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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Sensor der Prozessautomatisierung, ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Sensors, und ein Programmelement.
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Hintergrund der Erfindung
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Für beispielsweise autarke Sensoren in einem Netzwerk der Prozessautomatisierung gibt es häufig vorteilhaft oder gar notwendig, dass deren absolute Position bekannt ist. Eine Positionsbestimmung kann z.B. mit einem Empfänger der Satellitennavigation durchgeführt werden. Dies ist jedoch nicht möglich, wenn das Satellitensignal abgeschattet ist bzw. aufgrund eines Hindernisses derart gedämpft wird, dass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis unter die Detektionsschwelle fällt. Möglicherweise weist ein Sensor auch überhaupt kein Satellitennavigationsempfänger auf.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor bzw. eine Sensoranordnung der Prozessautomatisierung mit einer verbesserten Positionsbestimmung der Sensoren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
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Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise den Sensor, die Sensoranordnung, das Verfahren zur Positionsbestimmung eines Sensors sowie das Programmelement. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.
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Ferner ist zu beachten, dass alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Verfahren betreffen, in der beschriebenen Reihenfolge der Schritte ausgeführt werden können, jedoch muss dies nicht die einzige und wesentliche Reihenfolge der Schritte des Verfahrens sein. Die hier vorgestellten Verfahren können mit einer anderen Reihenfolge der offenbarten Schritte ausgeführt werden, ohne von der jeweiligen Verfahrensausführungsform abzuweichen, sofern im Folgenden nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Sensor der Prozessautomation bereitgestellt, wobei der Sensor ein erster Sensor ist, aufweisend ein Funkmodul mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit. Die Empfangseinheit ist eingerichtet, eine zweite Signalstärke eines Sensorsignals eines zweiten Sensors und eine dritte Signalstärke eines Sensorsignals eines dritten Sensors zu detektieren, die zweite und die dritte Signalstärke jeweils in Beziehung zu einer Entfernung zu dem zweiten bzw. dritten Sensor zu setzen, eine Entfernung zwischen dem zweiten und dem dritten Sensor zu empfangen, und aus den drei Entfernungen seine relative Position bezüglich des zweiten und dritten Sensors zu ermitteln oder zur Ermittlung seiner relativen Position bezüglich des zweiten und dritten Sensors zumindest die Entfernungen zum zweiten und zum dritten Sensor an eine Prozessierungseinheit senden.
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Unter „einer zweiten Signalstärke eines Sensorsignals eines zweiten Sensors“ und „dritte Signalstärke eines Sensorsignals eines dritten Sensors“ ist somit die am ersten Sensor empfangene Signalstärke der Sensorsignale, die durch die jeweiligen Sensoren bzw. deren Funkmodule abgestrahlt werden.
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Das Funkmodul ist beispielsweise ein Funkmodul zum Senden von Messwerten, Auswertedaten, Konfigurationsdaten, Daten, die den Status des Sensors, wie z.B. Batteriestand, Fehlerstatus, etc. Das Funkmodul weist weiterhin eine Empfangseinheit auf. Die Empfangseinheit empfängt beispielsweise Einschalt- bzw. Ausschaltbefehle, Konfigurationsdaten, Synchronisationssignale, Statusabfragen, Messwertabfragen, etc. Empfangseinheiten weisen typischerweise einen Schaltkreis zur Signal-Empfangswertbestimmung auf. Zumindest lässt sich der Signal-Empfangswert an einem Punkt des Schaltkreises auslesen bzw. bestimmen. Unter Signal-Empfangswert wird hierbei z.B. die Empfangsstärke des Signals oder der RSSI (Received Signal Strength Indicator; Anzeige der empfangenen Signalstärke) - Wert verstanden, der den Leistungspegel, der nach jedem möglichen Verlust auf der Antennen- und Kabel-Ebene empfangen wird, anzeigt. Unter Signal-Empfangswert wird hier aber auch ausdrücklich das Signal-Rausch-Verhältnis SNR (signal-to-noise ratio, Signal-Rausch-Verhältnis) verstanden. Entscheidend ist, dass es sich um einen entfernungsabhängigen Empfangswert handelt. Aus der Entfernungsabhängigkeit kann dann eine Entfernung zu einem Sender des Signals, hier ein weiterer Sensor, bestimmt werden. Zur Bestimmung der relativen Position der Sensoren kann zum Beispiel ein Sensorzentrisches kartesisches oder Polar-Koordinatensystem verwendet werden. Eine Ebene des Koordinatensystems kann zum Beispiel in oder parallel zu einer Ebene des Sensors, z.B. der Bodenebene, liegen. Entfernungen sind mathematisch gleichbedeutend mit einer Kreisbahn bzw. Kugeloberfläche im dreidimensionalen Raum. Sind 3 Entfernungen bekannt, können die Kreise bzw. Kugeln geschnitten werden, so dass z.B. die Schnittpunkte von zwei Kreisen die mögliche zu bestimmende Position angibt. Da hierbei nicht alle Kreise nicht konzentrisch sein dürfen, ist die Entfernung der beiden weiteren Sensoren notwendig, so dass sich beispielsweise ein eindeutiges Dreieck aus den drei Entfernungen ergibt. Andere Herleitungen sind möglich. Die Daten zur Positionsberechnung, insbesondere der Entfernungen werden an eine Prozessierungseinheit gesendet, die sich innerhalb oder außerhalb des Sensors befinden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Sensor ein GNSS-Empfangsmodul auf und ist eingerichtet ist, seine absolute Position mittels des Empfangs von GNSS-Signalen durch das GNSS-Empfangsmodul zu bestimmen. Durch die Kenntnis seiner eigenen Position kann der Sensor oder die Prozessierungseinheit des Sensors die relativen Positionen des zweiten und des dritten Sensors auf eine kreisförmige absolute Positionen beschränken oder an. Das heißt, das gefundene Dreieck kann nun nur noch um den absoluten Punkt des Sensors gedreht werden. Sind weitere einschränkende Bedingungen, die sich zum Beispiel aus der Anlage ergeben können, z.B. eine Ausrichtung oder eines örtlichen Bezugs zu einer Anlagenkomponente, kann somit die absolute Position aller Sensoren berechnet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Empfangseinheit eingerichtet, eine absolute Position des zweiten Sensors zu empfangen und anhand der absoluten Position des zweiten Sensors, den Entfernungen zu dem zweiten und dem dritten Sensor sowie der Entfernung zwischen dem zweiten und dem dritten Sensor seine eigene relative Position zu ermitteln sowie die relative Position des dritten Sensors oder die absolute Position des zweiten Sensors und die Entfernungen zumindest zu dem zweiten und dem dritten Sensor zur Ermittlung seiner relativen Position an eine Prozessierungseinheit zu senden, wobei die relativen Positionen auf eine absolute Position bezogen sind.
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Das heißt, die absolute Position des zweiten Sensors bildet den Bezugspunkt für die Positionen der weiteren Positionen. Bildlich kann dies so interpretiert werden, dass die absolute Position ein Fixpunkt ist, um den die geometrische Anordnung der weiteren Sensoren gedreht werden kann. Unter absoluter Position wird in dieser Offenbarung eine Position in einem geodätischen Koordinatensystem wie z.B. WGS-84 verstanden. Unter relativer Position wird eine Position, die lediglich aus Entfernungen und/oder Winkeln zu anderen Sensoren verstanden. Prinzipiell sind die relativen Positionen keine fixe Positionen in einem geodätischen Koordinatensystem.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor eingerichtet, basierend auf einer Kenntnis seiner eigenen absoluten Position und der absoluten Position des zweiten Sensors die absolute Position des dritten Sensors zu ermitteln. Entsprechend kann er auch seine eigene absolute Position aus der Kenntnis der absoluten Positionen des zweiten und des dritten Sensors zu berechnen. Für die Berechnungen ermittelt oder empfängt der Sensor weiterhin wie bereits beschrieben Entfernungen zu und / oder zwischen den Sensoren. Die Berechnungen können auch vollständig oder teilweise in einer Prozessierungseinheit stattfinden. Hierzu sendet ein oder mehrere Sensoren die notwendigen Entfernungs- und/oder Positionsinformationen an die Prozessierungseinheit. Das Ergebnis kann wieder an die Sensoren gesendet werden.
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Mit dem Empfang der zweiten absoluten Position wird - bei drei Sensoren - das relative Dreieck um eine bekannte Position auch in seinem rotativen Freiheitsgrad festgezurrt. Die Anordnung kann auch eine Vielzahl an Sensoren aufweisen. Auch in diesem Fall genügen zwei absolute Positionen zur Bestimmung der absoluten Positionen aller Sensoren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sendeeinheit eingerichtet, die relative Position, die absolute Position, die Entfernung zu dem zweiten Sensor und / oder die Entfernung zu dem dritten Sensor an den dritten bzw. zweiten Sensor zu senden.
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Durch die Möglichkeit, dass sich die Sensoren gegenseitig Entfernungen und Positionen schicken können, bzw. an eine Prozessierungseinheit senden können, ergeben sich vielfältige Varianten, die absoluten Positionen zu bestimmen. Einige grundlegende Methoden wurden bereits diskutiert, so dass hier diese Varianten nicht im Einzelnen ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Funkmodul ein Bluetooth-, ZigBee-, Z-Wave- oder WLAN-Modul, oder ein Modul gemäß einem weiteren Drahtlosstandard. Insbesondere autarke Sensoren weisen in der Regel keine drahtgebundene Schnittstelle auf, so dass die Auswertung der Empfangsstärke eines Drahtlosstandards einfach implementiert werden kann und kein zusätzliches Funkmodul zur Entfernungsmessung integriert werden muss. Ein autarker Sensor ist in der Regel ein Sensor, der eine eigene Stromversorgung z.B. über eine interne Batterie aufweist und bezüglich der Stromversorgung oder Datenübertragung eigenständig ist. Die Datenübertragen erfolgt somit üblicherweise drahtlos.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sensoranordnung bereitgestellt, die mindestens einen ersten Sensor wie hier beschrieben, einen zweiten Sensor und einen dritten Sensor aufweist, wobei jeder der Sensoren eingerichtet ist, eine Signal-Empfangswertmessung zu den jeweils anderen Sensoren vorzunehmen, und aus der Signal-Empfangswertmessung zu einer Bestimmung der eigenen Position eine Entfernung zu den jeweils anderen Sensoren zu ermitteln. Die Berechnung hierbei kann von einer internen oder aber auch externen Prozessierungseinheit vorgenommen werden. Im letzteren Fall wäre die Bestimmung der eigenen Position der Vorgang beispielsweise des Sendens von zumindest einem Teil der Berechnung der Position notwendigen bzw. noch fehlenden Daten wie verfügbare Entfernungsmessungen und Positionen an die Prozessierungseinheit und das Empfangen der von der Prozessierungseinheit berechneten Position.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensoranordnung ein GNSS-Empfangsmodul auf, das an dem ersten Sensor angebracht ist. Das GNSS-Empfangsmodul ist eingerichtet, seine Position an den ersten Sensor oder eine Prozessierungseinheit zu senden. Das GNSS-Empfangsmodul kann somit ein Sensor-externes Modul sein, das beispielsweise an den Sensor oder in unmittelbarer Nähe des Sensors angeordnet ist und seine Positionsdaten an den Sensor oder sogar selbst direkt an die Prozessierungseinheit sendet. Im letzteren Fall muss die Zugehörigkeit bzw. Assoziation zu dem Sensor durch Senden von beispielsweise einer Sensor-ID gewährleistet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest der erste Sensor eingerichtet, seine absolute Position und seine Entfernung zu dem dritten Sensor an den zweiten Sensor zu senden, und der zweite Sensor ist eingerichtet, seine absolute Position anhand der Entfernung zu dem ersten und dem dritten Sensor, sowie der absoluten Position des ersten Sensors und seine Entfernung zu dem dritten Sensor zu bestimmen. Durch diese Ausführungsform ist es möglich, dass der zweite Sensor seine absolute Position ohne externe Prozessierungseinheit bestimmen kann. Auch der erste und der dritte Sensor können ihre Position in entsprechender Weise basierend auf den ihnen zur Verfügung stehenden Daten ermitteln, sofern sie ihre absolute Position durch den GNSS-Empfang bestimmen konnten.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung weiterhin eine Prozessierungseinheit auf, die eingerichtet ist, die an sie gesendeten Entfernungen, relativen und/oder absoluten Positionen zu empfangen, und daraus die relativen und/oder absoluten Positionen aller Sensoren der Sensoranordnung zu bestimmen.
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Die Prozessierungseinheit kann somit alle Informationen und Daten der Sensoren sammeln, die für die Positionsbestimmung der Sensoren notwendig sind und die Positionen berechnen und verwalten. Wenn die Prozessierungseinheit eine externe Einheit ist, kann sie beispielsweise Teil eines Servers bzw. eine Serversoftware sein, sich in der Cloud befinden, oder in einer Station der Anlage.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Sensoren autark, und zumindest jeweils zwei Sensoren sind zur Entfernungsermittlung gleichzeitig aktiv. Autark heißt insbesondere, dass sie keine externe Energieversorgung benötigen. Autarke Sensoren können auch hermetisch abgeschlossen sein. Typischerweise kommunizieren autarke Sensoren drahtlos, z.B. mit einem externen Server oder Gerät, an das z.B. Daten gesendet werden oder von dem Steuerbefehle erhalten werden. Um den Energieverbrauch niedrig zu halten, schalten die Sensoren typischerweise Schaltkreise ab, solange ihre Funktion nicht erforderlich ist. Beispielsweise werden die Daten in regelmäßigen Abständen gesendet, so dass das Funkmodul oder ein Teil des Funkmoduls periodisch aktiviert bzw. deaktiviert wird. Um die Signalstärke messen zu können, müssen ein Sender und ein Empfänger gleichzeitig aktiv sein. Hierzu kann beispielsweise ein entsprechender Aktivierungsplan gespeichert sein und/oder die Sensoren synchronisiert sein, oder einen entsprechenden Steuerbefehl erhalten. Somit können, gemäß einer Ausführungsform, die Sensoren eingerichtet sein, ihre Aktivität selbst zu steuern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoranordnung eine Steuereinheit auf, die zum Aktivieren der Sensoren derart eingerichtet ist, dass zur Messung der Entfernung zwischen zwei Sensoren diese beiden Sensoren gleichzeitig aktiv sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensoranordnung eine Vielzahl von Sensoren auf, wobei die Vielzahl von Sensoren eine erste Untermenge und eine zweite Untermenge aus der Vielzahl von Sensoren aufweist, wobei die erste Untermenge einen Sensor aufweist, dessen Position mit GNSS bestimmt ist, die zweite Untermenge einen Sensor aufweist, dessen Position mit GNSS bestimmt ist, die Sensoren der ersten Untermenge eingerichtet sind, eine erste relative Positionsbeziehung zueinander zu bestimmen, die Sensoren der zweiten Untermenge eingerichtet sind, eine zweite relative Positionsbeziehung zueinander zu bestimmen und die Sensoren der ersten und der zweiten Untermenge eingerichtet sind, durch mindestens eine Abstandsbestimmung von einem Sensor der ersten Untermenge zu einem Sensor der zweiten Untermenge ihre absolute Position zu bestimmen.
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Das heißt, dass eine Anzahl von Sensoren ein relatives Positionsnetzwerk bilden, das durch eine Referenzposition an einem absoluten Punkt fest ist, aber um diesen Punkt sozusagen drehbar ist. Ein weiteres derartiges Positionsnetzwerk kann durch eine Verbindung zwischen den beiden Netzwerken, hier also eine Entfernung zweier Sensoren aus den beiden Netzwerken, den Freiheitsgrad zumindest so weit einschränken, dass eine Plausibilitätsprüfung eine Festlegung der absoluten Positionen erlauben kann. Beispielsweise würde eine Spiegelung an der Achse, die durch die absoluten Positionen definiert ist, zu einer weiteren Lösung, die aber dadurch ausgeschlossen werden könnte, dass in diesem Fall weitere Sensoren aus einer GNSS-Abschattung herausfielen und somit mehr absolute Positionen bekannt sein müssten. Durch mehr Verbindungen zwischen den Netzwerken können auch ohne Plausibilitätsprüfung die absoluten Positionen berechnet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Sensors der Prozessautomatisierung, aufweisend die Schritte: Detektieren eines Signal-Empfangswerts eines Sensorsignals eines zweiten Sensors sowie einen dritten Signal-Empfangswert eines Sensorsignals eines dritten Sensors. Weiterhin, in Beziehung-Setzen der zweiten und der dritten Signalstärke jeweils zu einer Entfernung zu dem zweiten bzw. dritten Sensor, Empfangen einer Entfernung zwischen dem zweiten und dem dritten Sensor, und schließlich Ermitteln einer relativen Position aus der ersten, zweiten und dritten Entfernung. Alternativ kann zum Ermitteln seiner relativen Position bezüglich des zweiten und dritten Sensors zumindest die Entfernungen zum zweiten und zum dritten Sensor an eine Prozessierungseinheit gesendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Programmelement bereitgestellt, das, wenn es auf einer Prozessierungseinheit eines Sensors ausgeführt wird, den Sensor anleitet, die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
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Das Programmelement kann auch in Teilen in einer Prozessierungseinheit eines Sensors und in Teilen in einer Sensor-externen Prozessierungseinheit ausgeführt werden. Programmelement kann Teil eines Computerprogramms sein, es kann jedoch auch ein ganzes Programm für sich sein. Beispielsweise kann das Computerprogrammelement verwendet werden, um ein bereits vorhandenes Computerprogramm zu aktualisieren, um zur vorliegenden Erfindung zu gelangen. Das Programmelement kann auf einem gespeichert sein. Das computerlesbare Medium kann als ein Speichermedium angesehen werden, wie beispielsweise ein USB-Stick, eine CD, eine DVD, ein Datenspeichergerät, eine Festplatte oder ein beliebiges anderes Medium, auf dem sich ein wie oben beschriebenes Programmelement befinden kann, gelagert.
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Unter Prozessautomatisierung bzw. Prozessautomation im industriellen Umfeld kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können. Gerade bei Behältern, die bewegt werden oder wenn o.g. Sensoren flexibel an Behältern angebracht und wieder entfernt werden, ist eine Positionsbestimmung zum Beispiel für eine Wartung oder Bestimmung der Position eines Behälters vorteilhaft.
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Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung bzw. Prozessautomation im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Entfernung- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden. Auch hierbei ist die Kenntnis der Position der Sensoren von Bedeutung.
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Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
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Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer Gegenstände oder Schritte erfüllen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem geeigneten Medium wie einem optischen Speichermedium oder einem Halbleitermedium, das zusammen mit oder als Teil einer anderen Hardware geliefert wird, gespeichert / verteilt werden, kann aber auch in anderen Formen, beispielsweise über das Internet oder andere, verteilt sein drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Hierbei zeigt
- 1 eine Skizze mit einem ersten und einem zweiten Sensor,
- 2 eine Skizze mit einem ersten, zweiten und dritten Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 3 eine Sensoranordnung mit zwei Sensor-Untermengen gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4 ein Blockdiagramm mit den Komponenten des Sensors und der Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt in einer ersten erklärenden Skizze einen ersten 102 und einen zweiten 104 Sensor. Eine Entfernung kann als Kreis dargestellt werden. Misst beispielsweise der erste Sensor 102 eine Entfernung zum zweiten Sensor 104, dann sind mögliche Positionen Orte auf dem Kreis mit Radius der gemessenen Entfernung. Kennt der erste Sensor 102 seine absolute Position durch Empfang eines GNSS-Signals 152, dann kann er lediglich einen Kreis um diese absolute Position als mögliche Orte des zweiten Sensors 104 bestimmen.
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2 zeigt in einer zweiten Skizze einen zusätzlichen Sensor 106. Die Sensoren 102, 104, 106 können die Abstände zueinander zum Beispiel durch eine Messung der Signalstärke eines Bluetooth-Signals bestimmen. Jeder Abstand kann als Kreis eingetragen werden und die Schnittpunkte sind die Positionen der Sensoren. In einer anderen geometrischen Interpretation wird durch die drei gemessenen Längen ein Dreieck definiert, das in seiner Form und Größe eindeutig ist. Durch die drei Entfernungen alleine ist die tatsächliche Position der Sensoren nicht bekannt, nur die relative Position zueinander. Der Sensor 102 sei nun der einzige Sensor mit Sichtkontakt zu GNSS-Satelliten. Dieser kann dann seine absolute Position z.B. im geodätischen WGS-84-Koordinatensystem bestimmen und das bisher frei „schwebende“ Positionsnetzwerk zumindest soweit in seinen Freiheitsgraden einschränken, dass die Position 102 fest ist, und das Positionsnetzwerk nur noch um diese feste Position gedreht werden kann.
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Eine Empfangseinheit eines Sensors, z.B. des Sensors 102, kann eine Signalstärke eines Sensorsignals eines zweiten Sensors 106 und eine dritte Signalstärke eines Sensorsignals eines dritten Sensors 106 detektieren, aus den detektierten Signalstärken jeweils eine Entfernung d1, d2 zu dem zweiten 104 bzw. dritten Sensor 106 ermitteln und eine Entfernung d3 zwischen dem zweiten und dem dritten Sensor empfangen. Aus den drei Entfernungen kann er nun seine relative Position bezüglich des zweiten und dritten Sensors ermitteln. Alternativ kann der Sensor 102 zur Ermittlung seiner relativen Position bezüglich des zweiten und dritten Sensors zumindest die Entfernungen d1 und d2 zum zweiten und zum dritten Sensor an eine Prozessierungseinheit senden, die sich innerhalb oder außerhalb des Sensors befindet. Die relativen Positionen können zum Beispiel Positionen in einem Sensor-lokalen Koordinatensystem berechnet werden. Ist nun durch eine Sensor mit GNSS-Empfang eine absolute Position in Koordinaten eines geodätischen Koordinatensystems in dem Netzwerk der Sensoren 102, 104, 106 vorhanden, kann ein Bezug zu dieser geodätischen Position hergestellt werden. Sind keine weiteren Randbedingungen vorhanden, um die mögliche Drehung der relativen Positionen um die fixe, absolute Position des Sensors 102 festzulegen, ist eine zweite GNSS-Position notwendig.
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3 zeigt eine Sensoranordnung, die zwei Sensor-Untermengen aufweist, In der ersten Untermenge befinden sich die Sensoren 102, 104, 106, in der zweiten Untermenge die Sensoren 302, 304, 306. Nur die Sensoren 102 und 302 haben in diesem Beispiel einen GNSS-Empfang. Somit können nur die relativen Positionen innerhalb der jeweiligen Untermengen bestimmt werden, wobei die das jeweilige Sensor-Positionsgebilde mit den zunächst ermittelten Entfernungs- und Positionsinformationen um den Sensor 102 bzw. 302 gedreht werden kann. Ist nun eine Entfernungsmessung von einem Sensor der ersten Untermenge zu einem Sensor der zweiten Untermenge möglich, wird die mögliche Drehung fixiert und die absoluten Positionen können berechnet werden. Dies zeigt, dass eine Vollvermaschung nicht notwendig ist.
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4 zeigt ein Blockdiagramm mit den Komponenten des Sensors 102 stellvertretend für alle Sensoren 102, 104, 106 und der Sensoranordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Sensor 102 weist eine Prozessierungseinheit 401, ein Funkmodul 402 mit einer Sendeeinheit 404 und einer Empfangseinheit 406 auf, sowie einen GNSS-Empfänger 410, der Signale eines Satellitennavigationssystems 450 detektiert. Die Sensoranordnung weist weiterhin eine Prozessierungseinheit 400 und eine Steuereinheit 412 auf, die sich in diesem Beispiel beide in der Cloud 460 befinden. Die Pfeile zeigen die Funkverbindungen an. Die Sensoren 102, 104, 106 können sich Entfernungsdaten über die Funkverbindung und zu der Prozessierungseinheit 400 schicken. Bei einer größeren Anzahl an Sensoren, ist nicht notwendigerweise eine Vollvermaschung notwendig. Dies betrifft sowohl die Entfernungsmessungen als auch die Datenübertragung. Daten können beispielsweise über verschiedene Netzwerkpfade geschickt werden, d.h. ein Sensor kann empfangene Daten an einen anderen Sensor weiterleiten. Entfernungsmessungen werden nur zwischen Sensoren 102, 104, 106 vorgenommen. Die Steuereinheit 412 sorgt dafür, dass zumindest jeweils zwei Sensoren gleichzeitig aktiv sind.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Bestimmen einer Position eines ersten Sensors der Prozessautomatisierung. In einem ersten Schritt 502 wird ein Signal-Empfangswert eines zweiten Sensorsignals eines zweiten Sensors und ein dritter Signal-Empfangswert eines Sensorsignals eines dritten Sensors detektiert. In einem zweiten Schritt 504 wird die zweite Signalstärke zu einer zweiten Entfernung zu dem zweiten Sensor in Beziehung gesetzt und die dritte Signalstärke zu einer dritten Entfernung zu dem dritten Sensor in Beziehung gesetzt. In einem dritten Schritt 506 wird eine erste Entfernung zwischen dem zweiten und dem dritten Sensor beispielsweise von einem weiteren Sensor empfangen. In einem vierten Schritt 508 wird eine relative Position aus der ersten, zweiten und dritten Entfernung ermittelt, oder alternativ zum Ermitteln seiner relativen Position, d.h. relativ bezüglich des zweiten und dritten Sensors, zumindest die Entfernungen zum zweiten und zum dritten Sensor an eine Prozessierungseinheit gesendet. Es ist auch eine andere Reihenfolge möglich. Das Empfangen von GNSS-Daten und das Empfangen einer Entfernung bzw. der Entfernungsdaten kann beispielsweise gleichzeitig erfolgen.
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Die Berechnung der Positionen kann auf verschiedene Art und Weisen vorgenommen werden, die hier nicht alle genannt werden können. Es können auch Koordinatentransformationen vorgenommen werden oder dreidimensionale Positionen berechnet werden, welches hier nicht explizit beschrieben wurde.
