DE102020208411A1 - Method for determining a relative position P and system - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Verfahren (10) zur Ermittlung einer relativen Position P eines ersten Gegenstands (100, 100a, 100b) bezüglich zumindest eines Referenzgegenstands (200, 200a, 200b) umfasst:- Erzeugen zumindest dreier gerichteter Magnetfelder mit unterscheidbaren Modulationsfrequenzen mittels einer dem Referenzgegenstand (200, 200a, 200b) zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung (202), wobei die Magnetfelderzeugungsvorrichtung (202) zumindest drei Emitterspulen umfasst, die wechselweise eine definierte Anordnung zueinander aufweisen,- Erfassen von Magnetfeldstärken und Modulationsfrequenzen der Magnetfelder mittels einer Magnetfelderfassungsvorrichtung (112, 112a)des ersten Gegenstands (100, 100a, 100b),- Ermitteln der relativen Position P des ersten Gegenstands (100, 100a, 100b) bezüglich des zumindest einen Referenzgegenstands (200, 200a, 200b) mittels einer Auswertevorrichtung (302) aus den erfassten, über die erfassten Modulationsfrequenzen den gerichteten Magnetfeldern zuordenbaren Magnetfeldstärken.Ferner wird ein System umfassend einen ersten Gegenstand, zumindest einen Referenzgegenstand (200, 200a, 200b) sowie eine Auswertevorrichtung (302) vorgeschlagen, wobei das System dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren (10) auszuführen.The method (10) according to the invention for determining a relative position P of a first object (100, 100a, 100b) with respect to at least one reference object (200, 200a, 200b) comprises: - Generating at least three directional magnetic fields with distinguishable modulation frequencies by means of a reference object (200 , 200a, 200b) associated magnetic field generating device (202), wherein the magnetic field generating device (202) comprises at least three emitter coils which alternately have a defined arrangement relative to one another,- detecting magnetic field strengths and modulation frequencies of the magnetic fields by means of a magnetic field detecting device (112, 112a) of the first object ( 100, 100a, 100b), - determining the relative position P of the first object (100, 100a, 100b) with respect to the at least one reference object (200, 200a, 200b) by means of an evaluation device (302) from the detected modulation frequencies directed magnetic fields possible magnetic field strengths. A system comprising a first object, at least one reference object (200, 200a, 200b) and an evaluation device (302) is also proposed, the system being set up to carry out the method (10) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer relativen Position P eines ersten Gegenstands bezüglich zumindest eines Referenzgegenstands. Ferner betrifft die Erfindung ein System umfassend einen ersten Gegenstand, zumindest einen Referenzgegenstand sowie eine Auswertevorrichtung, wobei das System dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The invention relates to a method for determining a relative position P of a first object in relation to at least one reference object. Furthermore, the invention relates to a system comprising a first object, at least one reference object and an evaluation device, the system being set up to carry out the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Die präzise Positionsbestimmung von Gegenständen, insbesondere von autonom agierenden Systemen wie beispielsweise Drohnen oder Robotern, ist herausfordernd. Zu den wesentlichen Kriterien zählen dabei eine hohe Präzision in der Ermittlung des Ortes, meist in x-, y- und z-Koordinaten, und der Ausrichtung des Gegenstands. Darüber hinaus spielen Kosten, Baugröße und Leistungsverbrauch von Systemkomponenten eine wichtige Rolle in der Umsetzung von derartigen Systemen. Beispielsweise werden für Rasenmähroboter Genauigkeiten von weniger als 5 cm in einer Fläche von 20 m Radius benötigt, um künftig auf eine Installation eines Begrenzungsdrahtes als Mittel zur Positionsbestimmung, vgl.
Kostengünstige satellitenbasierte Navigationssysteme ermöglichen Positioniergenauigkeiten von wenigen Metern bis unter 50 cm (im Idealfall mit Referenzsignalen bis unter 2 cm), abhängig von einer Einsatzumgebung des Systems. Dabei ist die Anwendung auf Außenbereiche begrenzt. Radar-, Video- oder Lidarbasierte Positionierungssysteme, die durch Auswertung von aus der Umgebung erfassten Informationen eine Positionsbestimmung zulassen, benötigen entweder teure Sensorsysteme und/oder hohe Anforderungen an eine Rechenleistung innerhalb des Systems.Inexpensive satellite-based navigation systems enable positioning accuracies of a few meters to less than 50 cm (ideally with reference signals of less than 2 cm), depending on the environment in which the system is used. The application is limited to outdoor areas. Radar, video or lidar-based positioning systems, which allow position determination by evaluating information captured from the environment, require either expensive sensor systems and/or high demands on computing power within the system.
Eine vergleichsweise einfache Alternative zu derartigen Positionierungssystemen bilden Systeme, die unter Verwendung von Magnetfeldern eine relative Position, d.h. insbesondere eine Lage und/oder eine Ausrichtung, eines Gegenstands bezüglich eines Magnetfeldsenders ermittelbar machen. Derartige Systeme sind beispielsweise bekannt aus
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer relativen Position P eines ersten Gegenstands bezüglich zumindest eines Referenzgegenstands vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst:
- - Erzeugen zumindest dreier gerichteter Magnetfelder B1, B2, B3 mit unterscheidbaren Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 mittels einer dem Referenzgegenstand zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung, wobei die Magnetfelderzeugungsvorrichtung zumindest drei Emitterspulen Tx1, Tx2, Tx3 umfasst, die wechselweise eine definierte Anordnung zueinander aufweisen,
- - Erfassen von Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| und Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 mittels einer Magnetfelderfassungsvorrichtung des ersten Gegenstands,
- - Ermitteln der relativen Position P des ersten Gegenstands bezüglich des zumindest einen Referenzgegenstands mittels einer Auswertevorrichtung aus den erfassten, über die erfassten Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 den gerichteten Magnetfeldern B1, B2, B3 zuordenbaren Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)|.
- - generating at least three directional magnetic fields B1, B2, B3 with distinguishable modulation frequencies f1, f2, f3 by means of a magnetic field generating device assigned to the reference object, wherein the magnetic field generating device comprises at least three emitter coils Tx1, Tx2, Tx3, which alternately have a defined arrangement in relation to one another,
- - Detection of magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| and modulation frequencies f1, f2, f3 of the magnetic fields B1, B2, B3 by means of a magnetic field detection device of the first object,
- - Determining the relative position P of the first object with respect to the at least one reference object by means of an evaluation device from the detected magnetic field strengths |Bx(P)|, |By( P)|, |Bz(P)|.
Dabei stellen die erfassten Magentfeldstärken in ausführlicher Schreibweise zu jedem Magnetfeld B1, B2, B3 ermittelte Magnetfeldkomponenten |Bx1,2,3(P)|, |By1,2,3 (P)|, |Bz1,2,3 (P)| dar.The recorded magnetic field strengths in detailed notation represent magnetic field components |Bx 1,2,3 (P)|, |By 1,2,3 (P)|, |Bz 1,2,3 ( P)| represent.
Die relative Position P des ersten Gegenstands bezüglich des zumindest einen Referenzgegenstands betrifft dessen relative Lage, beispielsweise angegeben durch drei Koordinaten x, y und z bezüglich dreier insbesondere orthogonaler Koordinatenachsen X, Y, Z, und/oder dessen relative Ausrichtung, beispielsweise angegeben durch drei Drehwinkel φ, θ, ρ, insbesondere um diese drei Achsen X, Y, Z.The relative position P of the first object with respect to the at least one reference object relates to its relative location, for example specified by three coordinates x, y and z with respect to three in particular orthogonal coordinate axes X, Y, Z, and/or its relative alignment, for example specified by three angles of rotation φ, θ, ρ, especially around these three axes X, Y, Z.
Die relative Position wird dabei aus der Erfassung von Magnetfeldern B1, B2, B3, die von einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung erzeugt und ausgesandt werden, abgeleitet. Unter einem Magnetfeld ist dabei insbesondere ein elektromagnetisches Wechselfeld zu verstehen, wobei in dieser Schrift auf den Anteil des elektrischen Wechselfelds nicht eingegangen wird. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung dient dabei der Erzeugung zumindest dreier gerichteter Magnetfelder B1, B2, B3, die allesamt an jedem Punkt im Raum wirken. Hierzu umfasst die Magnetfelderzeugungsvorrichtung alle zur Erzeugung und Aussendung der Magnetfelder benötigten Komponenten wie beispielsweise eine Steuervorrichtung, einen Signalgenerator, eine Energieversorgung etc.The relative position is derived from the detection of magnetic fields B1, B2, B3, which are generated and emitted by a magnetic field generating device. A magnetic field is to be understood in particular as an electromagnetic alternating field, with the proportion of the electrical alternating field not being discussed in this document. The magnetic field generating device serves to generate at least three directional magnetic fields B1, B2, B3, all of which act at every point in space. For this purpose, the magnetic field generating device includes all components required for generating and emitting the magnetic fields, such as a control device, a signal generator, a power supply, etc.
Die Magnetfelder können sich, insbesondere bei paralleler Erzeugung, in Richtung und Magnetfeldstärke überlagern, sodass ein sich aus den zumindest drei Magnetfeldern B1, B2, B3 zusammensetzendes dreidimensionales Magnetfeld zumindest in einer Umgebung der Magnetfelderzeugungsvorrichtung erzeugt wird. Alternativ können die Magnetfelder sequentiell erzeugt werden, sodass an jedem Punkt im Raum zu einem Zeitpunkt stets nur ein Magnetfeld B1 oder B2 oder B3 wirkt. Derart ist es möglich, mit einer höheren Sendeleistung eines jeden einzeln emittierten Magnetfelds eine höhere Reichweite einer ermittelbaren Position zu erreichen, wobei gleichzeitig Grenzwerte in einer Emissionsleistung geringgehalten werden können.The magnetic fields can, in particular when generated in parallel, overlap in direction and magnetic field strength, so that a three-dimensional magnetic field composed of the at least three magnetic fields B1, B2, B3 is generated at least in an environment of the magnetic field generating device. Alternatively, the magnetic fields can be generated sequentially, so that only one magnetic field B1 or B2 or B3 acts at any point in space at a time. In this way it is possible to achieve a greater range of a position that can be determined with a higher transmission power of each individually emitted magnetic field, while at the same time limiting values in an emission power can be kept low.
Die Erzeugung der Magnetfelder B1, B2, B3 erfolgt mittels zumindest drei Emitterspulen Tx1, Tx2, Tx3, die wechselweise eine definierte Anordnung zueinander aufweisen. Als Emitterspulen sind beispielsweise RF-Spulen denkbar. Insbesondere sind die drei Emitterspulen Tx1, Tx2, Tx3 jeweils wechselseitig orthogonal ausgerichtet, sodass auch die mittels der Emitterspulen Tx1, Tx2, Tx3 erzeugten Magnetfelder B1, B2, B3 wechselseitig orthogonal ausgerichtet sind (d.h. eine wechselseitig orthogonal angeordnete Ausprägung, beispielsweise Symmetrie, oder Gestalt aufweisen). Alternativ können andere Winkel zwischen den Emitterspulen Tx1, Tx2, Tx3 gewählt werden. Durch die feste Beziehung der Magnetfelder B1, B2, B3 zueinander lassen sich die Magnetfelder B1, B2, B3 als gerichtet verstehen, d.h. es liegt kein grundsätzlich zufälliger Verlauf der Magnetfelder B1, B2, B3 vor (von einem Einfluss von Störfeldern abgesehen, s.u.). Die Magnetfelder B1, B2, B3 lassen sich mit Magnetfeldvektoren mit jeweiligen Komponenten in x-, y- und z-Richtung beschreiben, d.h. |B1xyz|, |B2xyz|, |B3xyz|. In vorliegendem Verfahren wird der Magnetfeldvektor an einem gegenbenen Punkt im Raum getrennt für das Feld der Tx1-, Tx2- und Tx3-Emitterspule ausgewertet.The magnetic fields B1, B2, B3 are generated by means of at least three emitter coils Tx1, Tx2, Tx3, which alternately have a defined arrangement with respect to one another. RF coils, for example, are conceivable as emitter coils. In particular, the three emitter coils Tx1, Tx2, Tx3 are mutually orthogonally aligned, so that the magnetic fields B1, B2, B3 generated by the emitter coils Tx1, Tx2, Tx3 are also mutually orthogonally aligned (ie a mutually orthogonally arranged characteristic, for example symmetry, or shape exhibit). Alternatively, other angles between the emitter coils Tx1, Tx2, Tx3 can be chosen. Due to the fixed relationship between the magnetic fields B1, B2, B3, the magnetic fields B1, B2, B3 can be understood as directed, i.e. there is no fundamentally random course of the magnetic fields B1, B2, B3 (apart from the influence of interference fields, see below) . The magnetic fields B1, B2, B3 can be described with magnetic field vectors with respective components in the x, y and z directions, ie |B1 xyz |, |B2 xyz |, |B3 xyz |. In the present method, the magnetic field vector at a given point in space is evaluated separately for the field of the Tx1, Tx2 and Tx3 emitter coil.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position wird ein Sendepegel bei der Erzeugung der Magnetfelder B1, B2, B3 abhängig von einer von der Magnetfelderfassungsvorrichtung an einem Punkt im Raum erfassten Magnetfeldstärke |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| eines jeden Magnetfelds B1, B2 und B3 gesteuert, insbesondere geregelt. Auf diese Weise ist eine situative Erfassung der Magnetfeldstärke zur Anpassung der Sendeleistung der Magnetfelder B1, B2, B3 nutzbar. Dazu kann der erste Gegenstand beispielsweise eine Kommunikationsvorrichtung zur Realisierung einer, insbesondere kabellosen, Kommunikationsverbindung mit einer Kommunikationsvorrichtung des Referenzgegenstands umfassen, wobei die Steuerung über die Kommunikationsverbindung ermöglicht wird. Ferner kann eine grobe Abstandsmessung bereits durch Auswerten eines Empfangspegels der Kommunikationsverbindung erfolgen. Ferner kann eine Anpassung der Sendeleistung auch auf Grundlage von Informationen, die mittels weiterer Sensorik situativ erfasst werden, durchgeführt werden. Beispielsweise kann mittels eines Radars und/oder mittels kamerabasierter Sensorik eine Information über eine Umgebung, insbesondere über einen Abstand, des ersten Gegenstands und des Referenzgegenstands erfasst werden, auf deren Grundlage die Sendeleistung situationsabhängig angepasst wird. Derart ist es beispielsweise möglich, einen Sendepegel möglichst niedrig, beispielsweise nur 10 dB über einem Rauschen der Magnetfelderfassungsvorrichtung, zu betreiben und auf diese Weise Energie und Störpotential zu minimieren.In one embodiment of the method for determining a relative position, a transmission level when generating the magnetic fields B1, B2, B3 is dependent on a magnetic field strength |Bx(P)|, |By(P)|, detected by the magnetic field detection device at a point in space. |Bz(P)| controlled, in particular regulated, of each magnetic field B1, B2 and B3. In this way, situational detection of the magnetic field strength can be used to adapt the transmission power of the magnetic fields B1, B2, B3. For this purpose, the first object can comprise, for example, a communication device for realizing a, in particular wireless, communication connection with a communication device of the reference object, the control being made possible via the communication connection. Furthermore, a rough distance measurement can already take place by evaluating a reception level of the communication link. Furthermore, the transmission power can also be adjusted on the basis of information that is situationally detected by means of additional sensors. For example, information about an environment, in particular about a distance, of the first object and the reference object can be detected using a radar and/or using camera-based sensors, on the basis of which the transmission power is adapted depending on the situation. In this way it is possible, for example, to operate a transmission level as low as possible, for example only 10 dB above the noise of the magnetic field detection device, and in this way to minimize energy and the potential for interference.
Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, die Magnetfelder B1, B2, B3 mit unterscheidbaren Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 zu erzeugen, insbesondere mittels der Emitterspulen Tx1, Tx2, Tx3 zu emittieren. Die Modulationsfrequenzen bezeichnen dabei Frequenzen von, insbesondere niederfrequenten, Signalen, die auf die Magnetfelder B1, B2, B3 jeweils aufmoduliert werden. Insbesondere bewirkt die Modulation, dass ein jeweiliges Magnetfeld in dessen Intensität (Magnetfeldstärke) variiert, insbesondere zwischen „An“ und „Aus“ variiert. Dabei unterscheiden sich die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 jeweils. Wird das Magnetfeld B1 beispielsweise über einen Zeitraum von einer Sekunde emittiert, so kann dieses Magnetfeld Träger eines Modulationssignals f1 sein, das während der Emission des Magnetfelds B1 mit dessen Emission ausgesendet wird. Eine hinreichende Unterscheidbarkeit der Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 ist dabei durch ein Auflösungsvermögen eines Empfängers, hier der Magnetfelderfassungsvorrichtung, bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist die Modulationsfrequenz f1, f2, f3 der Magnetfelder größer als 30 kHz und/oder kleiner als 150 kHz. Insbesondere erlauben derart eingeschränkte Modulationsfrequenzen, Einflüsse vom Erdmagnetfeld und/oder von Störsignalen, beispielsweise aus dem Rundfunkspektrum, zu vermeiden.The magnetic field generating device is set up to generate the magnetic fields B1, B2, B3 with distinguishable modulation frequencies f1, f2, f3, in particular to emit them by means of the emitter coils Tx1, Tx2, Tx3. The modulation frequencies refer to frequencies of, in particular, low-frequency signals that are modulated onto the magnetic fields B1, B2, B3. In particular, the modulation causes the intensity (magnetic field strength) of a respective magnetic field to vary, in particular to vary between “on” and “off”. The modulation frequencies f1, f2, f3 differ in each case. If the magnetic field B1 is emitted over a period of one second, for example, then this magnetic field can be the carrier of a modulation signal f1, which is emitted during the emission of the magnetic field B1 with its emission. Sufficient differentiation of the modulation frequencies f1, f2, f3 is determined by the resolution of a receiver, here the magnetic field detection device. In an exemplary embodiment of the method, the modulation frequency f1, f2, f3 of the magnetic fields is greater than 30 kHz and/or less than 150 kHz. In particular, modulation frequencies restricted in this way allow influences from the earth's magnetic field and/or interference signals, for example from the radio spectrum, to be avoided.
Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung ist dem Referenzgegenstand zugeordnet, d.h. sie weist eine feste örtliche Beziehung zu diesem auf. Derart kann realisiert werden, dass eine relative Position P, die bezüglich der Magnetfelderzeugungsvorrichtung ermittelt wird, in eine relative Position bezüglich des Referenzgegenstands zumindest umrechenbar ist. In einer Ausführungsform ist die Magnetfelderzeugungsvorrichtung als ein Bestandteil des Referenzgegenstands ausgebildet und derart ortsfest mit diesem verbunden. Insbesondere kann der Referenzgegenstand auch durch die Magnetfelderzeugungsvorrichtung realisiert sein.The magnetic field generating device is assigned to the reference object, i.e. it has a fixed spatial relationship to it. In this way it can be realized that a relative position P, which is determined with respect to the magnetic field generating device, can at least be converted into a relative position with respect to the reference object. In one embodiment, the magnetic field generating device is designed as a component part of the reference object and is thus stationarily connected to it. In particular, the reference object can also be realized by the magnetic field generating device.
Die an einem Punkt im Raum wirkenden Magnetfelder B1, B2, B3 werden mittels der Magnetfelderfassungsvorrichtung erfasst. Die Magnetfelderfassungsvorrichtung ist dem ersten Gegenstand zugeordnet, insbesondere in diesen integriert oder stellt diesen ersten Gegenstand dar. Die Magnetfelderfassungsvorrichtung dient der Erfassung der zumindest drei gerichteten Magnetfelder B1, B2, B3 am Ort der Magnetfelderfassungsvorrichtung. Dabei ist die Magnetfelderfassungsvorrichtung dazu eingerichtet, die wirkenden Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| - oder die wirkenden Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| und zugehörige Magnetfeldrichtungen (beispielsweise mittels eines Vektormagnetometers) - sowie die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 zu detektieren. Mittels der erfassten Modulationsfrequenz f1, f2 oder f3 kann eine erfasste Magnetfeldstärke eindeutig einem von der Magnetfelderzeugungsvorrichtung emittierten Magnetfeld B1, B2 bzw. B3 zugeordnet werden. Derart können die an einem Punkt im Raum wirkenden Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| eines jeden Magnetfelds B1, B2 und B3 voneinander unterschieden werden und derart getrennt ausgewertet werden (auch bezeichenbar als |B1x,y,z|, |B2x,y,z|, |B3x,y,z|). Anhand der auf diese Weise erfassbaren neun Messwerte kann die relative Position P im emittierten Magnetfeld B1, B2, B3 - d.h. relativ zur Magnetfelderzeugungsvorrichtung und damit relativ zum Referenzgegenstand - bestimmt werden (über ein überbestimmtes Gleichungssystem). Zur genauen Ableitung der Position aus den erfassten Magnetfeldstärken sei auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.The magnetic fields B1, B2, B3 acting at a point in space are detected by the magnetic field detection device. The magnetic field detection device is assigned to the first object, in particular integrated into it or represents this first object The detection device is used to detect the at least three directional magnetic fields B1, B2, B3 at the location of the magnetic field detection device. The magnetic field detection device is set up to detect the effective magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| - or the effective magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| and associated magnetic field directions (for example by means of a vector magnetometer) - and to detect the modulation frequencies f1, f2, f3 of the magnetic fields B1, B2, B3. Using the detected modulation frequency f1, f2 or f3, a detected magnetic field strength can be unambiguously assigned to a magnetic field B1, B2 or B3 emitted by the magnetic field generating device. In this way, the magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| of each magnetic field B1, B2 and B3 are differentiated from one another and evaluated separately in this way (also denoted as |B1 x,y,z |, |B2 x,y,z |, |B3 x,y,z |). The relative position P in the emitted magnetic field B1, B2, B3—ie relative to the magnetic field generating device and thus relative to the reference object—can be determined (via an overdetermined system of equations) on the basis of the nine measured values that can be recorded in this way. For the precise derivation of the position from the detected magnetic field strengths, reference is made to the prior art cited at the outset.
Die Magnetfelderfassungsvorrichtung umfasst alle zur signaltechnischen Erfassung der wirkenden Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| und Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 benötigten Komponenten, beispielsweise eine Steuervorrichtung, eine elektrische Empfangsschaltung, eine Energieversorgung etc. In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung zumindest einen Magnetfeldsensor, insbesondere drei Magnetfeldsensoren, aus einer Liste von Magnetfeldsensoren, wobei die Liste zumindest Quantensensoren, TMR-Sensoren, GMR-Sensoren, Empfangsspulen (beispielsweise Pickup-Spulen), Fluxgate-Sensoren und Hall-Sensoren umfasst. Ein derartiger Magnetfeldsensor ist geeignet, wirkende Magnetfeldstärken - ggf. auch wirkenden Magnetfeldstärken und zugehörige Magnetfeldrichtungen - sowie Modulationsfrequenzen von Magnetfeldern zu detektieren. Dabei umfasst die Erfassung einer Magnetfeldstärke begrifflich auch die Erfassung einer magnetischen Flussdichte, d.h. der Signalamplitude eines Magnetfeldsensors.The magnetic field detection device includes all of the signals for detecting the effective magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| and modulation frequencies f1, f2, f3 required components, for example a control device, an electrical receiving circuit, a power supply, etc. In one embodiment of the method for determining a relative position, the magnetic field detection device comprises at least one magnetic field sensor, in particular three magnetic field sensors, from a list of magnetic field sensors, where the list includes at least quantum sensors, TMR sensors, GMR sensors, receiving coils (e.g. pickup coils), fluxgate sensors and Hall sensors. Such a magnetic field sensor is suitable for detecting effective magnetic field strengths—possibly also effective magnetic field strengths and associated magnetic field directions—as well as modulation frequencies of magnetic fields. The detection of a magnetic field strength conceptually also includes the detection of a magnetic flux density, i.e. the signal amplitude of a magnetic field sensor.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung zumindest einen Magnetfeldsensor, der als ein farbzentrenbasierter Magnetfeldsensor, insbesondere als ein Quantensensor basierend auf Farbzentren (Stickstoff-Fehlstellen) in Diamant, realisiert ist. Insbesondere farbzentrenbasierte Magnetfeldsensoren, wie sie prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt sind (beispielsweise aus
In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Magnetfelderfassungsvorrichtung drei Magnetfeldsensoren beschriebener Art auf, die wechselweise eine definierte, insbesondere orthogonale, Anordnung und folglich eine wechselweise definiert zueinander ausgerichtete, insbesondere orthogonal zueinander ausgerichtete, Sensitivität aufweisen. Ein jeweiliger Magnetfeldsensor erfasst die wirkenden Magnetfeldstärken |Bx(P)| bzw. |By(P)| bzw. |Bz(P)| und die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3.In one embodiment of the method, the magnetic field detection device has three magnetic field sensors of the type described, which alternately have a defined, in particular orthogonal, arrangement and consequently an alternately defined, in particular orthogonally aligned, sensitivity to one another. A respective magnetic field sensor detects the effective magnetic field strengths |Bx(P)| or |By(P)| or |Bz(P)| and the modulation frequencies f1, f2, f3 of the magnetic fields B1, B2, B3.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position umfasst die Magnetfelderfassungsvorrichtung zumindest einen Magnetfeldsensor, der als Empfängerspule, insbesondere RF-Spule, realisiert ist. Auf besonders einfache Weise kann das Verfahren realisiert werden unter Verwendung einer Magnetfelderfassungsvorrichtung, die zumindest drei Empfängerspulen, insbesondere RF-Spulen, umfasst. Dabei weisen die drei Empfängerspulen wechselweise eine definierte Anordnung zueinander, insbesondere eine wechselweise orthogonale Anordnung zueinander, auf. Jede der drei Empfängerspulen - bezeichnet mit Rx, Ry, Rz - erfasst die wirkenden Magnetfeldstärken der Magnetfelder B1, B2, B3 und deren Modulationsfrequenzen f1, f2, f3.In one embodiment of the method for determining a relative position, the magnetic field detection device comprises at least one magnetic field sensor, which is implemented as a receiver coil, in particular an RF coil. The method can be implemented in a particularly simple manner using a magnetic field detection device that includes at least three receiver coils, in particular RF coils. The three receiver coils alternately have a defined arrangement relative to one another, in particular an alternately orthogonal arrangement relative to one another. Each of the three receiver coils - labeled Rx, Ry, Rz - detects the effective magnetic field strengths of the magnetic fields B1, B2, B3 and their modulation frequencies f1, f2, f3.
In einer Ausführungsform des Verfahrens, insbesondere zur Anwendung in einem häuslichen Innenbereich, wird zumindest eine Spule eines Induktionskochfelds und/oder zumindest eine Spule einer Induktivladestation als zumindest eine Emitterspule Tx1, Tx2, Tx3 der Magnetfelderzeugungsvorrichtung verwendet. Dabei wird eine - im ersten Fall unterhalb der Kochfläche des Induktionskochfelds befindliche - Spule derart betrieben, dass ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt und emittiert wird. Insbesondere ist dabei denkbar, dass ein Einschalten und/oder Ausschalten und/oder eine Konfiguration eines Betriebs (beispielsweise hinsichtlich Magnetfeldstärke oder Modulationsfrequenz) der Spule unter Verwendung einer die Spule betreibenden Steuervorrichtung erfolgt. Insbesondere ist denkbar, dass dazu die Steuervorrichtung, insbesondere des Herds bzw. der Induktivladestation, mit dem Referenzgegenstand über eine Kommunikationsschnittstelle kommuniziert. Insbesondere eignet sich diese Ausführungsform für im häuslichen Innenbereich verwendete Roboter, beispielsweise Staubsaugroboter oder dergleichen. Auf diese Weise kann auf bereits bestehende Komponenten zurückgegriffen werden, sodass das Verfahren mit weniger gesondert benötigten Emitterspulen betrieben werden kann.In one embodiment of the method, in particular for use in domestic interiors, at least one coil of an induction hob and/or at least one coil of an inductive charging station is used as at least one emitter coil Tx1, Tx2, Tx3 of the magnetic field generating device. In this case, a coil—located below the cooking surface of the induction hob in the first case—is operated in such a way that a corresponding magnetic field is generated and emitted. In particular, it is conceivable that switching on and/or switching off and/or configuring an operation (for example with regard to magnetic field strength or modulation frequency) of the coil takes place using a control device that operates the coil. In particular, it is conceivable that for this purpose the control device, in particular of the cooker or the inductive charging station, communicates with the reference object via a communication interface. In particular, this embodiment is suitable for robots used indoors at home, for example robot vacuum cleaners or the like. In this way, already existing components can be used, so that the method can be operated with fewer separately required emitter coils.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position wird mittels zumindest einer Emitterspule Tx1, Tx2, Tx3 der Magnetfelderzeugungsvorrichtung ein Energiespeicher des ersten Gegenstands, zumindest zeitweise, induktiv geladen. Derart lässt sich eine weitere Funktionalität basierend auf zumindest einer Emitterspule des Systems bereitstellen. In einem Ausführungsbeispiel kann der Referenzgegenstand als eine Art Docking-Station für den ersten Gegenstand realisiert sein, wobei der erste Gegenstand induktiv durch eine Emitterspule des Referenzgegenstands geladen wird, sobald er sich in der Docking-Station befindet.In one embodiment of the method for determining a relative position, an energy store of the first object is inductively charged, at least temporarily, by means of at least one emitter coil Tx1, Tx2, Tx3 of the magnetic field generating device. In this way, a further functionality based on at least one emitter coil of the system can be provided. In one embodiment, the reference object can be implemented as a kind of docking station for the first object, with the first object being inductively charged by an emitter coil of the reference object as soon as it is in the docking station.
Die relative Position P des ersten Gegenstands bezüglich des zumindest einen Referenzgegenstands wird unter Verwendung einer Auswertevorrichtung aus den erfassten, über die erfassten Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 den gerichteten Magnetfeldern B1, B2, B3 zuordenbaren Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)|, ermittelt. Die Auswertevorrichtung ist zur Durchführung der entsprechenden Verfahrensschritte der Ermittlung der relativen Position speziell eingerichtet. Entsprechende Verfahrensschritte können dabei, zumindest teilweise, in Form von Software, insbesondere in Form eines computerimplementierten Verfahrens, oder in einer Mischung aus Software und Hardware realisiert sein. Beispielsweise kann die Auswertevorrichtung in Form einer elektrischen Schaltung realisiert sein und insbesondere einen Bandpassfilter und/oder einen Verstärker umfassen. Insbesondere umfasst die Auswertevorrichtung eine Prozessorvorrichtung zur Durchführung entsprechender Verfahrensschritte. Es ist denkbar, die Auswertevorrichtung dem ersten Gegenstand zugeordnet, dem Referenzgegenstand zugeordnet oder auch getrennt von diesen, beispielsweise in einer Cloud, einem separaten Computer oder dergleichen, zu realisieren. Dabei kann die Auswertevorrichtung eine Steuerelektronik aufweisen, die insbesondere auch Mittel zur Kommunikation mit anderen Komponenten, beispielsweise der Magnetfelderfassungsvorrichtung, der Magnetfelderzeugungsvorrichtung etc., umfasst. Ferner kann die Prozessorvorrichtung zumindest auf eine Speichervorrichtung zurückgreifen, in der Algorithmen, zumindest teilweise, als maschinenlesbares Computerprogramm hinterlegt sind. Das Computerprogramm enthält Anweisungen, die bei Ausführung durch die Prozessorvorrichtung der Auswertevorrichtung die Prozessorvorrichtung veranlassen, die relative Position P des ersten Gegenstands bezüglich des zumindest einen Referenzgegenstands aus den erfassten Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| zu ermitteln.The relative position P of the first object with respect to the at least one reference object is determined using an evaluation device from the detected magnetic field strengths |Bx(P)|, |By( P)|, |Bz(P)|, determined. The evaluation device is specially set up to carry out the corresponding method steps for determining the relative position. Corresponding method steps can be implemented, at least in part, in the form of software, in particular in the form of a computer-implemented method, or in a mixture of software and hardware. For example, the evaluation device can be implemented in the form of an electrical circuit and, in particular, can include a bandpass filter and/or an amplifier. In particular, the evaluation device includes a processor device for carrying out corresponding method steps. It is conceivable for the evaluation device to be assigned to the first object, to the reference object or also to be implemented separately from these, for example in a cloud, on a separate computer or the like. In this case, the evaluation device can have control electronics, which in particular also includes means for communication with other components, for example the magnetic field detection device, the magnetic field generating device, etc. Furthermore, the processor device can access at least one memory device in which algorithms are stored, at least in part, as a machine-readable computer program. The computer program contains instructions which, when executed by the processor device of the evaluation device, cause the processor device to determine the relative position P of the first object with respect to the at least one reference object from the detected magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz( P)| to determine.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position werden in einem weiteren Verfahrensschritt die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 von der Magnetfelderzeugungsvorrichtung zur Magnetfelderfassungsvorrichtung und/oder zur Auswertevorrichtung übermittelt, wobei die übermittelten Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 zur Verbesserung eines Signal-Rausch-Verhältnisses beim Ermitteln der relativen Position P verwendet werden. Beispielsweise können die übermittelten Modulationsfrequenzen zur präziseren Erfassung der Modulationsfrequenzen, insbesondere zur Ermittlung der Modulationsfrequenzen aus einem zeitlichen Verlauf der erfassten Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)|, verwendet werden. Insbesondere kann eine Kenntnis der Phasenbeziehung zwischen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung (d.h. der Emitterspulen Tx1, Tx2, Tx3) und der Magnetfelderfassungsvorrichtung zur Verbesserung einer Genauigkeit bei der Durchführung des Verfahrens, insbesondere bei der Ermittlung der relativen Position, genutzt werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position werden die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 mittels einer Funkverbindung übermittelt. Beispielsweise eigenen sich für die Funkverbindung eine LoRa-, eine WLAN-, eine Bluetooth-Funkverbindung oder dergleichen. In einem Ausführungsbeispiel können die Modulationsfrequenzen im Bereich von 30 kHz liegen, während eine Übermittlung der Modulationsfrequenzen f1, f2, f3, insbesondere eine Synchronisation mit den Modulationsfrequenzen f1, f2, f3, durch eine Funkverbindung - insbesondere als Trägersignal - erfolgt, die ein 30 MHz Signal aufweist. Über die Funkverbindung kann alternativ oder zusätzlich ein Synchronisationsimpuls und/oder ein Vielfaches der Frequenzen f1, f2, f3 übertragen werden.In one embodiment of the method for determining a relative position, the modulation frequencies f1, f2, f3 are transmitted from the magnetic field generating device to the magnetic field detection device and/or to the evaluation device in a further method step, with the transmitted modulation frequencies f1, f2, f3 being used to improve a signal-to-noise Ratio when determining the relative position P are used. For example, the transmitted modulation frequencies can be used for more precise detection of the modulation frequencies, in particular for determining the modulation frequencies from a time profile of the detected magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)|. In particular, knowledge of the phase relationship between the magnetic field generation device (ie the emitter coils Tx1, Tx2, Tx3) and the magnetic field detection device can be used to improve accuracy when carrying out the method, in particular when determining the relative position. In one embodiment of the method for determining a relative position, the modulation frequencies f1, f2, f3 are transmitted using a radio link. For example, a LoRa, a WLAN, a Bluetooth radio connection or the like are suitable for the radio connection. In one embodiment, the modulation frequencies can be in the range of 30 kHz, while the modulation frequencies f1, f2, f3, in particular synchronization with the modulation frequencies f1, f2, f3, are transmitted by a radio link - in particular as a carrier signal - that has a 30 MHz signal. Alternatively or additionally, via the radio link Synchronization pulse and / or a multiple of the frequencies f1, f2, f3 are transmitted.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position werden die übermittelten Modulationsfrequenzen als Referenzsignal eines Lock-in-Verstärkers der Magnetfelderfassungsvorrichtung und/oder der Auswertevorrichtung verwendet. Auf diese Weise kann selbst bei großen Abständen zwischen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung und der Magnetfelderfassungsvorrichtung, die ein schlechtes Signal-zu-Rauschverhältnis bedingen, mittels der Vorgabe der Frequenzen auf besonders einfache Weise ein jeweiliges erfasstes Magnetfeld B1, B2, B3 über dessen Modulationsfrequenz identifiziert bzw. zugeordnet werden, indem in einem zeitlichen Verlauf der erfassten Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| über den synchronisierten Lockin-Verstärker die entsprechenden Modulationsfrequenzen herausfilterbar und somit detektierbar sind.In one embodiment of the method for determining a relative position, the transmitted modulation frequencies are used as a reference signal of a lock-in amplifier of the magnetic field detection device and/or the evaluation device. In this way, even with large distances between the magnetic field generation device and the magnetic field detection device, which cause a poor signal-to-noise ratio, a respective detected magnetic field B1, B2, B3 can be identified or assigned via its modulation frequency in a particularly simple manner by specifying the frequencies in that the recorded magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| the corresponding modulation frequencies can be filtered out and thus detected via the synchronized lock-in amplifier.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position wird die relative Position P des ersten Gegenstands, insbesondere wahlweise, bezüglich einer Mehrzahl von Referenzgegenständen ermittelt, wobei jeder Referenzgegenstand eine zugeordnete Magnetfelderzeugungsvorrichtung umfasst. Derart kann insbesondere zwischen gerichteten Magnetfeldern B1, B2, B3, die von unterschiedlichen Magnetfelderzeugungsvorrichtungen mit unterscheidbaren Frequenzen erzeugt werden, umgeschaltet werden. Eine Ermittlung einer relativen Position ist bezüglich verschiedener Referenzgegenstände möglich. Für die Magnetfelderzeugungsvorrichtungen der Referenzgegenstände gelten alle Ausführungen, die auch bezüglich der Magnetfelderzeugungsvorrichtung des zumindest einen Referenzgegenstands gemacht wurden. Insbesondere ist denkbar, relative Positionen P parallel oder sukzessiv oder auch als Mittelwert bezüglich mehrerer Referenzen zu ermitteln. Es ist denkbar, die relative Position bezüglich zwei, drei oder mehr Referenzgegenständen zu ermitteln. Beispielsweise kann bei einer Drohne, die dazu vorgesehen ist, Pakete auszuliefern, vorgesehen sein, insbesondere wahlweise, eine relative Position bezüglich des Erdbodens (z.B. bezüglich einer Landeposition) und bezüglich des Pakets, insbesondere einer Oberseite des Pakets, zu ermitteln.In one embodiment of the method for determining a relative position, the relative position P of the first object is determined, in particular optionally, with respect to a plurality of reference objects, each reference object comprising an associated magnetic field generating device. In this way it is possible in particular to switch between directional magnetic fields B1, B2, B3, which are generated by different magnetic field generating devices with different frequencies. A determination of a relative position is possible with regard to different reference objects. All statements made with regard to the magnetic field generating device of the at least one reference object apply to the magnetic field generating devices of the reference objects. In particular, it is conceivable to determine relative positions P in parallel or successively or also as an average with respect to a number of references. It is conceivable to determine the relative position with respect to two, three or more reference objects. For example, in the case of a drone that is intended to deliver packages, it can be provided, in particular optionally, to determine a relative position with respect to the ground (e.g. with regard to a landing position) and with respect to the package, in particular a top side of the package.
Insbesondere lassen sich damit aus den ermittelten relativen Positionen des ersten Gegenstands bezüglich der Mehrzahl von Referenzgegenständen auch die wechselseitigen relativen Positionen der Mehrzahl von Referenzgegenständen untereinander bestimmen (Bestimmung P1 zwischen Referenzgegenstand 1 und erstem Gegenstand, Bestimmung P2 zwischen Referenzgegenstand 2 und erstem Gegenstand, daraus ist P3 (= P1 + P2) zwischen Referenzgegenstand 1 und Referenzgegenstand 2 bestimmbar).In particular, the mutual relative positions of the plurality of reference objects can also be determined from the determined relative positions of the first object with respect to the plurality of reference objects (determination P1 between
In einer alternativen, insbesondere analogen, Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position wird die relative Position P eines Referenzgegenstands, insbesondere wahlweise, bezüglich einer Mehrzahl von ersten Gegenständen ermittelt, wobei jeder Referenzgegenstand eine zugeordnete Magnetfelderzeugungsvorrichtung umfasst und jeder erste Gegenstand eine zugeordnete Magnetfelderfassungsvorrichtung umfasst. In dieser Ausführungsform wird die relative Position P einer Mehrzahl von ersten Gegenständen, insbesondere wahlweise, bezüglich zumindest einem Referenzgegenstand ermittelt. Da es sich lediglich um einen Austausch von Magnetfelderzeugungsvorrichtung und Magnetfelderfassungsvorrichtung handelt, wird diese Ausführungsform als analog betrachtet.In an alternative, in particular analogous, embodiment of the method for determining a relative position, the relative position P of a reference object is determined, in particular selectively, with respect to a plurality of first objects, each reference object comprising an associated magnetic field generating device and each first object comprising an associated magnetic field detection device. In this embodiment, the relative position P of a plurality of first objects is determined, in particular optionally, in relation to at least one reference object. Since the magnetic field generation device and the magnetic field detection device are simply exchanged, this embodiment is considered to be analogous.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position codiert jede Modulationsfrequenz f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 jeweils eine Systeminformation und/oder codieren alle Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 gemeinsam eine Systeminformation. Insbesondere ist denkbar, über die Modulationsfrequenzen weitere Informationen über den Referenzgegenstand und/oder über anderweitige, das System betreffende Eigenschaften (z.B. Ort, Identifikationsnummer oder dergleichen) dem ersten Gegenstand und/oder der Auswertevorrichtung bereitzustellen. Auf diese Weise kann neben der relativen Position zumindest eine weitere Information dem ersten Gegenstand und/oder der Auswertevorrichtung übermittelt und derart bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine Zuordnung bzw. Unterscheidbarkeit von relativen Positionen, die zu unterschiedlichen Referenzgegenständen ermittelt werden, über die Codierung erreicht werden (Codierung beispielsweise über eine jedem Referenzgegenstand zugeordnete ID).In one embodiment of the method for determining a relative position, each modulation frequency f1, f2, f3 of the magnetic fields B1, B2, B3 encodes system information and/or all modulation frequencies f1, f2, f3 jointly encode system information. In particular, it is conceivable to provide the first object and/or the evaluation device with further information about the reference object and/or about other properties relating to the system (e.g. location, identification number or the like) via the modulation frequencies. In this way, in addition to the relative position, at least one piece of additional information can be transmitted to the first object and/or the evaluation device and made available in this way. For example, an assignment or distinguishability of relative positions that are determined for different reference objects can be achieved via the coding (coding, for example, via an ID assigned to each reference object).
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position wird ein Einfluss eines Störfelds erfasst und eine erfasste Magnetfeldstärke |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| mittels der Auswertevorrichtung um den Einfluss des Störfelds korrigiert und/oder der Einfluss des Störfelds durch Steuern und/oder Regeln eines, mittels zumindest einer Kompensationsspule emittierten, elektromagnetischen Überlagerungsfelds beim Erfassen der Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| kompensiert. Auf diese Weise ist es möglich, eine relative Position präziser zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann eine Anforderung an die Empfindlichkeit der Magnetfelderfassungsvorrichtung vorteilhaft reduziert werden. Insbesondere lassen sich derart an dem Ort des ersten Gegenstands befindliche magnetische Störfelder vorteilhaft kompensieren. Insbesondere lassen sich derartige Störfelder mit einer elektrischen Kompensationsschaltung erfassen und kompensieren. Dabei kann die Kompensationsschaltung neben zumindest einer Kompensationsspule ferner Empfangsspulen, Verstärker etc. umfassen. Die Empfangsspule(n) und/oder Kompensationsspule(n) befindet sich dabei möglichst nah an der Magnetfelderfassungsvorrichtung. Ferner ist denkbar, einen zumindest während eines Zeitraums, in dem die Magnetfelder B1, B2, B3 erfasst werden, wirkenden Einfluss zu minimieren, insbesondere zu verhindern, und/oder zu kompensieren und/oder zu messen und später bei einer Auswertung zu kompensieren. Dabei kann eine das Verfahren durchführende Steuervorrichtung und/oder Auswertevorrichtung dazu eingerichtet sein, einen Einfluss zu kompensieren. Das Verfahren kann, zumindest teilweise, in Form von Software oder in einer Mischung aus Software und Hardware realisiert sein. Insbesondere ist denkbar, dass der Einfluss unter Verwendung einer im Wesentlichen zeitlich parallel zur Erfassung der Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| durchgeführten Referenzmessung ermittelt wird. Insbesondere ist denkbar, dass der Einfluss während der Erfassung der Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| in Abhängigkeit des ermittelten Einflusses aktiv kompensiert wird, beispielsweise durch Steuern und/oder Regeln und/oder Anpassen eines elektro-magnetischen Überlagerungsfelds, dass unter Verwendung der zumindest einen Kompensationsspule erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass der Einfluss vermieden und/oder kompensiert wird, indem unter Verwendung der Daten, die zu dem Einfluss eines Störfelds erfasst werden, ein Zeitpunkt ermittelt wird, zu dem der Einfluss verhältnismäßig gering ist, insbesondere vernachlässigbar ist, wobei die Erfassung der Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| zu diesem Zeitpunkt durchgeführt wird.In one embodiment of the method for determining a relative position, an influence of an interference field is detected and a detected magnetic field strength |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| corrected by the evaluation device for the influence of the interference field and/or the influence of the interference field by controlling and/or regulating an electromagnetic superposition field emitted by means of at least one compensation coil when detecting the magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| compensated. In this way it is possible to determine a relative position more precisely. Alternatively or additionally, a requirement for the sensitivity of the magnetic field detection device can advantageously be reduced. In particular, magnetic interference fields located at the location of the first object can be advantageously compensated for in this way. In particular, such interference with an electrical Capture and compensate compensation circuit. In this case, the compensation circuit can also include receiving coils, amplifiers, etc. in addition to at least one compensation coil. The receiving coil(s) and/or compensation coil(s) is/are located as close as possible to the magnetic field detection device. It is also conceivable to minimize, in particular to prevent and/or compensate and/or measure an influence acting at least during a period in which the magnetic fields B1, B2, B3 are detected and to compensate later in an evaluation. A control device and/or evaluation device that carries out the method can be set up to compensate for an influence. The method can be implemented, at least in part, in the form of software or in a mixture of software and hardware. In particular, it is conceivable that the influence can be measured using an essentially temporally parallel detection of the magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| carried out reference measurement is determined. In particular, it is conceivable that the influence during the detection of the magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| is actively compensated as a function of the determined influence, for example by controlling and/or regulating and/or adjusting an electromagnetic superposition field that is generated using the at least one compensation coil. Alternatively or additionally, it is conceivable that the influence is avoided and/or compensated by using the data recorded on the influence of an interference field to determine a point in time at which the influence is relatively small, in particular negligible, with the Detection of the magnetic field strengths |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| carried out at this time.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position werden beim Ermitteln der relativen Position P weitere Positionsdaten, insbesondere weitere Positionsdaten einer weiteren internen und/oder externen Sensorvorrichtung, zur Steigerung der Präzision und/oder zur Ermittlung einer absoluten Position einbezogen. Unter „einbeziehen“ ist dabei insbesondere auch fusionieren oder korrelieren zu verstehen. Die weiteren Positionsdaten können beispielsweise relative oder absolute Positionsdaten darstellen. Relative Positionsdaten können beispielsweise Positionsdaten von Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Odometriedaten oder dergleichen sein. Absolute Positionsdaten können beispielsweise GPS- oder GNSS-Daten sein. Auch lassen sich Radar-, Lidar- oder Videosensoren zur Ermittlung einer Position verwenden. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die weiteren Positionsdaten als absolute Positionsdaten erfasst, wobei die relative Position P relativ zu diesen absoluten Positionsdaten ermittelt wird. Unter Verwendung absoluter Positionsdaten kann somit aus der ermittelten relativen Position eine absolute Position ermittelt werden. Ferner lässt sich mittels einer derartigen Sensorfusion insbesondere eine Plausibilitätsprüfung und/oder Korrektur der relativen Position durchführen und derart die erhaltenen relativen Positionen robuster machen. Ferner ist denkbar, über eine Sensorfusion mit anderen Sensordaten Verzerrungen in den erfassten Magnetfeldern, die sich auf Fehler in der ermittelten relativen Position auswirken, dynamisch zu erkennen. Insbesondere lassen sich durch eine derartige Fusion von Positionsdaten Magnetfeldverzerrungen (beispielsweise durch Störfelder induziert) in den Magnetfeldern B1, B2, B3 detektieren und mit diesem Wissen positionsabhängige Korrekturdaten ableiten und beispielsweise in einer Magnetfeldkarte hinterlegen, die sodann bei einer erneuten oder weiteren Ermittlung der relativen Position berücksichtigt werden. Ferner können solche Fehler beispielsweise über einen Machine-Learning Algorithmus zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit verwendet werden. Dadurch können das Auftreten magnetischer Objekte und damit verbundene Störfelder (Magnetfeldverzerrungen) im laufenden Betrieb des Verfahrens erkannt und das Verfahren zur Ermittlung einer relativen Position dynamisch korrigiert werden. Insbesondere können Korrekturdaten laufend aktualisiert werden, sodass auch temporäre Magnetfeldverzerrungen schnell erkannt und entsprechende Korrekturdaten ermittelt werden können, die für zeitlich nachfolgende Ermittlungen einer relativen Position zur Verfügung stehen.In one embodiment of the method for determining a relative position, when determining the relative position P, further position data, in particular further position data from a further internal and/or external sensor device, are included to increase the precision and/or to determine an absolute position. In this context, “include” is also to be understood in particular as merging or correlating. The additional position data can represent relative or absolute position data, for example. Relative position data can be, for example, position data from acceleration sensors, yaw rate sensors, odometry data or the like. Absolute position data can be GPS or GNSS data, for example. Radar, lidar or video sensors can also be used to determine a position. In one embodiment of the method, the additional position data is recorded as absolute position data, with the relative position P being determined relative to this absolute position data. Using absolute position data, an absolute position can thus be determined from the determined relative position. Furthermore, by means of such a sensor fusion, a plausibility check and/or correction of the relative position can be carried out and the relative positions obtained can be made more robust in this way. Furthermore, it is conceivable to dynamically detect distortions in the detected magnetic fields, which affect errors in the determined relative position, via a sensor fusion with other sensor data. In particular, such a fusion of position data can be used to detect magnetic field distortions (e.g. induced by interference fields) in the magnetic fields B1, B2, B3 and, with this knowledge, position-dependent correction data can be derived and, for example, stored in a magnetic field map, which can then be used when the relative position is determined again or further are taken into account. Furthermore, such errors can be used, for example, via a machine learning algorithm to improve the positioning accuracy. As a result, the occurrence of magnetic objects and associated interference fields (magnetic field distortions) can be detected during operation of the method and the method for determining a relative position can be corrected dynamically. In particular, correction data can be continuously updated, so that temporary magnetic field distortions can also be recognized quickly and corresponding correction data can be determined, which are available for subsequent determinations of a relative position.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position wird eine relative Position P' des zumindest einen Referenzgegenstands bezüglich zumindest eines weiteren Referenzgegenstands ermittelt, umfassend:
- - Erzeugen zumindest dreier gerichteter Magnetfelder B1', B2', B3' unterscheidbarer Modulationsfrequenzen f1', f2', f3' mittels einer dem weiteren Referenzgegenstand zugeordneten weiteren Magnetfelderzeugungsvorrichtung, wobei die weitere Magnetfelderzeugungsvorrichtung zumindest drei Emitterspulen Tx1', Tx2', Tx3' umfasst, die wechselweise eine definierte Anordnung zueinander aufweisen,
- - Erfassen von Magnetfeldstärken |Bx'(P')|. |By'(P')|, |Bz'(P')| und Modulationsfrequenzen f1', f2', f3' der Magnetfelder B1', B2', B3' mittels einer Magnetfelderfassungsvorrichtung des Referenzgegenstands,
- - Ermitteln der relativen Position P' des Referenzgegenstands bezüglich des zumindest einen weiteren Referenzgegenstands mittels einer Auswertevorrichtung aus den erfassten, über die erfassten Modulationsfrequenzen f1', f2', f3' den gerichteten Magnetfeldern B1', B2', B3' zuordenbaren Magnetfeldstärken |Bx'(P')|, |By'(P')|, |Bz'(P')|.
- - generating at least three directed magnetic fields B1', B2', B3' of distinguishable modulation frequencies f1', f2', f3' by means of a further magnetic field generating device assigned to the further reference object, wherein the further magnetic field generating device comprises at least three emitter coils Tx1', Tx2', Tx3', which alternately have a defined arrangement to one another,
- - Detection of magnetic field strengths |Bx'(P')|. |By'(P')|, |Bz'(P')| and modulation frequencies f1', f2', f3' of the magnetic fields B1', B2', B3' by means of a magnetic field detection device of the reference object,
- - Determination of the relative position P' of the reference object with respect to the at least one further reference object by means of an evaluation device from the detected, via the detected modulation frequencies f1', f2', f3' the directed magnetic fields B1', B2', B3' assignable magnetic field strengths |Bx'(P')|, |By'(P')|, |Bz'(P')|.
Insbesondere ist auch denkbar, mehrere Referenzgegenstände gestaffelt hintereinander zu betreiben, wobei jeder „zwischengeschaltete“ Referenzgegenstand zumindest eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung und eine Magnetfelderfassungsvorrichtung aufweist, sodass dieser Referenzgegenstand sowohl Magnetfelder zur Ermittlung der eigenen relativen Position erfassen kann als auch Magnetfelder zur Ermittlung der relativen Position eines nachfolgenden ersten Gegenstands und/oder Referenzgegenstands erzeugen kann. Insbesondere sind ganze Ketten von gestaffelten Referenzgegenständen denkbar (Referenzgegenstand 1 - Referenzgegenstand 2 - Referenzgegenstand 3 - erster Gegenstand). Insbesondere dient auf diese Weise jeder „zwischengeschaltete“ Referenzgegenstand als ein erster Gegenstand, dessen relative Position P bezüglich des vorhergehenden Referenzgegenstands ermittelt wird. Es sei angemerkt, dass die Magnetfelderfassungsvorrichtung und die Magnetfelderzeugungsvorrichtung dabei auch als ein einziges Bauteil realisiert sein kann, dass sowohl als Magnetfelderfassungsvorrichtung und als Magnetfelderzeugungsvorrichtung genutzt wird (beispielsweise als ein Spulensystem, dass in einem Empfangsmodus und in einem Sendemodus betrieben wird).In particular, it is also conceivable to operate several reference objects in a staggered manner, with each "intermediate" reference object having at least one magnetic field generating device and a magnetic field detection device, so that this reference object can detect both magnetic fields to determine its own relative position and magnetic fields to determine the relative position of a subsequent first one Object and / or reference object can generate. In particular, entire chains of staggered reference objects are conceivable (reference object 1-reference object 2-reference object 3-first object). In particular, in this way each "intermediate" reference object serves as a first object whose relative position P with respect to the preceding reference object is determined. It should be noted that the magnetic field detection device and the magnetic field generating device can also be implemented as a single component that is used both as a magnetic field detection device and as a magnetic field generating device (for example as a coil system that is operated in a receiving mode and in a transmitting mode).
Auf diese Weise lassen sich vorteilhaft gestaffelte relative Positionen ermitteln. Anwendungsbeispiele hierfür können beispielsweise in einem Roboterschwarm navigierende Roboter sein, wobei eine Positionsbestimmung eines jeden Roboters relativ zu den anderen Robotern erfolgt, d.h. eine Lokalisierung der Roboter erfolgt untereinander. Werden dabei ferner relative Positionen der Roboter ausgetauscht, so ist eine gemeinsame Pfadplanung (Schwarmintelligenz) möglich. Diese könnte beispielsweise gezielt zur Erweiterung einer Reichweite oder dergleichen genutzt werden. Darüber hinaus kann das Verfahren auch auf die Steuerung von Roboterarmen etc. übertragen werden, wobei beispielsweise eine relative Position eines jeden einzeln beweglichen Teils des Roboterarms relativ zu jedem weiteren beweglichen Teil des Roboterarms ermittelbar ist. Für den zumindest einen weiteren Referenzgegenstand gelten alle in dieser Schrift ausgeführten Merkmale ebenfalls, beispielsweise dass in einem weiteren Verfahrensschritt die Modulationsfrequenzen f1', f2', f3' von der dem weiteren Referenzgegenstand zugeordneten weiteren Magnetfelderzeugungsvorrichtung zur Magnetfelderfassungsvorrichtung des Referenzgegenstands und/oder zur Auswertevorrichtung übermittelt werden, wobei die übermittelten Modulationsfrequenzen f1', f2', f3' ebenfalls zur Verbesserung eines Signal-Rausch-Verhältnisses beim Ermitteln der relativen Position P' verwendet werden.Advantageously staggered relative positions can be determined in this way. Application examples for this can be, for example, robots navigating in a robot swarm, with the position of each robot being determined relative to the other robots, i.e. the robots are localized among themselves. If the relative positions of the robots are also exchanged, joint path planning (swarm intelligence) is possible. This could, for example, be used specifically to extend a range or the like. In addition, the method can also be transferred to the control of robot arms, etc., in which case, for example, a relative position of each individually movable part of the robot arm can be determined relative to each other movable part of the robot arm. All the features listed in this document also apply to the at least one further reference object, for example that in a further method step the modulation frequencies f1', f2', f3' are transmitted from the further magnetic field generating device assigned to the further reference object to the magnetic field detection device of the reference object and/or to the evaluation device , wherein the transmitted modulation frequencies f1', f2', f3' are also used to improve a signal-to-noise ratio when determining the relative position P'.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P werden mittels zumindest einer weiteren Magnetfelderfassungsvorrichtung i des ersten Gegenstands, die eine definierte Anordnung zur Magnetfelderfassungsvorrichtung des ersten Gegenstands aufweist, Magnetfeldstärken |Bxi(P)|, |Byi(P)|, |Bzi(P)| und Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 erfasst, wobei mittels einer Auswertevorrichtung eine Relation der Magnetfeldstärken |Bxi(P)| und |Bx(P)| zueinander und/oder |Byi(P)| und |By(P)| zueinander und/oder |Bzi(P)| und |Bz(P)| zueinander ermittelt wird. Unter einer definierten Anordnung ist insbesondere ein definierter Abstand und eine definierte Ausrichtung der Magnetfelderfassungsvorrichtungen i zueinander zu verstehen. insbesondere wird die Relation als komponentenweise Relation der Magnetfeldstärken |Bxi(P)| und |Bx(P)| zueinander und/oder |Byi(P)| und |By(P)| zueinander und/oder |Bzi(P)| und |Bz(P)| zueinander ermittelt. Unter einer Relation ist dabei eine grundsätzlich beliebige mathematische Beziehung zu verstehen, in der sich die Magnetfeldstärken, insbesondere komponentenweise, vergleichen lassen oder in Bezug zueinander setzen lassen. Insbesondere ist eine Differenz, ein Quotient, ein Größer-Kleiner-Verhältnis oder dergleichen denkbar. In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P wird die Relation, insbesondere in Form eines Magnetfeldgradientens, als Differenz |Bxi(P)| - |Bx(P)|, |Byi(P)| - |By(P)| bzw. |Bzi(P)| - |Bz(P)| ermittelt. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Relation angegeben werden, wobei der Magnetfeldgradient als paarweise gebildete Differenz ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich könnte eine relative Position P auch als Quotient |Bxi(P)| / |Bx(P)|, |Byi(P)| / |By(P)| bzw. |Bzi(P)| / |Bz(P)| ermittelt werden. Ferner kann unter Verwendung der Relation auch eine Genauigkeit in der Ermittlung der relativen Position P erhöht werden.In one embodiment of the method for determining a relative position P, magnetic field strengths |Bx i (P)|, |By i (P)|, |Bz i (P)| and modulation frequencies f1, f2, f3 of the magnetic fields B1, B2, B3 are detected, with a relation of the magnetic field strengths |Bx i (P)| and |Bx(P)| to each other and/or |By i (P)| and |By(P)| to each other and/or |Bz i (P)| and |Bz(P)| to each other is determined. A defined arrangement means, in particular, a defined distance and a defined alignment of the magnetic field detection devices i to one another. in particular, the relation is expressed as a component-wise relation of the magnetic field strengths |Bx i (P)| and |Bx(P)| to each other and/or |By i (P)| and |By(P)| to each other and/or |Bz i (P)| and |Bz(P)| identified to each other. A relation is to be understood as meaning any mathematical relationship in which the magnetic field strengths can be compared, in particular component-by-component, or can be related to one another. In particular, a difference, a quotient, a larger/smaller ratio or the like is conceivable. In one embodiment of the method for determining a relative position P, the relation, in particular in the form of a magnetic field gradient, is determined as a difference |Bx i (P)| - |Bx(P)|, |By i (P)| - |By(P)| or |Bz i (P)| - |Bz(P)| determined. In this way, a particularly simple relation can be specified, with the magnetic field gradient being determined as a difference formed in pairs. Alternatively or additionally, a relative position P could also be used as a quotient |Bx i (P)| / |Bx(P)|, |By i (P)| / |By(P)| or |Bz i (P)| / |Bz(P)| be determined. Furthermore, an accuracy in the determination of the relative position P can also be increased by using the relation.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P, bei dem die Relation als Differenz ermittelt wird, wird anhand eines Vorzeichens der Relation eine eindeutige Identifikation der, insbesondere ansonsten ggf. uneindeutigen (insbesondere mehrdeutigen), relativen Position P durchgeführt. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens, bei dem die Relation als Quotient ermittelt wird, wird anhand eines Vergleichs der Relation mit dem Wert 1 eine eindeutige Identifikation der, insbesondere ansonsten ggf. uneindeutigen (insbesondere mehrdeutigen), relativen Position P durchgeführt. Dabei kann eine relative Position insbesondere auf Grund eines symmetrischen Verlaufs der von der Magnetfelderzeugungsvorrichtung erzeugten Magnetfelder B1, B2, B3 zunächst eine Mehrdeutigkeit aufweisen. Ein von einer Emitterspule erzeugtes Magnetfeld weist in Richtung senkrecht zur Wicklungsebene Regionen des Magnetfelds auf, an denen die Magnetfeldstärke minimal (ggf. 0 T) wird. Beidseitig von dieser Spiegelsymmetrieachse (die der Normalen zur Wicklungsebene der Emitterspule entspricht) und spiegelsymmetrisch zur Wicklungsebene der Emitterspule befinden sich Regionen identischer Magnetfeldstärke, sodass ein (ideales, ungestörtes) Magnetfeld grundsätzlich vier Bereiche gleicher Magnetfeldstärke umfasst (die sich in vier Quadranten befinden, mit der Emitterspule im Zentrum). Erfindungsgemäß kann unter Verwendung der Relation eine geeignete Maßnahmen angegeben werden, um die relative Position trotz dieser Mehrdeutigkeiten einem Quadranten zuzuordnen. Insbesondere ist ein Übergang zwischen je zwei benachbarten Quadranten unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens detektierbar. Dazu werden kontinuierlich die Relationen der erfassten Magnetfeldstärken ausgewertet und derart kontinuierlich Magnetfeldgradienten bestimmt. In einer Verfahrensimplementierung, in der die Relation als Differenz ermittelt wird, kehrt sich das Vorzeichen der Relation (der Differenz) um, sobald ein Übergang zwischen zwei Quadranten erfolgt ist. In einer Verfahrensimplementierung, in der die Relation als Quotient ermittelt wird, wandelt sich der Quotient von einem Wert größer als eins zu einem Wert kleiner als eins, sobald ein Übergang zwischen zwei Quadranten erfolgt ist. Somit lassen sich Übergänge des ersten Gegenstands zwischen verschiedenen Quadranten bestimmen. Folglich kann derart auch eine eindeutige Zuordnung der, insbesondere ansonsten ggf. uneindeutigen (insbesondere mehrdeutigen), relativen Position P des ersten Gegenstands zu einem der vier Quadranten durchgeführt werden, insbesondere unter der Annahme, dass zu Beginn einer Bewegung des ersten Gegenstands die Ausgangsposition einem der Quadranten zuordenbar ist (z.B. weil sich dort die Basisstation befindet). Bewegt sich beispielsweise ein erster Gegenstand, der als Roboter denkbar ist, so lassen sich kontinuierlich Relationen ermitteln. Wechselt diese Relation dann das Vorzeichen (bzw. von einem Wert größer als eins zu einem Wert kleiner als eins (oder umgekehrt)), so kann ein Übergang zwischen zwei aneinander angrenzenden Quadranten abgeleitet werden.In one embodiment of the method for determining a relative position P, in which the relation is determined as a difference, the relative position P, which in particular is otherwise possibly ambiguous (particularly ambiguous), is uniquely identified using a sign of the relation. In an alternative embodiment of the method, in which the relation is determined as a quotient, a comparison of the relation with the
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P wird mittels einer rotationssensitiven Sensorvorrichtung eine Bewegungsrichtungsänderung, insbesondere eine Bewegungsrichtungsumkehr um 180°, des ersten Gegenstands erfasst wird, wobei im Falle einer Bewegungsrichtungsänderung des ersten Gegenstands, insbesondere um mehr als 90°, eine Vorzeichenumkehr der Relation bzw. eine Inversion der Relation (Wertewechsel von kleiner eins zu größer eins (oder umgekehrt) durch Kehrwertbildung) berücksichtigt, insbesondere durchgeführt, wird. Auf diese Weise kann ferner ausgeschlossen werden, dass eine Veränderung der Bewegungsrichtung, insbesondere eine Bewegungsrichtungsänderung um 180°, zu einer (unbemerkten bzw. unerwarteten) Veränderung der Relation führt, die ansonsten durch einen Quadrantenübergang erzeugt wird. Unter „berücksichtigen“ ist insbesondere zu verstehen, dass ein derartiger Wertewechsel rechnerisch in einer Auswertung berichtigt bzw. kompensiert wird. Unter einer rotationssensitiven Sensorvorrichtung ist insbesondere eine Sensorvorrichtung zu verstehen, die auf eine räumliche Drehung und/oder Richtungsänderung des ersten Gegenstands sensitiv ist (beispielsweise realisiert durch Beschleunigungssensoren, Kameras oder dergleichen). Hierfür eignen sich grundsätzlich alle Sensoren, mittels der eine Information über eine Bewegungsrichtung des ersten Gegenstands ableitbar ist. Beispielsweise
- - magnetfeldsensitive Sensoren wie beispielsweise Kompass, Magnetfeldsensor, Fluxgate-Magnetometer und Hall-Sensor;
- - kapazitive Sensoren;
- - positionssensitive und/oder lagesensitive Sensoren wie beispielsweise GPS, Positionssensor, Odometriesensor und Einschlagwinkelsensor für ein Lenkrad oder Steuerrad;
- - geschwindigkeitssensitive und/oder beschleunigungssensitive Sensoren wie beispielsweise Gyroskop, Inertialsensorik und Beschleunigungssensoren;
- - abstandssensitive Sensoren wie beispielsweise Laserentfernungsmesser, Ultraschallsensoren und Radar, ...
- - drucksensitive Sensoren,
- - optische Sensoren,
- - spannungssensitive und/oder stromsensitive Sensoren
- - Sensors sensitive to magnetic fields such as compasses, magnetic field sensors, fluxgate magnetometers and Hall sensors;
- - capacitive sensors;
- - Position-sensitive and / or situation-sensitive sensors such as GPS, position sensor, odometry sensor and steering angle sensor for a steering wheel or steering wheel;
- - speed-sensitive and/or acceleration-sensitive sensors such as gyroscopes, inertial sensors and acceleration sensors;
- - Distance-sensitive sensors such as laser range finders, ultrasonic sensors and radar, ...
- - pressure-sensitive sensors,
- - optical sensors,
- - voltage-sensitive and/or current-sensitive sensors
Es sei angemerkt, dass eine Bestimmung einer Ausrichtung (und damit der Bewegungsrichtung des ersten Gegenstands) prinzipiell auch über die bereits vorhandene Magnetfelderfassungsvorrichtung erfolgen kann, indem ein DC-Gleichanteil in den Messsignalen des erfassten Magnetfelds ausgewertet wird. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Drehratensensor oder Kompass bereitgestellt werden muss.It should be noted that an orientation (and thus the direction of movement of the first object) can in principle also be determined via the existing magnetic field detection device by evaluating a DC component in the measurement signals of the detected magnetic field. This has the advantage that no additional angular rate sensor or compass has to be provided.
Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, eine Phasenlage der Magnetfelder B1, B2, B3 mittels eines Sensors zu messen, um daraus eine eindeutige Identifikation der, insbesondere ansonsten ggf. uneindeutigen (insbesondere mehrdeutigen), relativen Position P des ersten Gegenstands bezüglich des Referenzgegenstands zu ermitteln.Alternatively or additionally, it is conceivable to measure a phase position of the magnetic fields B1, B2, B3 by means of a sensor in order to determine a clear identification of the relative position P of the first object with respect to the reference object, which in particular may otherwise be ambiguous.
Ferner lassen sich auf diese Weise Störfelder, wie sie beispielsweise durch metallische Gegenstände wie Fahrzeuge oder vergrabene Objekte erzeugt werden, besonders effizient erfassen. In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P werden zur Detektion von Magnetfeldverzerrungen Abweichungen der Relation von gemäß der definierten Anordnung der Magnetfelderfassungsvorrichtung und der zumindest einen weiteren Magnetfelderfassungsvorrichtung i erwarteten Soll-Relationen ausgewertet, insbesondere identifiziert. Mit anderen Worten können - da Abstand und Winkel der Magnetfeldsensoren zueinander bekannt sind - die Werte der erfassten Magnetfelder der einzelnen Magnetfelderfassungsvorrichtungen zu einem Abgleich mit auf Basis der Anordnung erwarteten Werten genutzt werden. Dies kann insbesondere während einer Bewegung des ersten Gegenstands ausgewertet werden und derart unerwartete Störfelder, d.h. Magnetfeldverzerrung, detektiert und erfasst werden. Insbesondere lassen sich derart Abweichungen auf besonders einfache Weise detektieren und daraus auf Störfelder schließen.Furthermore, interference fields, such as those generated by metal objects such as vehicles or buried objects, can be detected particularly efficiently in this way. In one embodiment of the method for determining a relative position P, deviations in the relation from expected desired relations according to the defined arrangement of the magnetic field detection device and the at least one further magnetic field detection device i are evaluated, in particular identified, to detect magnetic field distortions. In other words—since the distance and angle of the magnetic field sensors to one another are known—the values of the detected magnetic fields of the individual magnetic field detection devices can be used for a comparison with values expected on the basis of the arrangement. This can be evaluated in particular during a movement of the first object and such unexpected interference fields, ie magnetic field distortion, can be detected and recorded. In particular, such deviations can be detected in a particularly simple manner and interference fields can be inferred therefrom.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P werden detektierte Magnetfeldverzerrungen bzw. Störfelder in einer Magnetfeldkarte, insbesondere einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Magnetfeldkarte, gespeichert, insbesondere aktualisiert und/oder fusioniert. Unter „fusionieren“ ist dabei insbesondere „überschreiben“, „mitteln“, „interpolieren“, „extrapolieren“, „korrelieren“ oder dergleichen mit anderen Sensordaten zu verstehen. Derart können erfasste Magnetfeldinhomogenitäten und/oder Störfelder bei einer Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position berücksichtigt werden.In one embodiment of the method for determining a relative position P, detected magnetic field distortions or interference fields are stored, in particular updated and/or merged, in a magnetic field map, in particular a two-dimensional or three-dimensional magnetic field map. “Fuse” is to be understood in particular as “overwriting”, “averaging”, “interpolating”, “extrapolating”, “correlating” or the like with other sensor data. In this way, detected magnetic field inhomogeneities and/or interference fields can be taken into account when carrying out the method for determining a relative position.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P werden zwei weitere Magnetfelderfassungsvorrichtungen i verwendet. Insbesondere weisen die drei Magnetfelderfassungsvorrichtungen i eine ein Dreieck bildende Anordnung zueinander auf. Auf diese Weise lassen sich die Relationen, insbesondere Magnetfeldgradienten, auf einfache Weise in 2 unabhängige Richtungen, insbesondere zwei orthogonale Richtungen, ermitteln.In one embodiment of the method for determining a relative position P, two further magnetic field detection devices i are used. In particular, the three magnetic field detection devices i have an arrangement relative to one another that forms a triangle. In this way, the relationships, in particular magnetic field gradients, can be determined in a simple manner in 2 independent directions, in particular two orthogonal directions.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P wird in einem weiteren Verfahrensschritt das Vorhandensein zumindest eines Magnetfelds BSQ einer externen Strahlungsquelle, insbesondere einer nicht dem Referenzgegenstand zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung, detektiert. Derart kann erfasst werden, ob neben den zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position erzeugten Magnetfeldern B1, B2, B3 weitere Magnetfelder, beispielsweise Störfelder anderer Magnetfeldquellen oder auch Magnetfelder weiterer Referenzgegenstände, vorhanden sind. Insbesondere kann diese Detektion wiederholt, insbesondere regelmäßig wiederholt, beispielsweise quasi-kontinuierlich oder kontinuierlich, durchgeführt werden. Erfindungsgemäß kann diese Information dazu genutzt werden, das Verfahren zur Ermittlung einer relativen Position P anzupassen oder zu verbessern.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the presence of at least one magnetic field BSQ of an external radiation source, in particular a magnetic field generating device not assigned to the reference object, is detected in a further method step. In this way it can be detected whether other magnetic fields, for example interference fields from other magnetic field sources or magnetic fields from other reference objects, are present in addition to the magnetic fields B1, B2, B3 generated to carry out the method for determining a relative position. In particular, this detection can be carried out repeatedly, in particular regularly repeated, for example quasi-continuously or continuously. According to the invention, this information can be used to adapt or improve the method for determining a relative position P.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P wird das Vorhandensein des zumindest einen Magnetfelds BSQ mittels der Magnetfelderfassungsvorrichtung des ersten Gegenstands und/oder mittels der dem Referenzgegenstand zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung und/oder mittels zumindest eines zusätzlichen Empfängers detektiert. insbesondere ist denkbar, dass mittels der Magnetfelderfassungsvorrichtung das Vorhandensein des zumindest einen Magnetfelds BSQ durch ein aufgrund des Magnetfelds BSQ veränderten „Empfangsspektrum“ im Sinne der erwarteten Magnetfelder B1, B2, B3 und deren zugehöriger Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 detektiert wird. Ferner ist denkbar, dass das Vorhandensein des zumindest einen Magnetfelds BSQ mittels der Magnetfelderzeugungsvorrichtung erfasst wird, indem diese in einem Empfangsmodus betrieben wird. Dieser Empfangsmodus kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass in einer Sendepause der Magnetfelderzeugungsvorrichtung eine Emitterspule oder mehrere Emitterspulen kurzzeitig mit einer Empfangselektronik verbunden wird bzw. werden. Ein zusätzlicher Empfänger kann als ein grundsätzlich beliebig ausgestalteter Magnetfeldsensor, beispielsweise als ein Hall-Sensor oder dergleichen, realisiert sein.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the presence of the at least one magnetic field BSQ is detected using the magnetic field detection device of the first object and/or using the magnetic field generating device assigned to the reference object and/or using at least one additional receiver. In particular, it is conceivable that the magnetic field detection device is used to detect the presence of the at least one magnetic field BSQ by means of a "reception spectrum" that has changed due to the magnetic field BSQ in terms of the expected magnetic fields B1, B2, B3 and their associated modulation frequencies f1, f2, f3. It is also conceivable that the presence of the at least one magnetic field BSQ is detected by the magnetic field generating device by operating it in a receive mode. This receiving mode can be implemented, for example, by briefly connecting an emitter coil or several emitter coils to receiving electronics during a pause in transmission of the magnetic field generating device. An additional receiver can be implemented as a magnetic field sensor of basically any configuration, for example as a Hall sensor or the like.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P werden in Abhängigkeit des Vorhandenseins des zumindest einen Magnetfelds BSQ die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 gewählt, insbesondere modifiziert. In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P werden in Abhängigkeit des Vorhandenseins des zumindest einen Magnetfelds BSQ Pausenzeiten in der Modulation t1, t2, t3 der Magnetfelder B1, B2, B3 gewählt, insbesondere modifiziert. In einer wiederum alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P werden in Abhängigkeit des Vorhandenseins des zumindest einen Magnetfelds BSQ Pausenzeiten in der Erzeugung T1, T2, T3 der Magnetfelder B1, B2, B3 gewählt, insbesondere modifiziert. Insbesondere lassen sich die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 und/oder Pausenzeiten in der Modulation t1, t2, t3 und/oder Pausenzeiten in der Erzeugung T1, T2, T3 derart modifizieren oder wählen, dass eine auf die externe Strahlungsquelle angepasste Erzeugung derselben erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann das Vorhandensein des zumindest einen Magnetfelds BSQ auch einem Anwender des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P ausgegeben werden.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the modulation frequencies f1, f2, f3 are selected, in particular modified, depending on the presence of the at least one magnetic field BSQ. In an alternative or additional embodiment of the method for determining a relative position P, pause times in the modulation t1, t2, t3 of the magnetic fields B1, B2, B3 are selected, in particular modified, depending on the presence of the at least one magnetic field BSQ. In another alternative or additional embodiment of the method for determining a relative position P, pause times in the generation T1, T2, T3 of the magnetic fields B1, B2, B3 are selected, in particular modified, depending on the presence of the at least one magnetic field BSQ. In particular, the modulation frequencies f1, f2, f3 and/or pause times in the modulation t1, t2, t3 and/or pause times in the generation T1, T2, T3 can be modified or selected in such a way that one on the External radiation source adapted generation of the same takes place. Alternatively or additionally, the presence of the at least one magnetic field BSQ can also be output to a user of the method for determining a relative position P.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P umfasst die Detektion des Vorhandenseins zumindest eines Magnetfelds BSQ einer externen Strahlungsquelle zumindest eine Ermittlung einer Modulationsfrequenz fSQ des zumindest einen Magnetfelds BSQ. Dabei können die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 vorteilhaft unterschiedlich von der Modulationsfrequenz fSQ gewählt werden. Auf diese Weise kann der Frequenzbereich des Magnetfelds BSQ explizit ausgenommen werden, sodass die genutzten Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 unterscheidbar, d.h. insbesondere weit genug im Frequenzband beabstandet von fSQ, sind. Dabei können die Abstände im Frequenzband insbesondere abhängig von einer Qualität bei der Erfassung der Magnetfelder B1, B2, B3 gewählt werden, sodass diese Abstände bei hohe Qualität (und folglich bereits recht präziser Ermittlung der relativen Position P) kleiner ausfallen können.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the detection of the presence of at least one magnetic field BSQ of an external radiation source includes at least one determination of a modulation frequency fSQ of the at least one magnetic field BSQ. The modulation frequencies f1, f2, f3 of the magnetic fields B1, B2, B3 can advantageously be chosen to be different from the modulation frequency fSQ. In this way, the frequency range of the magnetic field BSQ can be explicitly excluded, so that the modulation frequencies f1, f2, f3 used can be distinguished, i.e. in particular far enough away from fSQ in the frequency band. In this case, the distances in the frequency band can be selected depending on a quality in the detection of the magnetic fields B1, B2, B3, so that these distances can turn out to be smaller with high quality (and consequently already quite precise determination of the relative position P).
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P umfasst die Detektion eine Ermittlung von Pausenzeiten in der Modulation tSQ und/oder Pausenzeiten in der Erzeugung TSQ des zumindest einen Magnetfelds BSQ. Dabei können die Pausenzeiten in der Modulation t1, t2, t3 bzw. die Pausenzeiten in der Erzeugung T1, T2, T3 der Magnetfelder B1, B2, B3 vorteilhaft derart gewählt werden, dass die Modulation der Magnetfelder B1, B2, B3 in den Pausenzeiten in der Modulation tSQ bzw. die Erzeugung der Magnetfelder B1, B2, B3 in den Pausenzeiten in der Erzeugung TSQ des zumindest einen Magnetfelds BSQ erfolgt. Auf diese Weise können gezielt Pausenzeiten im externen Magnetfeld BSQ - in dessen Modulation und/oder in dessen Erzeugung, d.h. Emission - explizit bei einer Erzeugung der Magnetfelder B1, B2, B3 genutzt werden, indem in diesen Pausenzeiten die Erzeugung der Modulation mit der Modulationsfrequenz f1, f2, f3 erfolgt bzw. in diesen Pausenzeiten die Erzeugung der Magnetfelder B1, B2, B3 an sich erfolgt. Ferner lassen sich zeitliche Abstände - zwischen der Erzeugung der Magnetfelder bzw. zwischen den Modulationen der Magnetfelder - derart wählen, dass eine möglichst störungsfreie und überlappungsfreie Erfassung der Magnetfelder B1, B2, B3 gewährleistet ist.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the detection includes determining pause times in the modulation tSQ and/or pause times in the generation TSQ of the at least one magnetic field BSQ. The pause times in the modulation t1, t2, t3 or the pause times in the generation T1, T2, T3 of the magnetic fields B1, B2, B3 can advantageously be selected in such a way that the modulation of the magnetic fields B1, B2, B3 in the pause times in the modulation tSQ or the generation of the magnetic fields B1, B2, B3 takes place in the pause times in the generation TSQ of the at least one magnetic field BSQ. In this way, specific pause times in the external magnetic field BSQ - in its modulation and/or in its generation, ie emission - can be used explicitly when generating the magnetic fields B1, B2, B3 by generating the modulation with the modulation frequency f1 in these pause times , f2, f3 takes place or the generation of the magnetic fields B1, B2, B3 per se takes place in these pause times. Furthermore, time intervals--between the generation of the magnetic fields or between the modulations of the magnetic fields--can be chosen in such a way that detection of the magnetic fields B1, B2, B3 that is as free of interference and free of overlap as possible is ensured.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P wird das Magnetfeld BSQ der externen Strahlungsquelle, insbesondere der nicht dem Referenzgegenstand zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung, verwendet, um die Reichweite des Verfahrens zur Ermittlung der relativen Position P des ersten Gegenstands zu vergrößern. Dabei ist denkbar, dass im Abstand maximaler Reichweite des ersten Referenzgegenstands (d.h. in einem Abstand, in dem noch ein Magnetfeld B1, B2, B3 erfassbar ist) weitere „Satelliten-Referenzgegenstände“ installiert werden, die beispielsweise in den Sendepausen auf anderen Frequenzen senden. Prinzipiell können die „Satelliten-Referenzgegenstände“ aber auch auf den gleichen Frequenzen f1, f2, f3 senden, wenn eine andere Frequenzabfolge - beispielsweise f2, f1, f3 - angewandt und überwacht wird.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the magnetic field BSQ of the external radiation source, in particular the magnetic field generating device not assigned to the reference object, is used to increase the range of the method for determining the relative position P of the first object. It is conceivable that at the maximum range distance of the first reference object (i.e. at a distance in which a magnetic field B1, B2, B3 can still be detected) further "satellite reference objects" are installed, which, for example, transmit on other frequencies during the transmission breaks. In principle, however, the "satellite reference objects" can also transmit on the same frequencies f1, f2, f3 if a different frequency sequence - for example f2, f1, f3 - is used and monitored.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P stammt das Magnetfeld BSQ der externen Strahlungsquelle, insbesondere der nicht dem Referenzgegenstand zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung, von einem parallel betriebenen Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Auf diese Weise wird ermöglicht, mehrere Verfahren zur Ermittlung einer relativen Position P - gleichbedeutend mit mehreren Systemen, die das Verfahren implementieren - parallel zueinander zu betreiben. Beispielsweise können mehrere autonome Rasenmäher unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens parallel betrieben werden, wie dies in einer Nachbarschaft der Fall sein kann. Dabei werden Pausenzeiten eines Robotersystems (umfassend einen Referenzgegenstand und einen in dem Roboter integrierten ersten Gegenstand) ermittelt, wobei das weitere Robotersystem dann die eigenen Sendeaktivitäten in zuvor ermittelte Pausenzeiten legt. Insbesondere senden die anderen Robotersysteme dann auf anderen Frequenzen und/oder in den Pausenzeiten der anderen Robotersysteme. Ferner kann oben genannter Schwarm von Robotern auch unter Anwendung dieser Ausführungsform des Verfahrens realisiert werden.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the magnetic field BSQ of the external radiation source, in particular the magnetic field generating device not assigned to the reference object, originates from a method according to one of the preceding claims operated in parallel. This makes it possible to operate a number of methods for determining a relative position P—equivalent to a number of systems that implement the method—in parallel with one another. For example, several autonomous lawn mowers can be operated in parallel using the method according to the invention, as can be the case in a neighborhood. In this case, pause times of a robot system (comprising a reference object and a first object integrated in the robot) are determined, with the further robot system then placing its own transmission activities in previously determined pause times. In particular, the other robot systems then transmit on other frequencies and/or during the pause times of the other robot systems. Furthermore, the above-mentioned swarm of robots can also be implemented using this embodiment of the method.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P ist der erste Gegenstand als ein handgehaltenes elektrisches Gerät, insbesondere ein Laserentfernungsmesser, eine Handwerkzeugmaschine, ein Gaming-Controller oder dergleichen, realisiert und abhängig von der relativen Position P wird eine Funktion, insbesondere des handgehaltenen elektrischen Geräts, gesteuert. Der Referenzgegenstand kann dabei im Raum ortsfest positioniert sein. Dabei dient die Implementierung des Verfahrens zur, insbesondere dreidimensionalen, Positionsbestimmung des elektrischen Geräts im Raum. Das elektrische Gerät kann beispielsweise als ein Laserentfernungsmesser realisiert sein, wobei abhängig von einer relativen Position des Laserentfernungsmesser eine weitere Messfunktionalität, insbesondere eine Messung indirekter Abstände, ermöglicht wird, wie dies beispielsweise in
Im Gegensatz zu Inertialsensorik, wie sie im Stand der Technik oftmals Anwendung findet, kann das erfindungsgemäße Verfahren ferner vorteilhaft auch zur Ermittlung einer relativen Position einer vibrierenden Maschine, beispielsweise einer Schlagbohrmaschine, genutzt werden. Dabei kann bei einer Bohrmaschine beispielsweise abhängig von einer Nutzervorgabe, zum Beispiel „Ausführung einer waagerechten Bohrung“, auf Basis der ermittelten relativen Position der Bohrmaschine dem Nutzer mitgeteilt werden, auf welche Weise die Zielausrichtung erreicht wird und wenn die Zielausrichtung erreicht ist. Ferner kann insbesondere eine Genauigkeit in der Ermittlung der Position gegenüber Inertialsensorik deutlich erhöht werden. Ebenfalls sind elektrische Geräte der Unterhaltungselektronik wie beispielsweise AR-Brillen, Game-Controller oder dergleichen, denkbar, deren relative Position unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wird.In contrast to inertial sensors, as is often used in the prior art, the method according to the invention can also advantageously be used to determine a relative position of a vibrating machine, for example a percussion drill. In the case of a drilling machine, for example, depending on a user specification, for example "execution of a horizontal hole", based on the determined relative position of the drilling machine, the user can be informed of how the target alignment is achieved and when the target alignment is achieved. Furthermore, in particular the accuracy in determining the position can be significantly increased compared to inertial sensors. Electrical entertainment electronics devices such as AR glasses, game controllers or the like are also conceivable, the relative position of which is determined using the method according to the invention.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P ist der erste Gegenstand als ein, insbesondere autonomer, Roboter, insbesondere ein Roboterfahrzeug wie Logistikroboter, ein Staubsauger oder Rasenmäher oder dergleichen, realisiert und abhängig von der relativen Position P wird eine Funktion, insbesondere des Roboterfahrzeugs, gesteuert. Unter einem, insbesondere autonomen, Roboter soll insbesondere ein zumindest teilweise automatisches mobiles Gerät verstanden werden, welches eine Arbeit, beispielsweise eine Bearbeitung einer Fläche, zumindest teilweise selbsttätig verrichtet. Darüber hinaus soll insbesondere ein Gerät verstanden werden, das sich zumindest selbsttätig bewegt und/oder sich autonom in einem vorgegebenen Bereich, insbesondere in einem Arbeitsbereich oder in einer Bearbeitungsfläche, fortbewegt. T2pische Anwendungsgebiete solcher Roboterfahrzeuge umfassen vielfältige Tätigkeiten wie beispielsweise kehren, saugen, reinigen, Rasen mähen, (ein)sammeln, sortieren, bewässern, düngen, kartieren oder dergleichen. Der Referenzgegenstand kann dabei beispielsweise als Docking-Station (Basis-Station) des Roboters ortsfest positioniert sein, beispielsweise als Docking-Station eines autonomen Rasenmähers im Garten. Unter Implementierung dieses Verfahrens lassen sich Andock-Manöver (beispielsweise an die Docking-Station) besonders genau durchführen. Ferner kann eine Ermittlung der relativen Position in einem großen Bereich - vorteilhaft ohne Begrenzungsdraht, wie sie im Stand der Technik Anwendung finden, vgl.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P ist der erste Gegenstand als ein Flugobjekt, insbesondere als eine Drohne, realisiert und abhängig von der relativen Position P wird eine Funktion, insbesondere des Flugobjekts, ganz insbesondere der Drohne, gesteuert.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the first object is implemented as a flying object, in particular as a drone, and depending on the relative position P, a function, in particular of the flying object, particularly the drone, is controlled.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P wird unter Verwendung des ersten Gegenstands eine Begrenzung eines Arbeitsbereichs, insbesondere eines Arbeitsbereichs eines Roboters, ermittelt, indem der erste Gegenstand entlang zumindest einer Grenze des Arbeitsbereich geführt wird und sukzessiv ermittelte relative Positionen P aufgezeichnet und/oder ausgewertet werden. Insbesondere kann dabei der Referenzgegenstand bereits an einem Einsatzort platziert werden, wobei anschließend mit dem ersten Gegenstand - der beispielsweise als ein handhaltbarer Stab ausgebildet ist - der Arbeitsbereich durch Führen des Stabs entlang der Grenze des Arbeitsbereich lokalisiert wird. Die dabei aufgezeichnete Trajektorie kann digitalisiert und sodann zur Durchführung weiterer Verfahren, beispielsweise von Navigationsverfahren des Roboters, herangezogen werden. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Anlernen (teach-in) eines Roboters hinsichtlich eines Aktivitätsgebiets - beispielsweise eines autonomen Rasenmähers hinsichtlich eines zu mähenden Bereichs im Garten - genutzt werden. Dabei erlaubt das Verfahren auf Grund der hohen Präzision in der Ermittlung der relativen Position eine besonders feine Auflösung der Grenzen des Arbeitsbereichs, die beispielsweise mit einem Begrenzungsdraht (siehe Stand der Technik oben) nicht oder nur sehr aufwändig erreichbar ist.In one embodiment of the method for determining a relative position P, a boundary of a work area, in particular a work area of a robot, is determined using the first object by guiding the first object along at least one boundary of the work area and successively determined relative positions P are recorded and /or be evaluated. In particular, the reference object can already be placed at a place of use, the work area then being localized with the first object—which is designed, for example, as a hand-held rod—by guiding the rod along the boundary of the work area. The trajectory recorded in this way can be digitized and then used to carry out further processes, for example navigation processes of the robot. In this way, the method according to the invention can be used for teaching (teach-in) a robot with regard to an activity area—for example an autonomous lawnmower with regard to an area to be mowed in the garden. Due to the high precision in determining the relative position, the method allows a particularly fine resolution of the boundaries of the working area, which, for example, cannot be achieved with a boundary wire (see prior art above) or can only be achieved with great effort.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P wird unter Verwendung des ersten Gegenstands eine Distanz, insbesondere ein Abstand oder eine Länge eines Pfades, zwischen einem ersten Punkt und einem zweiten Punkt ermittelt, indem der erste Gegenstand, insbesondere entlang des Pfades, von dem ersten Punkt zu dem zweiten Punkt geführt wird und sukzessiv ermittelte relative Positionen P aufgezeichnet und/oder ausgewertet werden. Ferner erlaubt es die Auswertung einer mittels des ersten Gegenstands zurückgelegten Trajektorie - beispielsweise zwischen zwei Punkten - einen Abstand dieser Punkte entlang der Trajektorie zu ermitteln. Ebenfalls kann der erste Gegenstand in Form eines handhaltbaren Stabs realisiert sein.In one embodiment of the method for determining a relative position P, a distance, ins in particular a distance or length of a path between a first point and a second point is determined by guiding the first object, in particular along the path, from the first point to the second point and successively determining relative positions P are recorded and/or evaluated will. Furthermore, the evaluation of a trajectory covered by the first object—for example between two points—allows a distance between these points along the trajectory to be determined. The first object can also be implemented in the form of a hand-held stick.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P ist zumindest der erste Gegenstand einem Roboterarm zugeordnet, insbesondere auch der Referenzgegenstand dem Roboterarm zugeordnet, und unter Verwendung sukzessiv ermittelter relativer Positionen P wird eine Bewegung und/oder eine Funktion, insbesondere des Roboterarms, gesteuert. Beispielsweise kann derart ein vollintegrierter Roboterarm realisiert werden, der ohne weitere aufwändige Sensorik (wie Inertialsensorik, Winkelmesser, Abstandsmesser oder dergleichen) jederzeit eine genaue Position jedes beweglichen Teils des Roboterarms auswerten und folglich steuern kann. Beispielsweise kann der Referenzgegenstand einem Tankstutzen eines Fahrzeugs zugeordnet sein, sodass ein autonom agierender Tankroboter dessen Füllpistole, die mit dem ersten Gegenstand ausgestattet ist, selbsttätig ausrichten und folglich das Fahrzeug selbsttätig betanken kann.In one embodiment of the method for determining a relative position P, at least the first object is assigned to a robot arm, in particular the reference object is also assigned to the robot arm, and using successively determined relative positions P, a movement and/or a function, in particular of the robot arm, is controlled . For example, a fully integrated robot arm can be realized in this way, which can evaluate and consequently control an exact position of each movable part of the robot arm at any time without additional complex sensors (such as inertial sensors, protractors, distance meters or the like). For example, the reference object can be assigned to a fuel filler neck of a vehicle, so that an autonomously acting refueling robot can automatically align its filling pistol, which is equipped with the first object, and consequently can refuel the vehicle automatically.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Ermittlung einer relativen Position P ist der Referenzgegenstand einer Überwachungsanlage, insbesondere einem Rauchmelder oder Brandmelder zugeordnet, und eine relative Position P von einer mittels des ersten Gegenstands ausgestatteter Person wird erfasst. Beispielsweise kann der Referenzgegenstand in den Rauchmelder integriert sein. Derart lassen sich vorteilhaft Bewegungsprofile von Personen relativ zum Rauchmelder erfassen, die beispielsweise im Rahmen von Feuerwehreinsätzen zur Koordination und Absicherung der eingesetzten Feuerwehrleute genutzt werden können. Dabei ist denkbar, dass jede Person dem Körper zugeordnet einen ersten Gegenstand mit sich führt, dessen relative Position ermittelt wird. Ferner ist denkbar, dass über die Frequenzen f1, f2, f3 weitere Informationen - beispielsweise hinsichtlich einer Raumgröße, einer Position des Rauchmelders im Raum, im Raum befindlicher Gefahrengüter, eines Raumnamens oder dergleichen - codiert sind und derart dem ersten Gegenstand übertragen werden, sodass eine weitere Verarbeitung oder Ausgabe der Information erfolgen kann.In one embodiment of the method for determining a relative position P, the reference object is assigned to a surveillance system, in particular a smoke detector or fire detector, and a relative position P of a person equipped with the first object is detected. For example, the reference object can be integrated into the smoke detector. In this way, movement profiles of people relative to the smoke detector can be advantageously detected, which can be used, for example, in the context of fire brigade operations to coordinate and protect the firefighters deployed. It is conceivable that each person carries a first object assigned to the body, the relative position of which is determined. It is also conceivable that the frequencies f1, f2, f3 are used to encode further information - for example with regard to a room size, a position of the smoke detector in the room, dangerous goods in the room, a room name or the like - and transmitted to the first object in such a way that a further processing or output of the information can take place.
Ferner wird ein System vorgeschlagen, umfassend einen ersten Gegenstand, zumindest einen Referenzgegenstand sowie eine Auswertevorrichtung, wobei das System, insbesondere die Auswertevorrichtung, dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dabei gelten alle obigen Ausführungen hinsichtlich des Verfahrens und der im Verfahren angewandten Komponenten, insbesondere zu Magnetfelderfassungsvorrichtung, zur Magnetfelderzeugungsvorrichtung, zur Auswertevorrichtung etc., ebenfalls als für das System offenbart.Furthermore, a system is proposed, comprising a first object, at least one reference object and an evaluation device, wherein the system, in particular the evaluation device, is set up to carry out the method according to the invention. All of the above statements regarding the method and the components used in the method, in particular the magnetic field detection device, the magnetic field generating device, the evaluation device, etc., also apply as disclosed for the system.
Ebenfalls wird ein erster Gegenstand und/oder ein Referenzgegenstand zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System bzw. zur Anwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen. Insbesondere wird ein erster Gegenstand vorgeschlagen, der realisiert ist als ein handgehaltenes elektrisches Gerät, insbesondere einen Laserentfernungsmesser, eine Handwerkzeugmaschine, einen Gaming-Controller oder dergleichen, als ein, insbesondere autonomer, Roboter, insbesondere ein Roboterfahrzeug wie ein Staubsauger oder Rasenmäher oder dergleichen, als ein Flugobjekt, insbesondere als eine Drohne, als handhaltbarer Stab und/oder als Teil eines Roboterarms. Insbesondere wird ein Referenzgegenstand vorgeschlagen, der realisiert ist als eine Docking-Station oder als ein Rauchmelder.A first object and/or a reference object is also proposed for use in a system according to the invention or for use in a method according to the invention. In particular, a first object is proposed which is implemented as a hand-held electrical device, in particular a laser range finder, a hand-held power tool, a gaming controller or the like, as a robot, in particular an autonomous robot, in particular a robotic vehicle such as a vacuum cleaner or lawn mower or the like, as a a flying object, in particular as a drone, as a hand-held stick and/or as part of a robot arm. In particular, a reference object realized as a docking station or as a smoke detector is proposed.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Elemente.The invention is explained in more detail in the following description on the basis of exemplary embodiments illustrated in the drawings. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further meaningful combinations. The same reference symbols in the figures designate the same elements.
Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems umfassend einen ersten Gegenstand und einen Referenzgegenstand; -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems umfassend einen ersten Gegenstand und einen Referenzgegenstand -
3 ein Verfahrensdiagramm zu einer exemplarischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer relativen Position; -
4 ein exemplarisches Magnetfeld, wie es beispielhaft von einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung eines Referenzgegenstands erzeugt wird; -
5a-5f unterschiedliche Szenarien, wie das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann; -
6 zeitabhängige Verläufe von Magnetfeldsignalen (a) zu einem beispielhaften System (b).
-
1 an embodiment of a system according to the invention comprising a first object and a reference object; -
2 a second embodiment of a system according to the invention comprising a first object and a reference object -
3 a process diagram for an exemplary embodiment of the method according to the invention for determining a relative position; -
4 an exemplary magnetic field exemplarily generated by a magnetic field generating device of a reference object; -
5a-5f different scenarios of how the method according to the invention can be applied; -
6 time-dependent curves of magnetic field signals (a) to an exemplary system (b).
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Ermittlung einer relativen Position P eines ersten Gegenstands 100 bezüglich zumindest eines Referenzgegenstands 200. In
Das in
Das in
In einem ersten optionalen Verfahrensschritt 12 wird zunächst das Vorhandensein zumindest eines Magnetfelds BSQ einer externen Strahlungsquelle, insbesondere einer nicht dem Referenzgegenstand 200, 200a, 200b zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung 202, detektiert. Dabei wird das Vorhandensein mittels der Magnetfelderfassungsvorrichtung 202 des ersten Gegenstands 100, 100a, 100b und/oder mittels der dem Referenzgegenstand 200, 200a, 200b zugeordneten Magnetfelderzeugungsvorrichtung 202 detektiert. Die Detektion umfasst dabei die Ermittlung einer Modulationsfrequenz fSQ des Magnetfelds BSQ und die Detektion von Pausenzeiten in der Erzeugung TSQ des Magnetfelds BSQ. In Abhängigkeit dieser ermittelten Modulationsfrequenz(en) fSQ und Pausenzeiten in der Erzeugung TSQ des Magnetfelds BSQ werden sowohl die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 als auch Pausenzeiten in der Erzeugung T1, T2, T3 der Magnetfelder B1, B2, B3 angepasst. Dabei werden die Pausenzeiten in der Erzeugung T1, T2, T3 der Magnetfelder B1, B2, B3 derart gewählt, dass die Erzeugung der Magnetfelder B1, B2, B3 in den Pausenzeiten in der Erzeugung TSQ des Magnetfelds BSQ erfolgt. Ferner werden die Frequenzen f1, f2, f3 derart gewählt, dass sie unterschiedlich von der Modulationsfrequenz fSQ sind.In a first
Ferner wird im ersten optionalen Verfahrensschritt 12 ein Einfluss eines Störfelds am ersten Gegenstand 100, 100a, 100b erfasst (der später im Verfahrensschritt 16 zur Kompensation des Störfelds genutzt werden kann).Furthermore, in the first
In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt 14 werden die (ggf. in Verfahrensschritt 12 gewählten bzw. modifizierten) Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 von der Magnetfelderzeugungsvorrichtung 202 des Referenzgegenstands 200, 200a, 200b zur Magnetfelderfassungsvorrichtung 112 des ersten Gegenstands 100, 100a, 100b mittels der drahtlosen Kommunikationsverbindung (hier realisiert als Funkverbindung) übermittelt und als Referenzsignal eines Lock-in-Verstärkers (hier nicht näher dargestellt) der Magnetfelderfassungsvorrichtung 112 verwendet, sodass in Verfahrensschritt 20 eine signifikante Verbesserung eines Signal-Rausch-Verhältnisses beim Ermitteln der Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| und folglich der relativen Position P realisierbar ist.In a further
In Verfahrensschritt 16 werden sodann drei gerichtete Magnetfelder B1, B2, B3 (vgl.
Im optionalen Verfahrensschritt 18 wird der zuvor im optionalen Verfahrensschritt 12 ermittelte Einfluss des Störfelds genutzt, um diesen durch Steuern und/oder Regeln eines mittels zumindest einer (nicht näher dargestellten) Kompensationsspule emittierten elektromagnetischen Überlagerungsfelds zu kompensieren. Insbesondere wird die Emission des Überlagerungsfelds während des Erfassens der Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| in Verfahrensschritt 20 aufrechterhalten.In
In Verfahrensschritt 20 werden mittels der Magnetfelderfassungsvorrichtung 112, 112a des ersten Gegenstands 100, 100a, 100b Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| und Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 an dem Punkt im Raum erfasst, an dem sich der erste Gegenstand 100, 100a, 100b zu diesem Zeitpunkt befindet.In
Im optionalen Verfahrensschritt 22 können ferner mittels zumindest einer weiteren Magnetfelderfassungsvorrichtung i 112, 112b, 112c des ersten Gegenstands 100, 100b, Magnetfeldstärken |Bx2,3(P)|, |By2,3(P)|, |Bz2,3(P)| und Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 erfasst werden, die später im optionalen Unterverfahrensschritt 24b zur Auswertung genutzt werden können.In
In Verfahrensschritt 24 wird die relative Position P des ersten Gegenstands 100, 100a, 100b bezüglich des zumindest einen Referenzgegenstands 200, 200a, 200b mittels der Auswertevorrichtung 302 des Systems 300, 300a, 300b aus den erfassten, über die erfassten Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 den gerichteten Magnetfeldern B1, B2, B3 zuordenbaren Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)|, ermittelt. Dies kann einerseits durch mathematische Berechnung erfolgen, andererseits durch Vergleich der erfassten Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| mit einer Magnetfeldkarte. In diesem Ausführungsbeispiel wird zur Erhöhung der Präzision eine Kombination aus beiden Varianten genutzt. In der Magnetfeldkarte sind für den gesamten (möglichen) Bewegungsbereich des ersten Gegenstands 100, 100a, 100b die zu erwartenden Magnetfeldstärken |Bx(P)|, |By(P)|, |Bz(P)| hinterlegt. Diese Magnetfeldkarte kann beispielsweise initial erstellt worden sein und kontinuierlich aktualisiert werden (vgl. Unterverfahrensschritt 24c), um insbesondere Einflüsse von temporären Störfeldern berücksichtigen zu können. Die Ermittlung der relativen Position in Verfahrensschritt 24 umfasst ebenfalls die Übersendung der erforderlichen Messdaten an die Auswertevorrichtung 302.In
Im optionalen Unterverfahrensschritt 24a werden beim Ermitteln der relativen Position P weitere Positionsdaten, wie sie beispielsweise mit der internen Sensorvorrichtung 120 in Form des Odometriesensors 120a erfasst werden (vgl.
Im optionalen Unterverfahrensschritt 24b wird mittels der Auswertevorrichtung 302 eine Relation der Magnetfeldstärken in Form eines Magnetfeldgradientens als komponentenweise Differenz |Bxi(P)| - |Bx(P)|, |Byi(P)| - |By(P)| bzw. |Bzi(P)| - |Bz(P)| ermittelt, wobei i = 2,3 die Werte der weiteren Magnetfelderfassungsvorrichtung 112, 112b, 112c kennzeichnet. Dabei werden jeweils diejenigen Werte subtrahiert, die von parallel ausgerichteten Empfängerspulen bereitgestellt werden. Dabei wird anhand eines Vorzeichens der Relation eine eindeutige Identifikation der relativen Position P zu einem Quadranten des Magnetfelds durchgeführt. Gleichzeitig wird mittels der rotationssensitiven Sensorvorrichtung 122 in Form des Odometriesensors 120a eine Bewegungsrichtungsänderung, insbesondere eine Bewegungsrichtungsumkehr um 180°, des ersten Gegenstands 100, 100b erfasst, wobei im Falle einer Bewegungsrichtungsumkehr eine Vorzeichenumkehr der Relation unberücksichtigt bleibt (bzw. das Vorzeichen mit „-1“ multipliziert).In the optional
Im optionalen Unterverfahrensschritt 24c werden bei einer Bewegung des ersten Gegenstands 100, 100b zur Detektion von Magnetfeldverzerrungen Abweichungen der Relation von gemäß der definierten Anordnung der Magnetfelderfassungsvorrichtung 112, 112a und der zwei weiteren Magnetfelderfassungsvorrichtung 112, 112b, 112c (i=2, 3) erwarteten Soll-Relationen ausgewertet. Diese Abweichungen lassen auf entsprechende Magnetfeldverzerrungen oder Einflüsse von Störfeldern schließen. Sofern detektiert, werden diese Magnetfeldverzerrungen in der Magnetfeldkarte gespeichert, indem diese aktualisiert oder die bereits enthaltenen Werte mit den neuen fusioniert werden.In the optional
Im optionalen Unterverfahrensschritt 24d werden abschließend in jeder Modulationsfrequenz f1, f2, f3 der Magnetfelder B1, B2, B3 und/oder in der Gesamtheit der Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 gemeinsam codierte Systeminformationen von der Auswertevorrichtung 302 decodiert.In optional
In Verfahrensschritt 26 werden abschließend zumindest die ermittelte relative Position P, optional die daraus berechnete absolute Position sowie optional die decodierte Systeminformation an einem Ausgang der Auswertevorrichtung 302 zur weiteren Nutzung oder Verarbeitung bereitgestellt.Finally, in
In
Bewegt sich der Roboter nun über die Quadrantengrenze 208 hinweg, so steigt die erfasste Magnetfeldstärke zunächst an der ersten Magnetfelderfassungsvorrichtung 112a, während die von den zwei weiteren Magnetfelderfassungsvorrichtungen 112b, 112c erfasste Magnetfeldstärke noch sinkt. Ab einem bestimmten Punkt gilt dann |Bx2 B1(P)| - |Bx(P)| < 0, |Bx3 B1(P)| - |Bx(P)| < 0, sodass aus der Umkehr des Vorzeichens der Relationen |Bx2 B1(P)| - |Bx(P)| bzw. |Bx3 B1(P)| - |Bx(P)| auf einen Übergang in einen anderen Quadranten geschlossen werden kann. Ist die Ausgangsposition des ersten Gegenstands 100, 100b bekannt, so kann stets eine eindeutige Zuordnung der relativen Position P trotz Mehrdeutigkeit des Magnetfelds 210 erreicht werden. Mittels des rotationssensitiven Sensors wird ferner eine Bewegungsrichtungsänderung, insbesondere eine Bewegungsrichtungsumkehr um 180°, des Roboters erfasst. Sollte der Roboter in seiner Bewegungsrichtung umkehren, wird die Vorzeichenumkehr der Relationen dadurch berücksichtigt, dass die Relation |Bx2 B1(P)| - |Bx(P)| bzw. |Bx3 B1(P)| - |Bx(P)| mit „-1“ multipliziert wird.If the robot now moves beyond the
Unter Verwendung der drei Magnetfelderfassungsvorrichtung 112a, 112b, 112c lassen sich ferne auch Magnetfeldverzerrungen detektieren. Durch die bekannte Ausrichtung, insbesondere auch die bekannten Abstände, der Magnetfelderfassungsvorrichtung 112a, 112b, 112c kann ein Abgleich der Relation von gemäß der definierten Anordnung der Magnetfelderfassungsvorrichtungen 112a, 112b, 112c erwarteten Soll-Relationen ausgewertet werden. Weichen gemessene und erwartete Werte voneinander ab, so kann auf eine Magnetfeldverzerrung geschlossen werden. Wie beschrieben, können derartige detektierte Magnetfeldverzerrungen in der Magnetfeldkarte gespeichert werden (vgl.
In
Dabei werden in Abhängigkeit zuvor ermittelter Magnetfelder BSQ - die hier durch jeweils die Magnetfelder der übrigen Roboter gegeben sind - die Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 und Pausenzeiten in der Erzeugung T1, T2, T3 der Magnetfelder B1, B2, B3 angepasst (vgl.
Für die Konstellation der
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