DE102018208241A1

DE102018208241A1 - Verfahren und system zur nahfeld-lokalisierung

Info

Publication number: DE102018208241A1
Application number: DE102018208241.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kornek; Andrew Thompson
Original assignee: Robert Bosch Australia Pty Ltd
Current assignee: Robert Bosch Australia Pty Ltd
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2018-11-29
Also published as: US10819449B2; KR20180130465A; KR102625917B1; US20180343071A1; AU2018203701B2; AU2018203701A1

Abstract

Ein Verfahren und System zur Nahfeld-Lokalisierung ist geliefert, das das Bereitstellen von zumindest einer Sendeantenne und zumindest einem ersten und zweiten Satz Empfangsantennen enthält, wobei der erste und zweite Satz Empfangsantennen in einem bekannten Abstand rzueinander und in einem ersten radialen Abstand rbzw. zweiten radialen Abstand rvon der Sendeantenne vorgesehen sind. Der erste radiale Abstand rwird relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem ersten gegenüberliegenden Winkel θbestimmt. Der zweite radiale Abstand rwird relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem zweiten gegenüberliegenden Winkel θbestimmt. Das theoretische Magnetfeldverhältnis in Abhängigkeit von θ, θbzw. relativen Drehungen θ, θwird dann bestimmt und entweder θund θoder θund θwerden gelöst und ein Satz Lösungen wird für den ersten gegenüberliegenden Winkel θund zweiten gegenüberliegenden Winkel θbestimmt, der die Ausrichtung der Sendeantenne erfüllt, wobei dadurch eine Bestimmung der Richtung der Sendeantenne ermöglicht wird. For den Satz Lösungen des ersten gegenüberliegenden Winkels θund zweiten gegenüberliegenden Winkels θwird der Fehler zwischen dem RSSI und einer theoretischen Magnetfeldstärke minimiert und eine oder mehrere Lösungen, die in Erwiderung auf die Bewegung der Sendeantenne konvergieren, werden ausgewählt.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 29. Mai 2017 eingereichten australischen Anmeldung Nr. 2017902021 , deren Inhalte als durch diesen Verweis hierin aufgenommen anzusehen sind.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Nahfeld-Lokalisierung und insbesondere ein System und Verfahren zum Schätzen des Standortes von einem oder mehreren Empfängern relativ zu einer oder mehreren Antennen.
Hintergrund der Erfindung
Lokalisierungstechniken werden bei zahlreichen Anwendungen verwendet, bei denen eine Kenntnis der Position von einem Objekt relativ zu einem anderen Objekt erwünscht wird. Dies kann beispielsweise ein Roboter-Staubsauger bzw. Saugroboter relativ zu einer Wand oder einem Tisch oder ein Mobiltelefon relativ zu einem Mobilfunkmast und dergleichen sein.
Bestehende Lokalisierungstechniken enthalten unter anderem Fingerprinting, Ankunftswinkel und Ankunftszeit. Ein Problem bei diesen Arrangements ist, dass dieselben in dem Fernfeldbereich (z.B. zwei oder mehr Wellenlängen) am geeignetsten sind und in dem Nahfeld (z.B. weniger als eine Wellenlänge) nicht adäquat sein können. Ein anderes Problem bei bestehenden Techniken ist, dass selbst dann, wenn eine Lokalisierungstechnik in dem Nahfeld anwendbar ist, die Effektivität dieser Lokalisierungstechnik von der Anwendung (wie beispielsweise Saugroboter, automatisches Parken, fahrerlose Systeme, Drohnen etc.) abhängig ist. Verschiedene Anwendungen erfordern verschiedene Lokalisierungstechniken.
Daher wäre erwünscht, ein Lokalisierungssystem und Lokalisierungsverfahren zu liefern, die die oben erwähnten Probleme verbessern oder zumindest mildern oder Alternativen liefern.
Vor dem Zuwenden einer Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung wird eingesehen werden, dass die Erörterung des Hintergrunds der Erfindung enthalten ist, um den Kontext der Erfindung zu erläutern. Dies ist nicht als Eingeständnis anzusehen, dass irgendetwas davon, worauf Bezug genommen wird, veröffentlicht, bekannt oder Teil des allgemeinen Fachwissens ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach einem ersten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Nahfeld-Lokalisierung, das Folgendes enthält:

(a) Bereitstellen von zumindest einer Sendeantenne und zumindest einem ersten und zweiten Satz Empfangsantennen, wobei der erste und zweite Satz Empfangsantennen in einem bekannten Abstand r₁₂ zueinander und in einem ersten radialen Abstand r₁ bzw. einem zweiten radialen Abstand r₂ von der Sendeantenne vorgesehen sind;
(b) Bestimmen des ersten radialen Abstands r₁ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁;
(c) Bestimmen des zweiten radialen Abstands r₂ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂;
(d) Bestimmen des theoretischen Magnetfeldverhältnisses in Abhängigkeit von θ₁, θ₂ bzw. relativen Drehungen θ_2mod, θ_1mod;
(e) Auflösen nach einem Element von entweder θ₁ und θ₂ oder θ_1mod und θ_2mod und Bestimmen eines Satzes Lösungen für den ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂, der die Ausrichtung der Sendeantenne erfüllt, wobei dadurch eine Bestimmung der Richtung der Sendeantenne ermöglicht wird;
(f) für den Satz Lösungen des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂ Minimieren des Fehlers zwischen dem RSSI und einer theoretischen Magnetfeldstärke; und
(g) Auswählen der einen oder mehreren Lösungen, die in Erwiderung auf eine Bewegung der Sendeantenne konvergieren.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Magnetfeldstärke vorteilhaft zusammen mit dem Sinussatz, um die Ausrichtung und den Standort der Sendeantenne zu bestimmen. Es wird eingesehen, dass der erste radiale Abstand r₁ und zweite radiale Abstand r₂ nicht bekannt sind.
Vorzugsweise wird ein Modell des Magnetfeldes an dem ersten und zweiten Satz Empfangsantennen basierend darauf, dass die Empfangsantennen im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, gemäß der folgenden Formel geliefert: $\begin{array}{l} H_{B 1}^{2} (θ_{1}, θ_{2 M o d}, r_{1}) = \frac{A}{4 \cdot r_{1}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 M o d})) \\ H_{A 1}^{2} (θ_{1}, θ_{2 M o d}, r_{1}) = \frac{A}{4 \cdot r_{1}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 M o d})) \\ H_{B 2}^{2} (θ_{2}, θ_{1 M o d}, r_{2}) = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d})) \\ H_{A 2}^{2} (θ_{2}, θ_{1 M o d}, r_{2}) = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d})) \end{array}$
und das Modell des Magnetfeldes nach dem ersten radialen Abstand r₁ in den Schritten (b) und (c) aufgelöst. Bei einer Alternative kann r₁ als eine Funktion von H_A1 und H_B1 gelöst werden.
Die obigen Gleichungen der theoretischen Magnetfeldstärke basieren auf der Annahme, dass sich die Empfangsantennen im Wesentlichen senkrecht zueinander befinden. In dem Fall, in dem die Sondenspulen nicht im Wesentlichen senkrecht sind, können die Magnetfelder nun nicht mit ähnlichen Termen zum Ausdruck gebracht werden, das heißt, die radialen Abstände und der gegenüberliegende Winkel würden gleich bleiben, wobei θ_1Mod
B als eine Funktion θ_1Mod
B zu definieren wäre: $\begin{matrix} H_{A 2}^{2} (θ_{2}, θ_{1 M o d}, r_{2}) = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d_{A}}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d_{B}})) \\ = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d_{A}}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d_{A}} + R o t a t i o n s t e r m)) \end{matrix}$
und dann das Auflösen nach der Drehung bzw. Rotation unter Verwendung des Verhältnisses der Magnetfelder komplizierter ist.
Falls alle Antennen voneinander entfernt sind, ist dann das Lösen dadurch ferner kompliziert, dass es auf einer Anzahl von gegenseitigen Abhängigkeiten beruht (wie beispielsweise verschiedene radiale Abstände, verschiedene gegenüberliegende Winkel, die alle von der Drehung abhängig sind, und dergleichen).
Vorzugsweise befindet sich der erste und zweite Satz Empfangsantennen in einem Abstand voneinander. In dem Fall, in dem sich der erste und zweite Satz Empfangsantennen an dem gleichen Standort befinden, ist es nicht möglich, eine Lösung zu bestimmen. Je weiter die Trennung der Empfangsantennen ist, desto besser ist die Lokalisierung. Wenn alle Antennen völlig voneinander entfernt wären, dann wären Gleichungen für alle gegenseitigen Abhängigkeiten erforderlich.
Vorzugsweise werden im Schritt (e) θ₁ und θ₂ über die folgenden Schritte gleichzeitig gelöst:

(a) zunächst Beseitigen der radialen Abhängigkeit unter Verwendung des Verhältnisses der Magnetfelder $\frac{H_{A 1} {(θ_{1}, θ_{2 m o d}, r_{1})}^{2}}{H_{B 1} {(θ_{1}, θ_{2 m o d}, r_{1})}^{2}} = \frac{cos {(θ_{1})}^{2} cos {(θ_{2 m o d})}^{2} + \frac{1}{4} sin {(θ_{1})}^{2} sin {(θ_{2 m o d})}^{2}}{cos {(θ_{1})}^{2} sin {(θ_{2 m o d})}^{2} + \frac{1}{4} sin {(θ_{1})}^{2} cos {(θ_{2 m o d})}^{2}}$
(b) Auflösen nach dem zweiten Modulwinkel θ_2mod, um nur eine Funktion des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken zu sein, $θ_{2 mod} = f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})$
und Auflösen nach dem ersten Modulwinkel θ_1mod als eine Funktion des zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂ und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{1mod} = f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})$
ist;
(c) Verwenden der relativen Magnetfeldstärke und jeweiligen gegenüberliegenden Winkel, um die Invarianz bei 180 Grad der Sondenspulen zu korrigieren, um die Geometrie des Systems akkurat zu repräsentieren;
(d) Umordnen (Gleichung 1) und Einsetzen (Gleichung 4), um dadurch eine Funktion für die radialen Abstände unabhängig von θ_2mod und θ_1mod zu bestimmen, $\begin{array}{l} \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{1}, H_{A 1}, H_{B 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 1}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{1}, H_{B 1}, H_{A 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 1}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{2}, H_{A 2}, H_{B 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 2}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{2}, H_{B 2}, H_{A 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 2}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))) \end{array} \end{array}$
und
(e) Einsetzen der Lösungen für θ_2mod, θ_1mod, r₁ und r₂ in die folgende Formel: $\frac{r_{12}}{sin (θ_{2} - θ_{1})} = \frac{r_{1} (θ_{1}, H_{A 1}, H_{B 1})}{sin (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))} = \frac{r_{2} (θ_{2}, H_{A 2}, H_{B 2})}{sin (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))}$

Bei einer Alternative wird der Schritt (e) gleichzeitig nach θ_1mod und θ_2mod gemäß den folgenden Schritten aufgelöst:

(a) Auflösen nach dem ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ als eine Funktion des zweiten Modulwinkels θ_2mod und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{1} = f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})$
ist, und Auflösen nach dem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂ als eine Funktion des ersten Modulwinkels θ_2mod und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{2} = f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})$
ist;
(b) Verwenden der relativen Magnetfeldstärke und jeweiligen gegenüberliegenden Winkel, um dann die Invarianz bei 180 Grad der Sondenspulen zu korrigieren, um die Geometrie des Systems akkurat zu repräsentieren;
(c) Umordnen (Gleichung 1) und Einsetzen (Gleichung 7), wobei eine Funktion für die radialen Abstände unabhängig von θ_2mod und θ_1mod bestimmt werden kann, $\begin{array}{l} \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{2 mod}, H_{A 1}, H_{B 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 1}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \\ \cdot {cos}^{2} (θ_{2 mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{2 mod}, H_{B 1}, H_{A 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 1}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \\ \cdot {sin}^{2} (θ_{2 mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{1mod}, H_{A 2}, H_{B 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 2}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \cdot {sin}^{2} (θ_{1mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \\ \cdot {cos}^{2} (θ_{1mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{1mod}, H_{B 2}, H_{A 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 2}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \cdot {cos}^{2} (θ_{1mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \\ \cdot {sin}^{2} (θ_{1mod})) \end{array} \end{array} \end{array}$
und (d) Einsetzen der Lösungen für θ₂, θ₁, r₁ und r₂ in die folgende Formel: $\frac{r_{12}}{sin (f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}) - f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))} = \frac{r_{1} (θ_{2 mod}, H_{A 1}, H_{B 1})}{sin (θ_{1 mod})} = \frac{r_{2} (θ_{1 mod}, H_{A 2}, H_{B 2})}{sin (θ_{2 mod})}$

Vorzugsweise enthält im Schritt (f) das Minimieren des Fehlers das Minimieren des Fehlers durch Bestimmen der Differenz zwischen dem gemessenen RSSI-Wert und dem theoretischen Magnetfeld. Insbesondere ist der Fehler gleich der Differenz des RSSI, der unter Verwendung der gegenüberliegenden Winkel θ₁ und θ₂ und Rotation der Empfänger θ_2mod und θ_1mod gemessen und berechnet wird. Das heißt, man nehme für jede mögliche Lösung θ₁, θ₂, θ_2mod und θ_1mod (die bereits die Geometrie des Systems erfüllen) und berechne den Fehler über die Differenz aller gemessenen und vorhergesagten RSSI-Werte (d.h. unter Verwendung der obigen Gleichung 1). Es wird eingesehen werden, dass der Fehler in einer beliebigen Anzahl von Weisen berechnet werden könnte und dass jede geeignete Technik zum Minimieren des Fehlers angewandt werden kann.
Nach einem zweiten Aspekt liefert die vorliegenden Erfindung ein System zur Nahfeld-Lokalisierung, das Folgendes enthält: zumindest eine Sendeantenne; zumindest einen ersten und zweiten Satz Empfangsantennen, die in einem bekannten Abstand r₁₂ zueinander vorgesehen sind; wobei der erste und zweite Satz Empfangsantennen jeweils zwei oder mehr Antennen enthält, die zueinander nicht parallel sind; wobei der erste Satz Empfangsantennen einen ersten radialen Abstand r₁ von der Sendeantenne, einen ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ von der Sendeantenne und einen ersten Modulwinkel θ_1mod aufweist; wobei der zweite Satz einen zweiten radialen Abstand r₂ von der Sendeantenne, einen zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂ von der Sendeantenne und einen zweiten Modulwinkel θ_2mod aufweist; eine Steuereinheit zum:

(a) Bestimmen des ersten radialen Abstands r₁ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁;
(b) Bestimmen eines zweiten radialen Abstands r₂ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂;
(c) Bestimmen des theoretischen Magnetfeldverhältnisses in Abhängigkeit von θ₁, θ₂ bzw. relativen Drehungen θ_2mod, θ_1mod;
(d) Auflösen nach entweder θ₁ und θ₂ oder θ_1mod und θ_2mod und Bestimmen eines Satzes Lösungen für den ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂, der die Ausrichtung der Sendeantenne erfüllt, wobei dadurch eine Bestimmung der Richtung der Sendeantenne ermöglicht wird;
(e) Minimieren des Fehlers zwischen dem RSSI und einer theoretischen Magnetfeldstärke für den Satz Lösungen des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂; und
(f) Auswählen der einen oder mehreren Lösungen, die in Erwiderung auf eine Bewegung der Sendeantenne konvergieren.

Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung, die das Verfahren und System der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ist eine schematische Darstellung, die den ersten und zweiten Modulwinkel veranschaulicht;
3 ist ein Graph, der einen Ansatz der kleinsten Quadrate zum Bestimmen eines Satzes Lösungen für sowohl erste als auch zweite gegenüberliegende Winkel veranschaulicht;
4 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ist eine schematische Darstellung des Systems und Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die auf eine Andockstation für ein Kraftfahrzeug angewandt werden; und
die 6A bis 6C veranschaulichen das Konvergieren in Richtung eines Satzes Lösungen.

Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht eine schematische Darstellung 100 der Anwendung des Systems und Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Zumindest eine Sendeantenne 105 ist zusammen mit einem ersten Satz Empfangsantennen 110 und einem zweiten Satz Empfangsantennen 115 vorgesehen. Es wird eingesehen werden, dass jede beliebige Anzahl an Sätzen der Empfangenantennen vorgesehen sein kann. Es wird auch eingesehen werden, dass sich die Empfangsantennen nicht an dem gleichen Standort befinden müssen. Wenn die Empfangsantennen beispielsweise alle voneinander entfernt sind, wird eine Querkopplung und im Gegenzug die Unsicherheit reduziert und im Gegenzug besteht eine Verbesserung der Genauigkeit. Diese Auswirkung ist, dass der Sinussatz nun nicht auf einem Dreieck, sondern sechs basiert, die alle mit gegenseitiger Abhängigkeit und gleichzeitig gelöst werden müssen, weshalb es infolgedessen Verbesserungen hinsichtlich der Genauigkeit gibt. Die vorliegende Erfindung könnte bei jeder beliebigen Anwendung verwendet werden, die eine Lokalisierung mit höherer Genauigkeit erfordern könnte. Die vorliegende Erfindung liefert eine Lokalisierung, um den Standort der Antennen 110-115 in Bezug auf die Sendeantenne 105 zu bestimmen. Dies kann bei einer beliebigen Anzahl von Anwendungen angewandt werden, wie beispielsweise beim autonomen Fahren, autonomen Parken, bei Saugrobotern, Mährobotern, Spielzeugen, Drohnen und dergleichen.
Die vorliegende Erfindung wird nun in Bezug auf die Sendeantenne, die sich in einem Fahrzeug befindet, und den Satz Empfangsantennen 110 und 115, die sich an einer Andockstation befinden, beschrieben werden, aber es wird eingesehen werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt ist.
Die Sendeantenne 105 ist in einem unbekannten ersten radialen Abstand r₁ von der Empfangsantenne 110 und zweiten unbekannten radialen Abstand r₂ von der zweiten Empfangsantenne 115 vorgesehen. Die Empfangsantennen 110-115 sind in einem Abstand r₁₂ vorgesehen, der ein bekannter Abstand zwischen den zwei Sätzen Empfangsantennen ist. Der Abstand ist bekannt, da bei den meisten Anwendungen die zwei Sätze Empfangsantennen an einem festen Standort vorgesehen sind (oder zwischen einem oder mehreren Standorten beweglich sind, wobei aber der Abstand zwischen den möglichen Standorten bekannt ist). Die ersten und zweiten Empfangsantennen 110-115 enthalten jeweils einen Satz nicht paralleler Antennen A₁-B₁ bzw. A₂-B₂, das heißt, um jeweils einen Satz nicht paralleler Empfangsantennen bereitzustellen.
Auch ist ein erster gegenüberliegender Winkel θ₁ von der Empfangsantenne 105 und ein zweiter gegenüberliegender Winkel θ₂ von der Empfangsantenne 105 vorgesehen. Ein erster Modulwinkel θ_1mod und zweiter Modulwinkel θ_2mod sind auch vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung wirkt in der magnetischen Nahfeld-Verteilung, d.h., dieselbe ist nicht sphärisch und aus vielen Komponenten bestehend bzw. mehrteilig. In Anbetracht der nicht symmetrischen radialen und winkelförmigen Komponenten der Magnetfeldverteilung ist es nicht unmittelbar möglich, den Standort der Sendeantenne zu bestimmen, da es mehrere Lösungen dafür geben wird, wo sich die Sendeantenne befinden könnte.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Magnetfeldstärke zusammen mit dem Sinussatz, um die Ausrichtung und den Standort der Sendeantenne 105 zu bestimmen. Die Empfindlichkeit jeder nicht parallelen Empfangsantenne A₁-B₁, A₂-B₂ der ersten bzw. zweiten Empfangsantennen 110-115 ist von den gegenüberliegenden Winkeln θ₁-θ₂ und der Ausrichtung des Docks bzw. der Andockstation (dock) θ_1mod und θ_2mod abhängig. Die Empfindlichkeit der Empfangsantennen ist von dem gegenüberliegenden Winkel und der Drehung abhängig, wohingegen die Größe von dem radialen Abstand abhängig ist. Daher ist die Empfindlichkeit von A₁-B₁ von θ₁ und θ_2mod abhängig und zudem von A₂-B₂ von θ₂ und θ_1mod abhängig oder die Empfindlichkeit der Empfangsantennen von dem gegenüberliegenden Winkel zu der Halbierenden der Andockstation und der relativen Drehung der Andockstation abhängig. Der Grund dafür ist, dass es eine Wechselwirkung zwischen den radialen und winkelförmigen Komponenten der Magnetfeldverteilung gibt, die mit den Empfangsantennen interagiert. Beispielsweise kann bei bestimmten Ausrichtungen der Empfangssignalstärken-Anzeiger (RSSI; engl. received signal strength indicator), d.h. die in einem empfangenen Signal vorhandene Leistung, aufgrund des Vorhandenseins von Rauschen (theoretisch) null oder nahe null sein.
Unter Verwendung der relativen RSSI-Werte der Empfangsantennen 110-115 ist es möglich, ein Modell des Magnetfeldes an dem ersten und zweiten Satz Empfangsantennen basierend auf den Empfangsantennen, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, gemäß der folgenden Formel zu liefern: $\begin{array}{l} H_{B 1}^{2} (θ_{1}, θ_{2 M o d}, r_{1}) = \frac{A}{4 \cdot r_{1}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 M o d})) \\ H_{A 1}^{2} (θ_{1}, θ_{2 M o d}, r_{1}) = \frac{A}{4 \cdot r_{1}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 M o d})) \\ H_{B 2}^{2} (θ_{2}, θ_{1 M o d}, r_{2}) = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d})) \\ H_{A 2}^{2} (θ_{2}, θ_{1 M o d}, r_{2}) = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d})) \end{array}$
Das Modell des Magnetfeldes wird dann nach dem ersten radialen Abstand r₁ aufgelöst. Bei einer Alternative kann r₁ als eine Funktion von H_A1 und H_B1 gelöst werden.
Vorzugsweise werden θ₁ und θ₂ über die folgenden Schritte gleichzeitig gelöst:

(a) zunächst Beseitigen der radialen Abhängigkeit unter Verwendung des Verhältnisses der Magnetfelder $\frac{H_{A 1} {(θ_{1}, θ_{2 mod}, r_{1})}^{2}}{H_{B 1} {(θ_{1}, θ_{2 mod}, r_{1})}^{2}} = \frac{cos {(θ_{1})}^{2} cos {(θ_{2 mod})}^{2} + \frac{1}{4} sin {(θ_{1})}^{2} sin {(θ_{2 mod})}^{2}}{cos {(θ_{1})}^{2} sin {(θ_{2 mod})}^{2} + \frac{1}{4} sin {(θ_{1})}^{2} cos {(θ_{2 mod})}^{2}}$
(b) Auflösen nach dem zweiten Modulwinkel θ_2mod, um nur eine Funktion des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken zu sein, $θ_{2 mod} = f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})$
und Auflösen nach dem ersten Modulwinkel θ_1mod als eine Funktion des zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂ und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{1 mod} = f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})$
ist;
(c) Verwenden der relativen Magnetfeldstärke und jeweiligen gegenüberliegenden Winkel, um die Invarianz bei 180 Grad der Sondenspulen zu korrigieren, wobei dadurch die Geometrie des Systems akkurat repräsentiert wird; und
(d) Umordnen (Gleichung 1) und Einsetzen (Gleichung 4), wobei eine Funktion für die radialen Abstände unabhängig von θ_2mod und θ_1mod bestimmt werden kann, $\begin{array}{l} \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{1}, H_{A 1}, H_{B 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 1}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{1}, H_{B 1}, H_{A 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 1}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{2}, H_{A 2}, H_{B 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 2}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{2}, H_{B 2}, H_{A 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 2}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))) \end{array} \end{array}$
und
(e) Einsetzen der Lösungen für θ_2mod, θ_1mod, r₁ und r₂ in die folgende Formel: $\frac{r_{12}}{sin (θ_{2} - θ_{1})} = \frac{r_{1} (θ_{1}, H_{A 1}, H_{B 1})}{sin (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))} = \frac{r_{2} (θ_{2}, H_{A 2}, H_{B 2})}{sin (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))}$

Bei einer Alternative wird nach θ_1mod und θ_2mod gemäß den folgenden Schritten gleichzeitig aufgelöst:

(a) Auflösen nach dem ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ als eine Funktion des zweiten Modulwinkels θ_2mod und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{1} = f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})$
ist, und Auflösen nach dem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂ als eine Funktion des ersten Modulwinkels θ_2mod und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{2} = f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})$
ist;
(b) unter Verwendung der relativen Magnetfeldstärke und jeweiligen gegenüberliegenden Winkel ist es möglich, dann die Invarianz bei 180 Grad der Sondenspulen zu korrigieren, um die Geometrie des Systems akkurat zu repräsentieren;
(c) Umordnen der Gleichung 1 und Einsetzen der Gleichung 7, wobei eine Funktion für die radialen Abstände unabhängig von θ_2mod und θ_1mod bestimmt werden kann, $\begin{array}{l} \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{2 mod}, H_{A 1}, H_{B 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 1}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \\ \cdot {cos}^{2} (θ_{2 mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{2 mod}, H_{B 1}, H_{A 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 1}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \\ \cdot {sin}^{2} (θ_{2 mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{1mod}, H_{A 2}, H_{B 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 2}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \cdot {sin}^{2} (θ_{1mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \\ \cdot {cos}^{2} (θ_{1mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{1mod}, H_{B 2}, H_{A 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 2}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \cdot {cos}^{2} (θ_{1mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \\ \cdot {sin}^{2} (θ_{1mod})) \end{array} \end{array} \end{array}$
und (d) Einsetzen der Lösungen für θ₂, θ₁, r₁ und r₂ in die folgende Formel: $\frac{r_{12}}{sin (f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}) - f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))} = \frac{r_{1} (θ_{2 mod}, H_{A 1}, H_{B 1})}{sin (θ_{1 mod})} = \frac{r_{2} (θ_{1 mod}, H_{A 2}, H_{B 2})}{sin (θ_{2 mod})}$

Anhand dieser Gleichungen und unter Verwendung des Sinussatzes ist es möglich, alle Winkel der Winkel zwischen der Sendeantenne 105 und den Empfangsantennen 110-115 miteinander zu verbinden, um einen Satz möglicher Lösungen für θ₁ und θ₂ zu finden, der das Verhältnis der Magnetfelder für beide Sätze nicht paralleler Antennen A₁-B₁, A₂-B₂ erfüllt.
Da die Empfangsspulen bei 180° invariant sind und an diesem Punkt die Ausrichtung nicht vollständig bestimmt werden kann, kann auf ein Problem gestoßen werden. Um dieselbe zu bestimmen, ist ein Verhältnis für jeweils A₁-B₁, A₂-B₂ für die orthogonalen Magnetfeldstärken als eine Funktion von θ₁ und θ_2mod vorgesehen. In einem zusätzlichen Schritt kann die vorhergesagte Rotation zwei Möglichkeiten enthalten, die in Abhängigkeit von den relativen RSSI-Werten der gegenüberliegenden Sondenspulen bestimmt werden können.
Wie in 2 gezeigt, ist es durch Verbinden des doppelten Satzes nicht paralleler Antennen 110-115, die in einem bekannten Abstand r₁-r₂ getrennt sind, möglich, einen Satz Lösungen für die gegenüberliegenden Winkel θ₁ und θ₂ zu bestimmen, der die Ausrichtung der Sendeantenne 105 erfüllt. Es wird eingesehen werden, dass die bestimmte Ausrichtung die 90°-Lösung des Moduls aller Fälle sein wird. Die korrigierte Ausrichtung, die in 2 gezeigt ist, ist von dem relativen Satz von r₁-r₂ bei θ₁ bzw. θ₂ in Bezug auf r₁-r₂ abhängig.
Wie in 3 gezeigt, veranschaulicht der Graph einen Ansatz der kleinsten Quadrate, um einen Satz Lösungen für sowohl erste als auch zweite gegenüberliegende Winkel zu bestimmen. Wie gezeigt, werden durch die Korrektur der Ausrichtung der Sendeantenne 105 die Lösungen für θ₁ und θ₂ über einen quadratischen Fehler zwischen dem RSSI-Wert und den theoretischen Magnetfeldstärken minimiert. Wie gezeigt, kann es mehr als eine Lösung geben. Es wird eingesehen werden, dass viele iterative Lösungstechniken verwendet werden könnten, um eine Lösung zu erreichen.
Da eine Invarianz der Ausrichtung jeder Antenne 105, 110-115 besteht, kann der Satz Lösungen nicht vollständig gelöst werden, was zu einer polymorphen Lösung führt. Daher gibt es für jede Iteration vier mögliche Lösungen. Wie ferner in Bezug auf 6 beschrieben werden wird, kann der mögliche Satz Lösungen durch Annäherung an die Sendeantenne 105 reduziert werden und abhängig davon, wo sich die Antennen 110-115 relativ zu der Sendeantenne 105 (d.h. näher oder weiter weg) befinden, wird dies bestimmen, ob die Lösungen konvergieren und ob eine bestimmte Lösung korrekt oder inkorrekt ist.
4 ist eine schematische Darstellung, die das Verfahren 400 der Erfindung zur Nahfeld-Lokalisierung von zumindest einem ersten und zweiten Satz Empfangsantennen 110-115 relativ zu zumindest einer Sendeantenne 105 veranschaulicht, bei dem der erste und zweite Satz Empfangsantennen in einem bekannten Abstand r₁-r₂ zueinander und in einem ersten radialen Abstand r₁ bzw. einem zweiten radialen Abstand r₂ von der Sendeantenne 105 vorgesehen sind. Im Schritt 405 wird der Satz des radialen Abstands r₁ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem gegenüberliegenden Winkel θ₁ bestimmt. Die Steuerung begibt sich dann zum Schritt 410, in dem der zweite Satz des radialen Abstands r₂ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂ bestimmt wird. Die Steuerung begibt sich dann zum Schritt 415, in dem das theoretische Magnetfeldverhältnis in Abhängigkeit von θ₁, θ₂ bzw. relativen Drehungen θ_2mod, θ_1mod bestimmt wird.
Die Steuerung begibt sich dann zum Schritt 420, in dem nach entweder θ₁ und θ₂ oder θ_1mod und θ_2mod aufgelöst wird und ein Satz Lösungen für den ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂ bestimmt wird, der die Ausrichtung der Sendeantenne erfüllt, wobei dadurch eine Bestimmung der Richtung der Sendeantenne ermöglich wird. In diesem Schritt wird eine Anzahl von Lösungen bestimmt und da die Anzahl möglicher Lösungen geliefert wird, begibt sich die Steuerung zum Schritt 425, in dem für den im Schritt 420 bestimmten Satz Lösungen (des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂) der Fehler zwischen dem gemessenen und theoretischen RSSI minimiert wird.
Die Fehlerminimierung kann in jeder Art und Weise ausgeführt werden und beispielsweise das Verfahren der kleinsten Quadrate, kleinsten Absolutwerte und dergleichen enthalten.
Die Steuerung begibt sich dann zum Schritt 430, in dem in Erwiderung auf eine Bewegung der Sendeantenne 105 relativ zu den Empfangsantennen 110 und 115 bestimmt wird, ob die minimierte Fehlerlösung, die im Schritt 425 bestimmt wird, näher ist (z.B., ob die Lösung in der Ordnung von 90 Grad). Im Falle, dass die Lösung in Erwiderung auf die Bewegung konvergiert, begibt sich die Steuerung zum Schritt 440, in dem die Lösung ausgewählt wird. Alternativ begibt sich die Steuerung im Falle, dass die Lösung nicht konvergiert, zum Schritt 435, in dem dann bestimmt wird, dass die andere Lösung adäquater ist, und die Steuerung begibt sich zum Schritt 440.
5 ist eine schematische Darstellung 500 der Anwendung der vorliegenden Erfindung im Kontext eines Kraftfahrzeugs 505, das sich mit einer drahtlos betriebenen Übertragungs-Andockstation 515 mittels nahfeldverknüpfter Lateration des Magnetfeldes 520 verbindet. Das Fahrzeug 505 enthält einen Sender 510, der sich an einem geeigneten Standort in dem Kraftfahrzeug befinden kann, und die drahtlose Übertragungs-Andockstation 515. Der Sender 510 könnte sich an jeder beliebigen Position befinden, vorausgesetzt, dass die relative Position desselben in Bezug auf die Sendeantenne bekannt ist. Das Kraftfahrzeug 505 muss zu der drahtlos betriebenen Übertragungs-Andockstation 515 navigieren bzw. fahren, um beispielsweise eine Batterie zu laden. Es wird eingesehen werden, dass dies ein Beispiel einer Ausführungsform ist, in der die Erfindung ausgeführt werden kann, aber die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt ist und die vorliegenden Erfindung in der Tat in einer beliebigen Anzahl des Kontexts vorgesehen sein kann, in dem Nahfeld-Magnetfelder vorgesehen sind, wie beispielsweise Saugroboter, automatisches Parken, fahrerlose Systeme, Drohnen und dergleichen.
Wie oben in Bezug auf 1 beschrieben wurde, enthält die drahtlos betriebene Übertragungs-Andockstation 515 zwei Sätze Empfangsantennen 525 und 530, die jeweils nicht parallele Antennen A₁-B₁ bzw. A₂-B₂ aufweisen. Anhand des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung kann ein vorhergesagter Vektor zu dem Objekt bestimmt werden, wobei die Linie 535 der vorhergesagte Vektor von der drahtlos betriebenen Übertragungs-Andockstation 515 zu der Sendeantenne 510 ist. Unter vorteilhafter Verwendung der elektromagnetischen Feldverteilung (Nahfeld), die nicht sphärisch und mehrteilig ist, werden relative RSSI-Messungen in den Empfangsantennen verwendet, um die relative Position der Sendeantenne 510 in Bezug auf die bekannten Positionen der Empfangsantennen 525-530 zu bestimmen. Die Lokalisierung beruht auf der Empfindlichkeit der Sätze Empfangsantennen 525 und 530, die zum effektiven Bestimmen der Drehung der drahtlos betriebenen Übertragungs-Andockstation 515 in Bezug auf die Sendeantenne 510 verwendet wird.
Die Winkelinformationen werden dann verwendet, um einen Satz Lösungen zu bestimmen, die die relativen Maße des Systems unter Verwendung der Größe der RSSI-Werte erfüllen, um die relativen radialen Abstände zu jeder Antenne 525-530 unter Verwendung des Abstands zwischen denselben (der bekannt ist) zu bestimmen. Der Satz Lösungen wird dann unter Verwendung der Minimierung des kleinsten quadratischen Fehlers, des Verfahrens der kleinsten Absolutwerte oder dergleichen ferner minimiert.
In Anbetracht der bekannten Orientierung der Antennen in Bezug auf die Grundebene bzw. Bodenebene ermöglicht dies, dass die Lösung von der Ausrichtung in Bezug auf die Sendeantenne 510 invariant ist. Vorteilhafterweise ist das System im Hinblick auf den Abstand zwischen den Sätzen Antennen 525-540 vollständig flexibel, was eine Flexibilität hinsichtlich Produkterfordernissen ermöglicht (d.h. über das einfache Andocken eines Fahrzeugs an eine drahtlos betriebene Übertragungs-Andockstation hinaus). Es wird eingesehen werden, dass das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung innerhalb einer Steuereinheit (wie beispielsweise ein Computer einer Kraftmaschine bzw. eines Motors) in dem Fahrzeug 505 laufen bzw. arbeiten können.
Die 6A, 6B und 6C veranschaulichen im praktischen Sinne, sobald die Lösungen bestimmt und die Fehler minimiert wurden, welche der Lösungen tatsächlich die korrekte Lösung ist. Beispielsweise kann es vier Lösungen zu dem Standort der Sendeantenne 510 geben und beispielsweise sind in 6A der Abstand und die Ausrichtung der drahtlos betriebenen Übertragungs-Andockstation 515 relativ zu der Sendeantenne 510 bekannt, aber, wie in 6B gezeigt, konvergiert die Lösung nur, wenn die Sendeantenne 510 in eine Richtung bewegt wird. Hingegen divergiert die drahtlos betriebene Leistungsübertragungs-Andockstation 515, wie in 6C gezeigt. Durch das Wissen, ob die Lösung konvergiert oder divergiert, kann bestimmt werden, welche Lösung korrekt ist, und die korrekte Lösung ausgewählt werden und dann das Fahrzeug 505 akkurat verfolgt und angedockt werden.
Da die Richtung einer Sendeantenne relativ zu den Empfangsantennen nach zwei Iterationen des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung bekannt ist, kann dies vorteilhafter Weise erweitert werden, um das automatische Parken eines Fahrzeugs und dergleichen zu liefern. Unter Verwendung besehender Hardware ermöglicht solch eine Niederfrequenzantenne vorteilhafter Weise Fahrern eine schnelle und kostengünstige Entwicklung, während die Sicherheit beibehalten wird. Das Verfahren und System der vorliegenden Erfindung ermöglichen das Abbilden von Routen, Bereichskalibrierungs- und Geschwindigkeitsansätze mit verbesserter Geschwindigkeit und verringerter Komplexität. Das Verwenden einer niedrigen Frequenz bietet auch Flexibilität beim Positionieren der Andockstation 515, da eine niedrige Frequenz eine geringe Auswirkung auf externe Objekte hat und kein vollständiges Steuern des Bereiches erfordert, in dem die Andockstation 515 liegt. Vorteilhafter Weise ist die vorliegende Erfindung für sowohl Andockstationen 515 als auch Fahrzeuge 505 dadurch vielseitig, dass es keine festen Delta- oder Standorterfordernisse für die Sendeantenne 525-530, die in oder an dem Fahrzeug 505 vorgesehen ist, und keine festen r_1-, r₂-Werte zwischen den Empfangsantennen gibt. Bei diesem Szenario besteht kein Erfordernis, dass die Höhe der Sendeantenne und der Empfangsantennen bekannt ist, damit das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung wirken. Dies kann korrigiert werden, da die Ausrichtung (parallel zum Boden) bekannt sein wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AU 2017902021 [0001]

Claims

Verfahren zur Nahfeld-Lokalisierung, mit: (a) Bereitstellen von zumindest einer Sendeantenne und zumindest einem ersten und zweiten Satz Empfangsantennen, wobei der erste und zweite Satz Empfangsantennen in einem bekannten Abstand r₁₂ zueinander und in einem ersten radialen Abstand r₁ bzw. einem zweiten radialen Abstand r₂ von der Sendeantenne vorgesehen sind; (b) Bestimmen des ersten radialen Abstands r₁ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁; (c) Bestimmen eines zweiten radialen Abstands r₂ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂; (d) Bestimmen des theoretischen Magnetfeldverhältnisses in Abhängigkeit von θ₁, θ₂ bzw. relativen Drehungen θ_2mod, θ_1mod; (e) Auflösen nach entweder θ₁ und θ₂ oder θ_1mod und θ_2mod und Bestimmen eines Satzes Lösungen für den ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂, der die Ausrichtung der Sendeantenne erfüllt, wobei dadurch eine Bestimmung der Richtung der Sendeantenne ermöglicht wird; (f) für den Satz Lösungen des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂ Minimieren des Fehlers zwischen dem RSSI und einer theoretischen Magnetfeldstärke; und (g) Auswählen der einen oder mehreren Lösungen, die in Erwiderung auf eine Bewegung der Sendeantenne konvergieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt (a) ein Modell des Magnetfeldes an dem ersten und zweiten Satz Empfangsantennen basierend darauf, dass die Empfangsantennen im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, gemäß der folgenden Formel geliefert wird: $\begin{array}{l} H_{B 1}^{2} (θ_{1}, θ_{2 M o d}, r_{1}) = \frac{A}{4 \cdot r_{1}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 M o d})) \\ H_{A 1}^{2} (θ_{1}, θ_{2 M o d}, r_{1}) = \frac{A}{4 \cdot r_{1}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 M o d})) \\ H_{B 2}^{2} (θ_{2}, θ_{1 M o d}, r_{2}) = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d})) \\ H_{A 2}^{2} (θ_{2}, θ_{1 M o d}, r_{2}) = \frac{A}{4 \cdot r_{2}^{6}} \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 M o d}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 M o d})) \end{array}$
und das Modell des Magnetfeldes nach dem ersten radialen Abstand r₁ in den Schritten (b) und (c) aufgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei r₁ als eine Funktion von H_A1 und H_B1 gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Satz Empfangsantennen voneinander entfernt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt (e) θ₁ und θ₂ über die folgenden Schritte gleichzeitig gelöst werden: (a) Beseitigen der radialen Abhängigkeit unter Verwendung des Verhältnisses der Magnetfelder $\frac{H_{A 1} {(θ_{1}, θ_{2 mod}, r_{1})}^{2}}{H_{B 1} {(θ_{1}, θ_{2 mod}, r_{1})}^{2}} = \frac{cos {(θ_{1})}^{2} cos {(θ_{2 mod})}^{2} + \frac{1}{4} sin {(θ_{1})}^{2} sin {(θ_{2 mod})}^{2}}{cos {(θ_{1})}^{2} sin {(θ_{2 mod})}^{2} + \frac{1}{4} sin {(θ_{1})}^{2} cos {(θ_{2 mod})}^{2}}$
(b) Auflösen nach dem zweiten Modulwinkel θ_2mod, um nur eine Funktion des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken zu sein, $θ_{2 mod} = f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})$
und Auflösen nach dem ersten Modulwinkel θ_1mod als eine Funktion des zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂ und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{1mod} = f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})$
ist; (c) Verwenden der relativen Magnetfeldstärke und jeweiligen gegenüberliegenden Winkel, um die Invarianz bei 180 Grad der Sondenspulen zu korrigieren, wobei dadurch die Geometrie des Systems akkurat repräsentiert wird; (d) Umordnen (Gleichung 1) und Einsetzen (Gleichung 4), um dadurch eine Funktion für die radialen Abstände unabhängig von θ_2mod und θ_1mod zu bestimmen, $\begin{array}{l} \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{1}, H_{A 1}, H_{B 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 1}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{1}, H_{B 1}, H_{A 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 1}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{1}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{1}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{2}, H_{A 2}, H_{B 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 2}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))) \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{2}, H_{B 2}, H_{A 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 2}^{2}} \\ \cdot ({cos}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (θ_{2}) \cdot {cos}^{2} (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))) \end{array} \end{array}$
und (e) Einsetzen der Lösungen für θ_2mod, θ_1mod, r₁ und r₂ in die folgende Formel: $\frac{r_{12}}{sin (θ_{2} - θ_{1})} = \frac{r_{1} (θ_{1}, H_{A 1}, H_{B 1})}{sin (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))} = \frac{r_{2} (θ_{2}, H_{A 2}, H_{B 2})}{sin (f (θ_{2}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}))}$
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt (e) gleichzeitig nach θ_1mod und θ_2mod gemäß den folgenden Schritten aufgelöst wird: (a) Auflösen nach dem ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ als eine Funktion des zweiten Modulwinkels θ_2mod und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{1} = f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})$
ist, und Auflösen nach dem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂ als eine Funktion des ersten Modulwinkels θ_2mod und eines Verhältnisses der Magnetfeldstärken, wobei: $θ_{2} = f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})$
ist; (b) Verwenden der relativen Magnetfeldstärke und jeweiligen gegenüberliegenden Winkeln, um dann die Invarianz bei 180 Grad der Sondenspulen zu korrigieren, um die Geometrie des Systems akkurat zu repräsentieren; (c) Umordnen (Gleichung 1) und Einsetzen (Gleichung 7) und dadurch Bestimmen einer Funktion für die radialen Abstände unabhängig von θ_2mod und θ_1mod, $\begin{array}{l} \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{2 mod}, H_{A 1}, H_{B 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 1}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \cdot {sin}^{2} (θ_{2 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \\ \cdot {cos}^{2} (θ_{2 mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{1}^{6} (θ_{2 mod}, H_{B 1}, H_{A 1}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 1}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \cdot {cos}^{2} (θ_{2 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}})) \\ \cdot {sin}^{2} (θ_{2 mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{1 mod}, H_{A 2}, H_{B 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{B 2}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \cdot {sin}^{2} (θ_{1 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \\ \cdot {cos}^{2} (θ_{1 mod})) \end{array} \end{array} \\ \begin{array}{l} r_{2}^{6} (θ_{1 mod}, H_{B 2}, H_{A 2}) \\ = \frac{A}{4 \cdot H_{A 2}^{2}} \\ \begin{array}{l} \cdot ({cos}^{2} (f (θ_{1mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \cdot {cos}^{2} (θ_{1 mod}) + \frac{1}{4} \cdot {sin}^{2} (f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}})) \\ \cdot {sin}^{2} (θ_{1 mod})) \end{array} \end{array} \end{array}$
und (d) Einsetzen der Lösungen für θ₂, θ₁, r₁ und r₂ in die folgende Formel: $\frac{r_{12}}{sin (f (θ_{1 mod}, \frac{H_{A 2}}{H_{B 2}}) - f (θ_{2 mod}, \frac{H_{A 1}}{H_{B 1}}))} = \frac{r_{1} (θ_{2 mod}, H_{A 1}, H_{B 1})}{sin (θ_{1 mod})} = \frac{r_{2} (θ_{1 mod}, H_{A 2}, H_{B 2})}{sin (θ_{2 mod})}$
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt (f) das Minimieren des Fehlers das Minimieren des Fehlers durch Bestimmen der Differenz zwischen dem gemessenen RSSI-Wert und dem theoretischen Magnetfeld enthält.
Ein System zur Nahfeld-Lokalisierung enthält Folgendes: zumindest eine Sendeantenne; zumindest einen ersten und zweiten Satz Empfangsantennen, die in einem bekannten Abstand r₁₂ zueinander vorgesehen sind; wobei der erste und zweite Satz Empfangsantennen jeweils zwei oder mehr Antennen enthält, die zueinander nicht parallel sind; wobei der erste Satz Empfangsantennen einen ersten radialen Abstand r₁ von der Sendeantenne, einen ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ von der Sendeantenne und einen ersten Modulwinkel θ_1mod aufweist; wobei der zweite Satz einen zweiten radialen Abstand r₂ von der Sendeantenne, einen zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂ von der Sendeantenne und einen zweiten Modulwinkel θ_2mod aufweist; eine Steuereinheit zum: (a) Bestimmen des ersten radialen Abstands r₁ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁; (b) Bestimmen des zweiten radialen Abstands r₂ relativ zu der Magnetfeldstärke proportional zu einer RSSI-Messung und einem zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂; (c) Bestimmen des theoretischen Magnetfeldverhältnisses in Abhängigkeit von θ₁, θ₂ bzw. relativen Drehungen θ_2mod, θ_1mod; (d) Auflösen nach entweder θ₁ und θ₂ oder θ_1mod und θ_2mod und Bestimmen eines Satzes Lösungen für den ersten gegenüberliegenden Winkel θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkel θ₂, der die Ausrichtung der Sendeantenne erfüllt, wobei dadurch eine Bestimmung der Richtung der Sendeantenne ermöglicht wird; (e) Minimieren des Fehlers zwischen dem RSSI und einer theoretischen Magnetfeldstärke für den Satz Lösungen des ersten gegenüberliegenden Winkels θ₁ und zweiten gegenüberliegenden Winkels θ₂; und (f) Auswählen der einen oder mehreren Lösungen, die in Erwiderung auf eine Bewegung der Sendeantenne konvergieren.