wie ein moduliertes Signal im Millimeterwellenfrequenzbereich über sendende bzw. empfangende Antenneneinrichtungen gesendet bzw. empfangen wird und wie die gesendeten und empfangenen Signale im Zeitbereich multipliziert und verarbeitet werden. 11 shows a block diagram 1100 a receiving device 110 according to an embodiment. The receiving device 110 is shown here by way of example on the basis of a continuous wave radar or an FMCW system. The Block diagram 1100 shows here how a modulated signal in the millimeter wave frequency range is transmitted or received via transmitting or receiving antenna devices and how the transmitted and received signals are multiplied and processed in the time domain.

Das Blockschaltbild 1100 weist fünf Blöcke auf, wobei die Empfangseinrichtung 110 im Wesentlichen einen Transceiver 1110 und eine Digitalsteuerungseinrichtung 1115 aufweist. Der Transceiver 1110 weist zumindest einen ersten Block 1120 auf, der wiederum drei aussendende Antenneneinrichtungen zum Aussenden eines Signals im Millimeterwellenfrequenzbereich sowie zumindest vier empfangende Antenneneinrichtungen zum Empfangen eines Signals im Millimeterwellenfrequenzbereich aufweist. Das Signal wird hierbei mit einer Frequenz von 60 GHz ausgesendet und ebenfalls mit einer Frequenz von 60 GHz empfangen. Der Transceiver 1110 weist schließlich einen weiteren Block 1125 auf, der vier Empfangskanäle aufweist, sowie einen Block 1130, der eine Phasenregelschleife aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Digitalsteuerungseinrichtung 1115 um einen Mikrocontroller, der die Messabläufe und die Datenkommunikation mit einem Lageidentifizierer und einem Lokalisierungsrechner steuert.The block diagram 1100 has five blocks, the receiving device 110 essentially a transceiver 1110 and a digital controller 1115 having. The transceiver 1110 has at least a first block 1120 which in turn has three transmitting antenna devices for transmitting a signal in the millimeter wave frequency range and at least four receiving antenna devices for receiving a signal in the millimeter wave frequency range. The signal is transmitted at a frequency of 60 GHz and also received at a frequency of 60 GHz. The transceiver 1110 finally shows another block 1125 on, which has four receiving channels, and a block 1130 having a phase locked loop. According to one embodiment, the digital control device is 1115 a microcontroller that controls the measurement processes and data communication with a location identifier and a location calculator.

Das Blockschaltbild 1100 weist in einem nächsten Block 1135 einen Filter mit einem Kompensationsbereich 1140 auf, wobei das empfangene Signal über einen der vier Empfangskanäle des Blocks 1125 zu dem Filter 1135 weitergeleitet wird, wobei mittels des Filters 1135 das durch Modulation auf einen Träger aufmodulierte Signal wiederhergestellt werden kann.The block diagram 1100 points in a next block 1135 a filter with a compensation range 1140 on, wherein the received signal over one of the four receiving channels of the block 1125 to the filter 1135 is forwarded, wherein by means of the filter 1135 the modulated onto a carrier modulated signal can be recovered.

In einem weiteren Block 1145 weist die Empfangseinrichtung 110 ein Basisband auf, das wiederrum vier Analog-zu-Digital-Umsetzer 1150, eine Netztakteinheit 1155 sowie eine Systemkonfigurationseinheit 1160 aufweist. In dem Analog-zu-Digital-Umsetzer 1150 wird das analoge Signal in ein digitales Äquivalent umgeformt, da bei analogen Signalübertragungen das ursprüngliche Signal dazu neigt zu rauschen.In another block 1145 has the receiving device 110 a baseband, which in turn has four analog-to-digital converters 1150 , a network clock unit 1155 and a system configuration unit 1160 having. In the analog-to-digital converter 1150 For example, the analog signal is converted to a digital equivalent because, in analog signal transmissions, the original signal tends to rush.

Die Digitalsteuerungseinrichtung 1115 weist eine Signalvorverarbeitungseinheit 1165 sowie eine Abfolge- und Messkontrolleinheit 1170 auf, wobei ein Lokalisierungsrechner mit der Signalvorverarbeitungseinheit 1165 und der Abfolge- und Messkontrolleinheit 1170 über eine Datenschnittstelle 1175, beispielsweise eine Ethernet-Schnittstelle, verbunden ist. Die Abfolge- und Messkontrolleinheit 1170 der Empfangseinrichtung 110 ist weiterhin mit einer bidirektionalen Sende- und Empfangseinheit 915 mit einer geringen Leistung von beispielsweise 2,45 GHz verbunden, die eine Steuerung der Parameter des Lageidentifizierers ermöglicht. Hierbei sendet die bidirektionale Sende- und Empfangseinheit 915 beispielhaft ein Statusanfragesignal 920 an die Abfolge- und Messkontrolleinheit 1170 der Empfangseinrichtung 110, um eine Steuerung der Parameter eines Lageidentifizierers anzufragen, wobei die Steuerung der Parameter in Form eines von der Abfolge- und Messkontrolleinheit 1170 an die Sende- und Empfangseinheit 915 ausgesendeten Kontrollsignals 925 realisiert wird.The digital control device 1115 has a signal preprocessing unit 1165 as well as a sequence and measurement control unit 1170 on, wherein a location calculator with the signal preprocessing unit 1165 and the sequence and measurement control unit 1170 via a data interface 1175 , For example, an Ethernet interface is connected. The sequence and measurement control unit 1170 the receiving device 110 is still with a bidirectional transmitting and receiving unit 915 connected to a low power of, for example 2.45 GHz, which allows control of the parameters of the position identifier. In this case, the bidirectional transmitting and receiving unit transmits 915 by way of example, a status request signal 920 to the sequence and measurement control unit 1170 the receiving device 110 to request control of the parameters of a position identifier, the control of the parameters in the form of one of the sequence and measurement control unit 1170 to the transmitting and receiving unit 915 emitted control signal 925 is realized.

Die Empfangseinrichtung 110 weist schließlich gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Block 1180 auf, der einen Lokaloszillator aufweist, wobei der Lokaloszillator 1180 wiederum eine Frequenzrampe 1185 aufweist. Die Frequenzrampe 1185 empfängt ein von der Abfolge- und Messkontrolleinheit 1170 bereitgestelltes digitales Triggersignal, welches In der Darstellung gestrichelt ausgeführt ist.The receiving device 110 Finally, according to one embodiment, a block 1180 on, which has a local oscillator, wherein the local oscillator 1180 again a frequency ramp 1185 having. The frequency ramp 1185 receives one from the sequence and measurement control unit 1170 provided digital trigger signal, which is executed in dashed lines in the illustration.

Als Modulation der Empfangseinrichtung 110 wird eine Chirp bzw. eine sogenannte Frequency-Modulated-Continous-Wave-Modulation vorgeschlagen. Alternativ kann auch eine Direct Sequence Spread Spectrum Modulation, beispielsweise eine Pseudozufallsrausch-Modulation, oder eine Stepped Frequency OFDM Modulation verwendet werden, die eine präzise Synchronisation der Empfangseinrichtung 110 mit dem Lageidentifizierer zulassen. Im Fall der Chirp Modulation wird durch eine Anordnung von Frequenz-Rampen mit verschiedenen Steigungen der gewünschte Eindeutigkeitsbereich in Entfernung und Relativ-Geschwindigkeit (Doppler) erzeugt. Im Fall der Chirp Modulation erfolgt die Detektion mit Hilfe eines Constant False Alarm Rate (CFAR) Algorithmus. Die Auswertung der Laufzeit der Signale erfolgt durch die Auswertung der Offsetfrequenz des heruntergemischten empfangenen Signals.As a modulation of the receiving device 110 is proposed a chirp or a so-called frequency-modulated continuous wave modulation. Alternatively, a direct sequence spread spectrum modulation, such as a pseudo-random noise modulation, or a stepped frequency OFDM modulation can be used, the precise synchronization of the receiving device 110 allow with the location identifier. In the case of chirp modulation, the arrangement of frequency ramps with different slopes produces the desired uniqueness range in distance and relative velocity (Doppler). In the case of chirp modulation, detection is performed using a Constant False Alarm Rate (CFAR) algorithm. The evaluation of the transit time of the signals takes place by evaluating the offset frequency of the down-converted received signal.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinrichtung 110 optional die Fähigkeit auf, eine Winkelbestimmung des empfangenen Signals durch die Auswertung der relativen beispielsweise durch digitales Beamforming, auf. Die Anzahl der Empfangskanäle beträgt hierfür mindestens zwei, typischerweise aber vier bis sechs Kanäle. Die Richtungsbestimmung umfasst hierbei mindestens den Azimut, typischerweise aber Azimut und Elevation.According to an embodiment, the receiving device 110 optionally the ability to, an angle determination of the received signal by the evaluation of the relative, for example by digital beamforming, on. The number of receive channels is at least two, but typically four to six channels. The direction determination here comprises at least the azimuth, but typically azimuth and elevation.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die Empfangseinrichtung 110 die Fähigkeit, sich mit weiteren Empfangseinrichtungen zu synchronisieren. Es werden hierbei zwei Arten von Synchronisation unterschieden:

  1. 1. Die Grobe Synchronisation (5ns < Uhrenabweichung < 50ns), die eine sequentielle Aktivierung der Empfangseinrichtungen 110 in einer vom Lokalisierungsrechner gewählten Reihenfolge ermöglicht, wobei sichergestellt ist, dass die Signale der verschiedenen Empfangseinrichtungen 110 sich nicht überlagern.
  2. 2. Die Präzise Synchronisation (Uhrenabweichung < 100ps), bei der das vom Lageidentifizierer ausgesendete Signal nicht nur der anregenden Empfangseinrichtung, sondern bistatisch auch von allen anderen Empfangseinrichtungen im Sinne eines Time-Difference-of-Arrival (TdoA) Verfahrens ausgewertet werden kann. Zur Herstellung einer hochpräzisen Synchronisation wird vorgeschlagen von einer Master-Empfangseinrichtung ein breitbandiges Direct Sequence Spread Spectrum Signal in einem eigenen Pilotkanal auszusenden. Dabei wird die Phase des Trägers mit dem Takt so abgestimmt, dass die Dauer eines Taktes eine ganzzahlige Anzahl der 60 GHz-Trägerperioden umfasst und dass die Phasenlage des Taktes und des Trägers zueinander fest eingestellt ist.
In a further embodiment, the receiving device 110 the ability to synchronize with other receiving devices. There are two types of synchronization:
  1. 1. The coarse synchronization (5ns <clock deviation <50ns), which is a sequential activation of the receiving devices 110 in an order selected by the location calculator, ensuring that the signals of the various receiving devices 110 do not overlap.
  2. 2. The precise synchronization (clock deviation <100ps), in which the signal emitted by the position identifier not only the stimulating receiving device, but bistatically from all other receiving devices in the sense of a Time-Difference-of-Arrival (TdoA) method can be evaluated. In order to produce a high-precision synchronization, it is proposed to send out a broadband direct sequence spread spectrum signal in a separate pilot channel by a master receiving device. In this case, the phase of the carrier is tuned to the clock so that the duration of a clock comprises an integer number of 60 GHz carrier periods and that the phase position of the clock and the carrier to each other is fixed.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel misst die Empfangseinrichtung 110 die Zwei-Wege-Laufzeit eines Signals im Millimeterwellenfrequenzbereich von einem Lageidentifizierer und zurück. Dies umfasst drei Messungen für die drei unterschiedlichen Sendepfade des Lageidentifizierers und gegebenenfalls eines Summensignals, wenn alle Sendepfade gleichzeitig angesteuert werden. Weiter werden die Phasendifferenzen zwischen den Messungen der drei unterschiedlichen Sendepfade bestimmt. Optional kann hierbei eine Doppler-Frequenzverschiebung sowie optional die Richtung aus der das jeweilige Signal ausgesendet wird bestimmt werden. Im Falle der präzisen Synchronisation kann noch die relative bistatische Laufzeit Empfangseinrichtung - Lageidentifizierer - Empfangseinrichtung 2 bestimmt werden.According to one embodiment, the receiving device measures 110 the two-way transit time of a millimeter wave frequency range signal from a position identifier and back. This comprises three measurements for the three different transmission paths of the position identifier and, if appropriate, of a sum signal if all transmission paths are controlled simultaneously. Furthermore, the phase differences between the measurements of the three different transmission paths are determined. Optionally, a Doppler frequency shift and, optionally, the direction from which the respective signal is transmitted can be determined. In the case of precise synchronization can still the relative bistatic transit time receiving device - position identifier - receiving device 2 be determined.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinrichtungen eine Sende-und Empfangseinheit 915 mit geringer Leistung zur Kommunikation mit einem Lageidentifizierer auf. Über diese Datenschnittstelle kann der Lageidentifizierer aktiviert bzw. aus einem Standby-Betrieb aufgeweckt werden. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass beispielsweise Leistungseinstellungen vorgenommen werden können, um die eingestellte Sendeleistung und damit auch den Stromverbrauch bei Gewährleistung der Funktion zu minimieren. Des Weiteren können im Fall, dass mehrere Lageidentifizierer aktiv sind, diese nacheinander abgefragt werden bzw. ihre Blink-Sequenzen synchronisiert werden.According to an embodiment, the receiving means comprises a transmitting and receiving unit 915 low power for communicating with a location identifier. Via this data interface, the position identifier can be activated or woken up from a standby mode. Such an embodiment of the approach presented here has the advantage that, for example, power settings can be made to minimize the set transmission power and thus the power consumption while ensuring the function. Furthermore, in the event that several position identifiers are active, they can be interrogated one after the other or their blink sequences can be synchronized.

Die Empfangseinrichtung 110 ist typischerweise mit einem Netzteil verbunden, das aus der standardisierten Stromversorgung, beispielsweise 230V, die notwendigen Versorgungsspannungen generiert. Ein Batteriebetrieb ist mit einer hinreichend großen Batterie für Testzwecke, beispielsweise zur experimentellen Validierung einer optimalen Position der Empfangseinrichtung 110 optional ebenfalls möglich.The receiving device 110 is typically connected to a power supply that generates the necessary supply voltages from the standardized power supply, for example 230V. A battery operation is with a sufficiently large battery for testing purposes, for example, for experimental validation of an optimal position of the receiving device 110 optionally also possible.

12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1200 zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Hierbei kann das hier vorgestellte Verfahren 1200 gemäß einem Ausführungsbeispiel auf der Vorrichtung zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs aus 1 ausgeführt und/oder angesteuert werden. 12 shows a flowchart of an embodiment of a method 1200 for determining a position and / or spatial position of a tool according to an exemplary embodiment. Here, the method presented here 1200 according to an embodiment on the device for determining a position and / or spatial position of a tool 1 executed and / or controlled.

Das Verfahren 1200 weist zunächst einen optionalen Schritt 1210 auf, bei dem zumindest ein erstes Aktivierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich von zumindest einer Empfangseinrichtung an den zumindest einen Lageidentifizierer ausgesendet wird. In einem Schritt 1220 des Verfahrens 1200 wird ansprechend auf das ausgesendete Aktivierungssignal ein von einem Lageidentifizierer ausgesendetes erstes und zweites Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich empfangen. Ferner kann im Schritt 1220 ein drittes Lageidentifizierungssignal empfangen werden. Schließlich wird in einem Schritt 1230 des Verfahrens 1200 ansprechend auf das ausgesendete Aktivierungssignal eine Position und/oder räumlichen Lage des Werkzeugs unter Verwendung des ersten und/oder zweiten empfangenen Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Lageidentifizierungssignal berechnet. Ferner kann im Schritt 1230 die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten, zweiten und/oder dritten Lageidentifizierungssignal sowie dem Aktivierungssignal berechnet werden.The procedure 1200 First, an optional step 1210 in which at least one first activation signal in the millimeter wave frequency range is transmitted by at least one receiving device to the at least one position identifier. In one step 1220 of the procedure 1200 In response to the transmitted activation signal, a first and second position identification signal in the millimeter-wave frequency range transmitted by a position identifier is received. Furthermore, in step 1220 a third location identification signal is received. Finally, in one step 1230 of the procedure 1200 in response to the emitted activation signal, calculates a position and / or spatial location of the tool using the first and / or second received location identification signal and / or a temporal relationship between the first and second location identification signals. Furthermore, in step 1230 the position and / or spatial position of the tool can be calculated using the first, second and third position identification signal and / or a temporal relationship between the first, second and / or third position identification signal and the activation signal.

13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1300 zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel. Hierbei kann das hier vorgestellte Verfahren 1300 gemäß einem Ausführungsbeispiel auf der Vorrichtung zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich aus 2 ausgeführt und/oder angesteuert werden. 13 shows a flowchart of an embodiment of a method 1300 for outputting at least one position identification signal in the millimeter-wave frequency range according to an exemplary embodiment. Here, the method presented here 1300 according to an embodiment on the device for outputting at least one position identification signal in the millimeter wave frequency range 2 executed and / or controlled.

Das Verfahren 1300 weist zunächst einen Schritt 1310 auf, bei dem zumindest ein Aktivierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich eingelesen wird. In einem folgenden Schritt 1320 des Verfahrens 1300 wird ansprechend auf das zumindest eine eingelesene Aktivierungssignal ein erstes und zweites Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich auf je einer von mehreren Antenneneinrichtungen ausgesendet, wobei die Antenneneinrichtungen voneinander beabstandet angeordnet sind. Ferner kann im Schritt 1320 ein drittes Lageidentifizierungssignal von einer dritten Antenneneinrichtung ausgesendet werden, insbesondere wobei die Antenneneinrichtungen Eckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks bilden.The procedure 1300 points first to a step 1310 on, in which at least one activation signal in the millimeter wave frequency range is read. In a following step 1320 of the procedure 1300 In response to the at least one read-in activation signal, a first and second position identification signal in the millimeter-wave frequency range is emitted on each of a plurality of antenna devices, the antenna devices being arranged at a distance from one another. Furthermore, in step 1320 a third position identification signal is emitted by a third antenna device, in particular wherein the antenna devices form vertices of an isosceles triangle.

14 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1400 zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren weist hierbei die Schritte des Verfahrens zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs aus 12 sowie die Schritte des Verfahrens zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich aus 13 auf. 14 shows a flowchart of an embodiment of a method 1400 for determining the position of a tool according to an embodiment. In this case, the method has the steps of the method for determining a position and / or spatial position of a tool 12 and the steps of the method for outputting at least one position identification signal in the millimeter-wave frequency range 13 on.

Zunächst weist das Verfahren 1400 den optionalen Schritt 1210 auf, bei dem zumindest ein erstes Aktivierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich von zumindest einer Empfangseinrichtung an zumindest einen Lageidentifizierer ausgesendet wird. Das Verfahren 1400 weist im Folgenden den Schritt 1310 auf, bei dem das zumindest eine Aktivierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich von dem Lageidentifizierer eingelesen wird. Daraufhin wird in dem Schritt 1320 des Verfahrens 1400, ansprechend auf das zumindest eine eingelesene Aktivierungssignal, ein erstes und zweites Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich auf je einer von mehreren Antenneneinrichtungen des Lageidentifizierers an die Empfangseinrichtung ausgesendet. First, the procedure points 1400 the optional step 1210 in which at least one first activation signal in the millimeter-wave frequency range is emitted by at least one receiving device to at least one position identifier. The procedure 1400 indicates the step below 1310 in which the at least one activation signal in the millimeter wave frequency range is read in by the position identifier. Thereupon, in the step 1320 of the procedure 1400 in response to the at least one read-in activation signal, a first and second position identification signal in the millimeter-wave frequency range is transmitted to the receiving device on one of a plurality of antenna devices of the position identifier.

Ferner kann im Schritt 1320 ein drittes Lageidentifizierungssignal von einer dritten Antenneneinrichtung des Lageidentifizierers an die Empfangseinrichtung ausgesendet werden. In dem Schritt 1220 des Verfahrens 1400 wird, ansprechend auf das in Schritt 1210 ausgesendete Aktivierungssignal, das von dem Lageidentifizierer ausgesendete erste und zweite Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich von der Empfangseinrichtung empfangen. Ferner kann im Schritt 1220 ein drittes Lageidentifizierungssignal von der Empfangseinrichtung empfangen werden. Schließlich wird in dem Schritt 1230 des Verfahrens 1400 die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs unter Verwendung des ersten, zweiten und dritten Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten, zweiten und/oder dritten Lageidentifizierungssignal sowie dem Aktivierungssignal berechnet.Furthermore, in step 1320 a third location identification signal is transmitted from a third antenna device of the location identifier to the receiving facility. In the step 1220 of the procedure 1400 will be responsive to that in step 1210 emitted activation signal, the received from the position identifier first and second position identification signal in millimeter wave frequency range received by the receiving device. Furthermore, in step 1220 a third location identification signal is received by the receiving device. Finally, in the step 1230 of the procedure 1400 calculates the position and / or spatial position of the tool using the first, second and third position identification signal and / or a temporal relationship between the first, second and / or third position identification signal and the activation signal.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims (15)

Verfahren (1200) zum Ermitteln einer Position und/oder räumlichen Lage eines Werkzeugs (105), wobei das Verfahren (1200) die folgenden Schritte aufweist: Empfangen (1220) eines von einem Lageidentifizierer (115) ausgesendeten ersten (135) und zweiten (140) Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich; und Berechnen (1230) der Position und/oder räumlichen Lage des Werkzeugs (105) unter Verwendung des ersten (135) und/oder zweiten (140) Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten (135) und zweiten (140) Lageidentifizierungssignal.Method (1200) for determining a position and / or spatial position of a tool (105), the method (1200) comprising the following steps: Receiving (1220) a first (135) and second (140) position identification signal in the millimeter-wave frequency range emitted by a position identifier (115); and Calculating (1230) the position and / or spatial location of the tool (105) using the first (135) and / or second (140) position identification signal and / or a temporal relationship between the first (135) and second (140) position identification signals. Verfahren (1200) gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Aussendens (1210) zumindest eines Aktivierungssignals (145) im Millimeterwellenfrequenzbereich von zumindest einer Empfangseinrichtung (110) an den zumindest einen Lageidentifizierer (115), wobei der Schritt des Empfangens (1220) und/oder Berechnens (1230) ansprechend auf das ausgesendete Aktivierungssignal (145) erfolgt.Method (1200) according to Claim 1 , comprising a step of transmitting (1210) at least one millimeter-wave frequency activation signal (145) from at least one receiving device (110) to the at least one position identifier (115), the receiving (1220) and / or calculating (1230) step being responsive the transmitted activation signal (145) takes place. Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Empfangens (1220) und/oder Berechnens (1230) das erste (135) und/oder zweite (140) Lageidentifizierungssignal unter Verwendung einer Zeitmultiplexstruktur ausgewertet wird.Method (1200) according to one of the preceding claims, wherein in the step of receiving (1220) and / or calculating (1230) the first (135) and / or second (140) position identification signal is evaluated using a time-division multiplexed structure. Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Empfangens (1220) ein drittes Lageidentifizierungssignal (150) empfangen wird, wobei im Schritt des Berechnens (1230) die Position und/oder räumliche Lage des Werkzeugs (105) unter Verwendung des ersten (135), zweiten (140) und dritten (150) Lageidentifizierungssignals und/oder einer zeitlichen Beziehung zwischen dem ersten (135), zweiten (140) und/oder dritten (150) Lageidentifizierungssignal und/oder dem Aktivierungssignal (145) berechnet wird.A method (1200) according to any one of the preceding claims, wherein in the step of receiving (1220), a third location identification signal (150) is received, wherein in the step of calculating (1230) the position and / or spatial location of the tool (105) is used the first (135), second (140) and third (150) position identification signal and / or a temporal relationship between the first (135), second (140) and / or third (150) position identification signal and / or the activation signal (145) calculated becomes. Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Empfangens (1220) das erste (135) und/oder zweite (140) empfangene Lageidentifizierungssignal in einem Frequenzbereich zwischen 57 und 64 GHz empfangen wird und/oder das zumindest eine ausgesendete Aktivierungssignal (145) in einem Frequenzbereich zwischen 57 und 64 GHz ausgesendet wird.Method (1200) according to one of the preceding claims, wherein in the step of receiving (1220) the first (135) and / or second (140) received position identification signal is received in a frequency range between 57 and 64 GHz and / or the at least one transmitted one Activation signal (145) is emitted in a frequency range between 57 and 64 GHz. Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Empfangens (1220) das erste (135) und/oder zweite (140) Lageidentifizierungssignal zur Identifikation des Lageidentifizierers (115) demoduliert wird.Method (1200) according to one of the preceding claims, wherein in the step of receiving (1220) the first (135) and / or second (140) Location identification signal for identifying the location identifier (115) is demodulated. Verfahren (1200) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem der Schritt des Empfangens (1220) von einer ortsfesten Empfangseinrichtung (110) ausgeführt wird und/oder das erste (135) und/oder zweite (140) Lageidentifizierungssignal von einem an dem Werkzeug (105) angeordneten Lageidentifizierer (115) empfangen wird.Method (1200) according to one of the preceding claims, in which the step of receiving (1220) is performed by a stationary receiving device (110) and / or the first (135) and / or second (140) position identification signal from one on the tool (12). 105) position identifier (115) is received. Verfahren (1300) zum Ausgeben zumindest eines Lageidentifizierungssignals (135) im Millimeterwellenfrequenzbereich, wobei das Verfahren (1300) die folgenden Schritte aufweist: Einlesens (1310) zumindest eines Aktivierungssignals (145) im Millimeterwellenfrequenzbereich; und Aussenden (1320) eines ersten (135) und zweiten (140) Lageidentifizierungssignals im Millimeterwellenfrequenzbereich ansprechend auf das zumindest eine eingelesene Aktivierungssignal (145) auf je einer von mehreren Antenneneinrichtungen (805, 815), wobei die Antenneneinrichtungen (805, 815) voneinander beabstandet angeordnet sind.A method (1300) for outputting at least one position identification signal (135) in the millimeter-wave frequency range, the method (1300) comprising the following steps: Reading in (1310) at least one activation signal (145) in the millimeter-wave frequency range; and Transmitting (1320) a first (135) and second (140) position identification signal in the millimeter-wave frequency range in response to the at least one read-in activation signal (145) on each one of a plurality of antenna devices (805, 815), the antenna devices (805, 815) being spaced apart are. Verfahren (1300) gemäß Anspruch 8, bei dem im Schritt des Aussendens (1320) ein drittes Lageidentifizierungssignal (150) von einer dritten Antenneneinrichtung (810) ausgesendet wird, insbesondere wobei die Antenneneinrichtungen (805, 810, 815) Eckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks bilden.Method (1300) according to Claim 8 in which, in the step of transmitting (1320), a third position identification signal (150) is transmitted by a third antenna device (810), in particular wherein the antenna devices (805, 810, 815) form corner points of an isosceles triangle. Verfahren (1300) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem im Schritt des Aussendens (1320) das erste (135) und/oder zweite (140) Lageidentifizierungssignal zur Identifikation des Lageidentifizierers (115) auf Basis eines vorbestimmten Kennzeichnungsmodulationsverfahrens moduliert wird.Method (1300) according to Claim 8 or 9 in which in the step of transmitting (1320) the first (135) and / or second (140) position identification signal for identifying the position identifier (115) is modulated on the basis of a predetermined identification modulation method. Verfahren (1300) gemäß Anspruch 8 bis 10, bei dem im Schritt des Aussendens (1320) das erste (135), zweite (140) und/oder dritte (150) Lageidentifizierungssignal im Millimeterwellenfrequenzbereich unter Verwendung einer Zeitmultiplexstruktur ausgewertet wird, insbesondere wobei das erste (135), zweite (140) und/oder dritte (150) Lageidentifizierungssignal in unterschiedlichen Zeitschlitzen der Zeitmultiplexstruktur ausgesendet wird.Method (1300) according to Claim 8 to 10 in which, in the step of transmitting (1320), the first (135), second (140) and / or third (150) position identification signal in the millimeter-wave frequency range is evaluated using a time-division multiplex structure, in particular wherein the first (135), second (140) and or third (150) position identification signal is transmitted in different time slots of the time division multiplex structure. Verfahren (1400) zur Positionsbestimmung eines Werkzeugs (105), wobei das Verfahren (1400) die Schritte des Verfahrens (1200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und die Schritte des Verfahrens (1300) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 aufweist.A method (1400) for determining the position of a tool (105), the method (1400) comprising the steps of the method (1200) according to one of Claims 1 to 7 and the steps of the method (1300) according to one of Claims 8 to 11 having. Vorrichtung (100; 200) die eingerichtet ist, um Schritte eines der Verfahren (1200) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 und/oder eines der Verfahren (1300) gemäß den Ansprüchen 8 bis 11 und/oder des Verfahrens (1400) gemäß dem Anspruch 12 in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.Apparatus (100; 200) arranged to perform steps of one of the methods (1200) according to Claims 1 to 7 and / or one of the methods (1300) according to Claims 8 to 11 and / or the method (1400) according to Claim 12 execute and / or control in appropriate units. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (1200; 1300; 1400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 12 auszuführen und/oder anzusteuern.A computer program adapted to perform a method (1200; 1300; 1400) according to any one of the preceding Claims 1 to 12 execute and / or control. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which the computer program is based Claim 14 is stored.
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