DE102020216317A1 - Indoor localization of moving objects - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (16) zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Objekts (12) innerhalb einer vorbekannten Umgebung (14), mit: einer Abstandsschnittstelle (24) zum Empfangen von Abstandsdaten von einem Abstandssensor (18) mit Informationen zu Abständen des beweglichen Objekts (12) von Umgebungsobjekten in der Umgebung (14) innerhalb eines Sichtfelds des Abstandssensors; einer ersten Lokalisierungseinheit (26) zum Ermitteln einer ersten Positionsschätzung des beweglichen Objekts (12) basierend auf den Abstandsdaten, einer vorbekannten Karte der Umgebung (14) sowie einer vorherigen Positionsschätzung des beweglichen Objekts (12); einer Signalstärkenschnittstelle (28) zum Empfangen von Signalstärkedaten mit Informationen zu Signalstärken von Funksignalen mehrerer Sender (22a-22g) in der Umgebung (14); einer Kommunikationsschnittstelle (30) zum Empfangen von Referenzdaten von einer Referenzdatenbank (20) mit Informationen zu Signalstärken von Funksignalen der mehreren Sender (22a-22g) an vorbekannten Positionen in der Umgebung (14); einer zweiten Lokalisierungseinheit (32) zum Ermitteln einer zweiten Positionsschätzung des beweglichen Objekts (12) basierend auf einem Vergleich der Signalstärkedaten mit den Referenzdaten, wenn eine Genauigkeit der ersten Positionsschätzung unterhalb eines Schwellenwerts liegt; und einer Auswerteeinheit (34) zum Ausgeben einer finalen Positionsschätzung, wobei die Auswerteeinheit zum Ermitteln der finalen Positionsschätzung basierend auf der zweiten Positionsschätzung, den Abstandsdaten, der vorbekannten Karte der Umgebung (14) sowie der vorherigen Position des beweglichen Objekts (12) ausgebildet ist, wenn eine Genauigkeit der ersten Positionsschätzung unterhalb des Schwellenwerts liegt, und zum Ausgeben der ersten Positionsschätzung als finale Positionsschätzung ausgebildet ist, wenn die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung oberhalb des Schwellenwerts liegt. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System (10) und ein Verfahren.The present invention relates to a device (16) for determining a position of a moving object (12) within a previously known environment (14), having: a distance interface (24) for receiving distance data from a distance sensor (18) with information on distances of the moving object Object (12) from surrounding objects in the environment (14) within a field of view of the distance sensor; a first localization unit (26) for determining a first position estimate of the moving object (12) based on the distance data, a previously known map of the surroundings (14) and a previous position estimate of the moving object (12); a signal strength interface (28) for receiving signal strength data with information on signal strengths of radio signals from a plurality of transmitters (22a-22g) in the vicinity (14); a communication interface (30) for receiving reference data from a reference database (20) with information on signal strengths of radio signals from the plurality of transmitters (22a-22g) at previously known positions in the area (14); a second locating unit (32) for determining a second position estimate of the moving object (12) based on a comparison of the signal strength data with the reference data when an accuracy of the first position estimate is below a threshold value; and an evaluation unit (34) for outputting a final position estimate, the evaluation unit being designed to determine the final position estimate based on the second position estimate, the distance data, the previously known map of the surroundings (14) and the previous position of the moving object (12), if an accuracy of the first position estimate is below the threshold value, and configured to output the first position estimate as a final position estimate if the accuracy of the first position estimate is above the threshold value. The present invention further relates to a system (10) and a method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Objekts innerhalb einer vorbekannten Umgebung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Lokalisieren beweglicher Objekte sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Objekts und ein Com puterprogram m produkt.The present invention relates to a device for determining a position of a moving object within a previously known environment. The present invention further relates to a system for locating moving objects and a method for determining a position of a moving object and a computer program product.
In verschiedenen Anwendungsfeldern ist die Lokalisierung von beweglichen Objekten, wie beispielsweise Personen oder Fahrzeugen, von hoher Relevanz. Unter dem Begriff Lokalisierung versteht sich dabei das Auffinden bzw. Ermitteln einer Position des Objekts in Bezug auf eine mehr oder weniger bekannte Umgebung. Beispielsweise ist es für autonome Fahrzeuge in industriellen Umgebungen unbedingt erforderlich, sie zu jedem Zeitpunkt lokalisieren zu können, um darauf basierend Zielorte anzusteuern und Aufgaben zu erfüllen.The localization of moving objects, such as people or vehicles, is of great relevance in various fields of application. The term localization is understood to mean finding or determining a position of the object in relation to a more or less known environment. For example, it is absolutely necessary for autonomous vehicles in industrial environments to be able to localize them at any time in order to head for destinations and fulfill tasks based on this.
Für die Lokalisierung in Innenräumen gibt es eine Reihe unterschiedlicher Ansätze. Auf der einen Seite gibt es Feature-basierte Lokalisierungsmethoden. Dazu gehören beispielsweise das auf Lidar- oder Kameradaten aufbauende 2D-/3D-Scanmatching. Dabei wird eine Kontur der aktuellen Umgebung erkannt, die dann unter Verwendung einer vorbekannten Karte oder auch ohne Karteninformation für die Lokalisierung des Agenten eingesetzt wird. Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass oft keine global eindeutigen Ergebnisse erreicht werden können, da mehrere ähnliche Konturen innerhalb derselben Umgebung vorliegen können (beispielsweise identische Bearbeitungszentren in einer Produktionshalle). Auf der anderen Seite gibt es Ansätze, bei denen Tags oder Features innerhalb der Umgebung ausgebracht werden, die von dem Agenten erkannt werden (beispielsweise basierend auf RFID oder Kamera) und deren Position bekannt ist. Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass diese Features oder Tags zunächst ausgebracht werden müssen, sodass eine zusätzliche Infrastrukturanpassung erforderlich ist. Zudem kann es gerade in dynamischen Umfeldern zu Änderungen der Umgebung kommen, bei denen die Position der Tags neu vermessen bzw. aktualisiert werden muss. Zuletzt existieren signalbasierte Lokalisierungsmethoden, bei denen anhand empfangener Signale (WiFi, Bluetooth, Ultra-Wide-Band etc.) über die Signalstärke und/oder die Signallaufzeit die Position des Agenten bestimmt wird. Ein Nachteil dieser Ansätze ist, dass entweder aufwendige Infrastrukturanpassungen, beispielsweise durch das Ausbringen von Bluetooth-Tags, notwendig sind, oder dass bei der Verwendung vorhandener Infrastruktur zumeist nur eine geringe Genauigkeit erzielt werden kann.There are a number of different approaches to indoor localization. On the one hand there are feature-based localization methods. This includes, for example, 2D/3D scan matching based on lidar or camera data. A contour of the current environment is recognized, which is then used to locate the agent using a previously known map or without map information. However, this approach has the disadvantage that it is often not possible to achieve globally unambiguous results, since there can be several similar contours within the same environment (e.g. identical machining centers in a production hall). On the other hand, there are approaches in which tags or features are deployed within the environment, which are recognized by the agent (e.g. based on RFID or camera) and whose position is known. However, this approach has the disadvantage that these features or tags must be deployed first, requiring additional infrastructure customization. In addition, changes in the environment can occur, especially in dynamic environments, in which case the position of the tags must be remeasured or updated. Finally, there are signal-based localization methods in which the position of the agent is determined using received signals (WiFi, Bluetooth, Ultra-Wide-Band, etc.) via the signal strength and/or the signal propagation time. A disadvantage of these approaches is that either complex infrastructure adaptations are necessary, for example by deploying Bluetooth tags, or that only a low level of accuracy can usually be achieved when using the existing infrastructure.
In diesem Zusammenhang betrifft die
In diesem Zusammenhang stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen zuverlässigen Ansatz zur Lokalisierung beweglicher Objekte bereitzustellen. Insbesondere soll eine Lokalisierung beweglicher Objekte in einem vorbekannten Innenraum-Umfeld, in dem es während des Betriebs zu Grundrissänderungen kommen kann, ermöglicht werden. Es soll unter möglichst geringem Aufwand für eine Anpassung der vorhandenen Infrastruktur eine genaue Lokalisierung erreicht werden.In this context, the object of the present invention is to provide a reliable approach for locating moving objects. In particular, a localization of moving objects in a previously known interior environment, in which the floor plan may change during operation, should be made possible. Precise localization should be achieved with as little effort as possible for adapting the existing infrastructure.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Objekts innerhalb einer vorbekannten Umgebung, mit:
- einer Abstandsschnittstelle zum Empfangen von Abstandsdaten von einem Abstandssensor mit Informationen zu Abständen des beweglichen Objekts von Umgebungsobjekten in der Umgebung innerhalb eines Sichtfelds des Abstandssensors;
- einer ersten Lokalisierungseinheit zum Ermitteln einer ersten Positionsschätzung des beweglichen Objekts basierend auf den Abstandsdaten, einer vorbekannten Karte der Umgebung sowie einer vorherigen Positionsschätzung des beweglichen Objekts;
- einer Signalstärkenschnittstelle zum Empfangen von Signalstärkedaten mit Informationen zu Signalstärken von Funksignalen mehrerer Sender in der Umgebung;
- einer Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen von Referenzdaten von einer Referenzdatenbank mit Informationen zu Signalstärken von Funksignalen der mehreren Sender an vorbekannten Positionen in der Umgebung;
- einer zweiten Lokalisierungseinheit zum Ermitteln einer zweiten Positionsschätzung des beweglichen Objekts basierend auf einem Vergleich der Signalstärkedaten mit den Referenzdaten, wenn eine Genauigkeit der ersten Positionsschätzung unterhalb eines Schwellenwerts liegt; und
- einer Auswerteeinheit zum Ausgeben einer finalen Positionsschätzung, wobei die Auswerteeinheit zum Ermitteln der finalen Positionsschätzung basierend auf der zweiten Positionsschätzung, den Abstandsdaten, der vorbekannten Karte der Umgebung sowie der vorherigen Position des beweglichen Objekts ausgebildet ist, wenn eine Genauigkeit der ersten Positionsschätzung unterhalb des Schwellenwerts liegt, und zum Ausgeben der ersten Positionsschätzung als finale Positionsschätzung ausgebildet ist, wenn die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung oberhalb des Schwellenwerts liegt.
- a distance interface for receiving distance data from a distance sensor with information on distances of the moving object from surrounding objects in the environment within a field of view of the distance sensor;
- a first localization unit for determining a first position estimate of the moving object based on the distance data, a previously known map of the surroundings and a previous position estimate of the moving object;
- a signal strength interface for receiving signal strength data including information on signal strengths of radio signals from a plurality of transmitters in the vicinity;
- a communication interface for receiving reference data from a reference database with information on signal strengths of radio signals from the plurality of transmitters at previously known positions in the area;
- a second localization unit for determining a second position estimate of the moving object based on a comparison of the signal strength data with the reference data when an accuracy of the first posi tion estimate is below a threshold; and
- an evaluation unit for outputting a final position estimate, the evaluation unit being designed to determine the final position estimate based on the second position estimate, the distance data, the previously known map of the area and the previous position of the moving object if an accuracy of the first position estimate is below the threshold value , and is designed to output the first position estimate as a final position estimate if the accuracy of the first position estimate is above the threshold value.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Lokalisieren beweglicher Objekte innerhalb einer vorbekannten Umgebung, mit:
- einer Vorrichtung wie zuvor definiert;
- einem Abstandssensor an dem beweglichen Objekt zum Empfangen von Abständen von Umgebungsobjekten;
- einer Referenzdatenbank zum Speichern von Referenzdaten und zum Aktualisieren der Referenzdaten basierend auf übermittelten Signalstärkedaten und finalen Positionsschätzungen; und
- mehreren Sendern zum Aussenden von Funksignalen.
- a device as previously defined;
- a distance sensor on the moving object for receiving distances from surrounding objects;
- a reference database for storing reference data and for updating the reference data based on transmitted signal strength data and final position estimates; and
- several transmitters for sending out radio signals.
Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein der Vorrichtung entsprechend ausgebildetes Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zum Durchführen der Schritte des Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. Zudem betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, eine Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens bewirkt. Further aspects of the invention relate to a method designed in accordance with the device and a computer program product with program code for carrying out the steps of the method when the program code is executed on a computer. In addition, one aspect of the invention relates to a storage medium on which a computer program is stored which, when executed on a computer, causes the method described herein to be carried out.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die Vorrichtung, das System, das Verfahren und das Computerprogrammprodukt entsprechend der für die Vorrichtung und das System in den abhängigen Ansprüchen definierten Ausgestaltungen ausgeführt sein.Preferred developments of the invention are described in the dependent claims. It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention. In particular, the device, the system, the method and the computer program product can be implemented in accordance with the configurations defined for the device and the system in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass zunächst Abstandsdaten, also Sensordaten eines Abstandssensors, empfangen werden und auf dieser Basis eine Positionsschätzung des beweglichen Objekts vorgenommen wird. Der Abstandssensor ist dabei an dem zu lokalisierenden beweglichen Objekt angeordnet. Ausgehend von einer vorbekannten Karte der Umgebung kann mittels einer Auswertung der gemessenen Abstände zu den Umgebungsobjekten, also allen Gegenständen innerhalb des Sichtfelds des Abstandssensors, eine Lokalisierung vorgenommen werden. Sofern diese Lokalisierung keine ausreichende Genauigkeit aufweist, beispielsweise aufgrund einer Uneindeutigkeit, wird eine Lokalisierung basierend auf Signalstärkedaten vorgenommen. Hierzu werden Signalstärken von Funksignalen mehrerer Sender in der Umgebung des beweglichen Objekts durch einen entsprechenden Funkempfänger am beweglichen Objekt erfasst. Diese erfassten Sensordaten werden mit vorher erfassten und gespeicherten Referenzdaten, die von einer Referenzdatenbank empfangen werden, verglichen. Es kann dann eine Zuordnung vorgenommen werden, um die eigene aktuelle Position basierend auf den zuvor gemessenen Signalstärken an Referenzpositionen festzustellen. Zuvor gemessene Signalstärken an vorbekannten Positionen werden analysiert und es wird eine Ähnlichkeit zu der aktuellen Messung bestimmt, um die Position des beweglichen Objekts zu ermitteln.According to the invention, distance data, ie sensor data from a distance sensor, is first received and the position of the moving object is estimated on this basis. The distance sensor is arranged on the moving object to be localized. Starting from a previously known map of the surroundings, localization can be carried out by evaluating the measured distances to the surrounding objects, ie all objects within the field of view of the distance sensor. If this localization does not have sufficient accuracy, for example due to ambiguity, localization is carried out based on signal strength data. For this purpose, signal strengths of radio signals from a number of transmitters in the vicinity of the moving object are detected by a corresponding radio receiver on the moving object. This captured sensor data is compared to previously captured and stored reference data received from a reference database. An association can then be made to determine one's current position based on previously measured signal strengths at reference positions. Previously measured signal strengths at previously known positions are analyzed and a similarity to the current measurement is determined to determine the position of the moving object.
Es wird also eine signalstärkenbasierte Lokalisierung basierend auf vorhandener Infrastruktur mit einer karten- bzw. abstandsbasierten Lokalisierung fusioniert. Die signalstärkenbasierte Lokalisierung ist dabei vergleichsweise ungenau, die karten- bzw. abstandsbasierte Lokalisierung ermöglicht eine hohe Genauigkeit, kann jedoch zu Mehrdeutigkeiten in der Positionsschätzung führen. Durch die Kombination der beiden Verfahren wird eine eindeutige Lokalisierung mit hoher Genauigkeit erreicht. A signal-strength-based localization based on the existing infrastructure is thus merged with a map-based or distance-based localization. The signal-strength-based localization is comparatively imprecise, while the map-based or distance-based localization enables a high level of accuracy, but can lead to ambiguities in the position estimate. By combining the two methods, a clear localization with high accuracy is achieved.
Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen ist es dabei insbesondere vorteilhaft, dass keine neue Infrastruktur installiert werden muss. In den meisten Umgebungen ist ohnehin aufgrund der Konnektivitätsanforderungen von mobilen Robotern oder Mobilgeräten bereits eine drahtlose Kommunikationstechnologie installiert. Der erfindungsgemäße Ansatz erfordert es nicht, dass Positionen der einzelnen Sender dieser drahtlosen Kommunikationstechnologie bekannt sind. Durch einen Rückgriff auf eine zuvor aufgebaute Referenzdatenbank kann die Lokalisierung durchgeführt werden. Es ergibt sich eine effizient zu realisierende Lokalisierung auch in dynamischen Umfeldern.Compared to previous approaches, it is particularly advantageous that no new infrastructure has to be installed. In most environments, wireless communication technology is already installed anyway due to the connectivity needs of mobile robots or mobile devices. The approach according to the invention does not require the positions of the individual transmitters of this wireless communication technology to be known. Localization can be carried out by accessing a previously established reference database. This results in localization that can be implemented efficiently, even in dynamic environments.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kommunikationsschnittstelle zum Übermitteln der Signalstärkedaten und der finalen Positionsschätzung an die Referenzdatenbank ausgebildet. Die Referenzdatenbank wird also mit aktuellen Informationen versorgt und insoweit aktualisiert. Dadurch, dass eine genaue und aktuelle Position in Zusammenhang mit den an dieser Position empfangenen Signalstärken gespeichert wird (Fingerabdruck einer Position), können Änderungen in der Umgebung erfasst und berücksichtigt werden. In der zentralen Referenzdatenbank werden also ständig aktualisierte Referenzdaten gesammelt. Insbesondere in Systemen, in denen mehrere bewegliche Objekte parallel betrieben werden, kann damit eine ständig aktualisierte und hochgenaue Referenzdatenbank aufgebaut und unterhalten werden. Zudem ist kein manueller Eingriff bei der Aktualisierung der Referenzdatenbank erforderlich, sodass auch insoweit der Aufwand geringgehalten wird.In a preferred embodiment, the communication interface for transmitting the signal strength data and the final position estimate tion to the reference database. The reference database is therefore supplied with current information and updated to this extent. By storing an accurate and current position in conjunction with the signal strengths received at that position (fingerprint of a position), changes in the environment can be detected and taken into account. Constantly updated reference data is thus collected in the central reference database. In systems in which several moving objects are operated in parallel, in particular, a constantly updated and highly accurate reference database can be set up and maintained. In addition, no manual intervention is required when updating the reference database, so that the effort is kept to a minimum.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Lokalisierungseinheit zum Ermitteln der ersten Positionsschätzung basierend auf einem zweidimensionalen Scan-Matching-Algorithmus ausgebildet. Im Stand der Technik sind verschiedene Scan-Matching-Ansätze bekannt. Insbesondere kann hier ein effizient berechenbarer zweidimensionaler Ansatz verwendet werden, wobei eine Lokalisierung innerhalb eines zweidimensionalen Grundrisses der Umgebung vorgenommen wird. Eine Lokalisierung auf mehreren Stockwerken kann dann beispielsweise in einfacher Weise durch eine Zusatzinformation zum Stockwerk abgebildet werden (auch als 2,5D-Lokalisierung bezeichnet). Hierbei gibt es verschiedene algorithmische Ansätze zum Zuordnen erfasster Konturen zu bekannten Konturen (Scan-Matching oder Konturabgleich).In a preferred embodiment, the first localization unit is designed to determine the first position estimate based on a two-dimensional scan matching algorithm. Various scan matching approaches are known in the prior art. In particular, an efficiently calculable two-dimensional approach can be used here, with localization being undertaken within a two-dimensional floor plan of the environment. A localization on several floors can then, for example, be mapped in a simple manner by additional information on the floor (also referred to as 2.5D localization). There are various algorithmic approaches for assigning detected contours to known contours (scan matching or contour comparison).
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Abstandsschnittstelle zum Empfangen der Abstandsdaten von einem Lidarsensor ausgebildet. Vorzugsweise können die Abstandsdaten von einem Lidarsensor mit einem 360°-Sichtfeld empfangen werden. Bei einem Lidarsensor werden Lichtsignale ausgesendet und nach einer Reflexion an Objekten in der Umgebung wieder empfangen. Es können mit vergleichsweise hoher Genauigkeit Abstände zu Objekten festgestellt werden. Insbesondere kann ein scannender Ansatz verwendet werden, bei dem mit einem rotierenden Lichtstrahl eine Umgebung zweidimensional parallel zu einer Untergrundebene abgetastet wird. Es ergibt sich eine effizient realisierbare Möglichkeit zum Ermitteln der Abstände zu Objekten in der Umgebung.In a preferred embodiment, the distance interface is designed to receive the distance data from a lidar sensor. Preferably, the distance data can be received from a lidar sensor with a 360° field of view. With a lidar sensor, light signals are emitted and then received again after being reflected by objects in the vicinity. Distances to objects can be determined with comparatively high accuracy. In particular, a scanning approach can be used in which an environment is scanned two-dimensionally parallel to a subsurface plane with a rotating light beam. An efficiently realizable possibility for determining the distances to objects in the environment results.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Abstandsschnittstelle zum Empfangen einer zweidimensionalen Kontur ausgebildet. Eine zweidimensionale Kontur ist dabei insbesondere als parallel zu einer Untergrundebene angeordnete Abbildung des Sichtfelds zu verstehen. Alle sichtbaren Objekte bzw. alle Oberflächen der sichtbaren Objekte werden erfasst, sodass eine Art Grundriss eines einsehbaren Bereichs erzeugt werden kann. Eine derartige zweidimensionale Kontur kann algorithmisch effizient verarbeitet werden, beispielsweise basierend auf Scan-Matching-Algorithmen.In a preferred embodiment, the distance interface is designed to receive a two-dimensional contour. A two-dimensional contour is to be understood in particular as an image of the field of view arranged parallel to a background plane. All visible objects or all surfaces of the visible objects are recorded so that a kind of floor plan of a visible area can be generated. Such a two-dimensional contour can be efficiently processed algorithmically, for example based on scan-matching algorithms.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Signalstärkenschnittstelle zum Empfangen von Signalstärken von Zugangspunkten eines drahtlosen Kommunikationsnetzwerks, insbesondere eines WiFi-Netzwerks, ausgebildet. Die Zugangspunkte werden über deren MAC-Adressen identifiziert. Insoweit wird ein WiFi-Fingerprinting-Ansatz umgesetzt. In den meisten Umgebungen, beispielsweise in Produktionshallen oder auch in Büro- oder Verwaltungsgebäuden sind ohnehin WiFi-Netzwerke vorhanden, um eine drahtlose Kommunikation zu ermöglichen. Diese verfügen über verschiedene Zugangspunkte, die als Sender drahtlose Signale aussenden, deren Signalstärken erfasst werden können. Es wird sozusagen auf eine vorhandene Infrastruktur zurückgegriffen, sodass eine effiziente Installierbarkeit bzw. ein effizienter Betrieb möglich sind.In a preferred embodiment, the signal strength interface is designed to receive signal strengths from access points of a wireless communication network, in particular a WiFi network. The access points are identified by their MAC addresses. In this respect, a WiFi fingerprinting approach is implemented. In most environments, for example in production halls or in office or administration buildings, WiFi networks are already available to enable wireless communication. These have various access points that act as transmitters that emit wireless signals whose signal strengths can be recorded. An existing infrastructure is used, so to speak, so that efficient installability and efficient operation are possible.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite Lokalisierungseinheit zum Ermitteln der zweiten Positionsschätzung basierend auf einem Kleinste-Federquadrate-Ansatz ausgebildet. Unter einem Kleinste-Federquadrate-Ansatz versteht sich dabei ein Ansatz, bei dem als Metrik zum Bestimmen einer mehrdimensionalen Abweichung Abstände in einzelnen Dimensionen jeweils quadratisch bewertet werden. Es handelt sich um einen Standardansatz, der eine effizient berechenbare Bewertung von Abständen ermöglicht. Eine genaue und effiziente Lokalisierung kann erreicht werden.In a preferred embodiment, the second localization unit is designed to determine the second position estimate based on a least spring squares approach. A least spring squares approach is understood to be an approach in which distances in individual dimensions are each squarely evaluated as a metric for determining a multidimensional deviation. It is a standard approach that enables an efficiently calculable evaluation of distances. Accurate and efficient localization can be achieved.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite Lokalisierungseinheit zum Ermitteln der zweiten Positionsschätzung basierend auf einem Interpolationsverfahren ausgebildet. Insbesondere wird ein lineares oder ein modellbasiertes Interpolationsverfahren verwendet. Eine Interpolation ist insbesondere dann erforderlich, wenn ein Zwischenwert zwischen zwei bekannten Positionen bzw. zwei Fingerabdrücken verwendet werden soll. Hierbei gibt es verschiedene Ansätze, um einerseits zutreffende Ergebnisse zu erreichen und andererseits eine effiziente Berechenbarkeit sicherzustellen.In a preferred embodiment, the second localization unit is designed to determine the second position estimate based on an interpolation method. In particular, a linear or a model-based interpolation method is used. An interpolation is required in particular when an intermediate value between two known positions or two fingerprints is to be used. There are different approaches to achieve accurate results on the one hand and to ensure efficient calculability on the other.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kommunikationsschnittstelle zum Empfangen von Referenzdaten mit einer Liste von Positionen und zugeordneten Signalstärken ausgebildet. Die zweite Lokalisierungseinheit ist zum Ermitteln der zweiten Positionsschätzung als diejenige Position der Liste ausgebildet, bei der die Signalstärkedaten eine kleinste Abweichung von den Signalstärkedaten der Liste aufweisen. Insbesondere kann eine Liste von Positionen und zugeordneten Signalstärken empfangen werden. Die Signalstärken verschiedener Sender werden in einem sogenannten Fingerabdruck einer Position zugeordnet. Es wird eine Liste der Fingerabdrücke empfangen. Es kann dann eine Abweichung der aktuellen Messung von den Fingerabdrücken vorgenommen werden. Diejenige bekannte Position, die die kleinste Abweichung aufweist, wird als aktuelle Position identifiziert. Es ergibt sich eine effiziente Berechenbarkeit bei hoher Genauigkeit.In a preferred embodiment, the communication interface is designed to receive reference data with a list of positions and assigned signal strengths. The second localization unit is designed to determine the second position estimate as that position on the list at which the signal strength data have the smallest deviation from the signal strength data on the list. In particular, a list of positions and associated signal strengths can be received will. The signal strengths of different transmitters are assigned to a position in a so-called fingerprint. A list of fingerprints is received. A deviation of the current measurement from the fingerprints can then be made. The known position that has the smallest deviation is identified as the current position. Efficient calculability with high accuracy results.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit zum Ermitteln der finalen Positionsschätzung basierend auf einem Schätzverfahren ausgebildet. Insbesondere kann ein Partikelfilter oder ein Extended-Kalman-Filter als Schätzverfahren verwendet werden. Ein Extended-Kalman-Filter kann dabei unter Umständen eine optimale Lösung ermöglichen, wenn Messfehler normal verteilt auftreten. Zudem ist ein Extended-Kalman-Filter vergleichsweise effizient zu berechnen. Ein Partikelfilter kann auch für Messfehler beliebiger statistischer Verteilungen gute Ergebnisse liefern, ist jedoch oft aufwendiger zu berechnen. Je nach Anwendungsszenario kann ein für dieses Anwendungsszenario geeignetes Schätzverfahren gewählt werden. Es ergibt sich eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der finalen Positionsschätzung.In a preferred embodiment, the evaluation unit is designed to determine the final position estimate based on an estimation method. In particular, a particle filter or an extended Kalman filter can be used as an estimation method. An extended Kalman filter can, under certain circumstances, enable an optimal solution if measurement errors occur with normal distribution. In addition, an extended Kalman filter can be calculated comparatively efficiently. A particle filter can also provide good results for measurement errors of any statistical distribution, but is often more complex to calculate. Depending on the application scenario, an estimation method suitable for this application scenario can be selected. The result is a high level of accuracy when determining the final position estimate.
Ein bewegliches Objekt kann insbesondere ein Roboterfahrzeug in einer Industrieumgebung sein. Ein bewegliches Objekt kann aber auch ein Fußgänger oder ein anderes Fahrzeug sein. Eine vorbekannte Umgebung ist ein Umfeld, von dem eine Karte vorliegt. Insbesondere kann ein Grundriss eines Gebäudes bzw. mehrerer Gebäude vorliegen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Einsatz in Umgebungen, die zumindest teilweise im Inneren von Gebäuden sind und in denen Satellitennavigationssysteme daher nur eingeschränkt funktionieren. Eine Position des beweglichen Objekts kann insbesondere in Form von Koordinaten in einem vordefinierten Koordinatensystem gegenüber der Karte der vorbekannten Umgebung angegeben sein. Insbesondere kann eine zweidimensionale Position verwendet werden. Eine Positionsschätzung umfasst vorzugsweise sowohl eine Angabe der Position (beispielsweise in Form von Koordinaten) als auch eine Angabe einer Genauigkeit bzw. Zuverlässigkeit dieser Position, beispielsweise in Form eines Konfidenzwerts oder einer Varianz bzw. Standardabweichung. Ein Umgebungsobjekt kann sowohl ein Objekt der Infrastruktur, also eine Wand, eine Tür oder Ähnliches, als auch ein gegenüber der Infrastruktur beweglicher Gegenstand, beispielsweise eine Kiste mit Produktionsmaterialien, ein anderes Fahrzeug etc., sein.A moving object can in particular be a robotic vehicle in an industrial environment. However, a moving object can also be a pedestrian or another vehicle. A previously known environment is an environment of which a map is available. In particular, a floor plan of a building or of several buildings can be available. The device according to the invention is particularly suitable for use in environments that are at least partially inside buildings and in which satellite navigation systems therefore only function to a limited extent. A position of the moving object can be specified in particular in the form of coordinates in a predefined coordinate system relative to the map of the previously known environment. In particular, a two-dimensional position can be used. A position estimate preferably includes both an indication of the position (for example in the form of coordinates) and an indication of the accuracy or reliability of this position, for example in the form of a confidence value or a variance or standard deviation. A surrounding object can be both an object of the infrastructure, i.e. a wall, a door or similar, and an object that can move relative to the infrastructure, for example a box with production materials, another vehicle, etc.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Lokalisieren beweglicher Objekte; -
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Objekts; -
3 eine schematische Darstellung einer Lokalisierung basierend auf Abstandsdaten; -
4 eine schematische Darstellung einer Lokalisierung basierend auf Signalstärkedaten; -
5 eine schematische Darstellung einer finalen Positionsschätzung; und -
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a system according to the invention for locating moving objects; -
2 a schematic representation of a device according to the invention for determining a position of a moving object; -
3 a schematic representation of a localization based on distance data; -
4 a schematic representation of a localization based on signal strength data; -
5 a schematic representation of a final position estimate; and -
6 a schematic representation of a method according to the invention.
In der
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße System 10 in einem Produktionsumfeld eingesetzt, in dem mobile Agenten als bewegliche Objekte 12 lokalisiert werden sollen. Die beweglichen Objekte 12 können beispielsweise Einheiten eines mehr oder weniger autonom operierenden führerlosen Transportsystems sein. Mit einem derartigen Transportsystem können beispielsweise Paletten oder Waren innerhalb des Produktionsumfelds transportiert werden.In the exemplary embodiment shown, the
Die Positionen der beweglichen Objekte 12 sollen möglichst durchgehend erfassbar gemacht werden. Basierend auf den Positionen können die beweglichen Agenten einerseits navigieren und kann andererseits beispielsweise auch an zentraler Stelle eine Logistikplanung oder Ähnliches vorgenommen werden. Die Umgebung 14 ist dabei insoweit vorbekannt, als ein Grundriss bzw. eine Karte vorliegt. Die Bestimmung der Position des beweglichen Objekts 12 erfolgt insbesondere innerhalb dieser Karte.The positions of the moving
In der Umgebung befinden sich Umgebungsobjekte 23. Ein Umgebungsobjekt 23 kann beispielsweise eine Transportbox, eine Produktionsanlage oder auch eine Wand sein. Eine Herausforderung liegt dabei in sich ändernden Umgebungsbedingungen. Beispielsweise können die Anordnungen von Produktionsanlagen verändert werden oder auch Materialien an einigen Stellen abgestellt werden, wodurch sich eine Topographie der Umgebung bzw. der Grundriss der Umgebung vorübergehend verändert. Die Lokalisierung soll möglichst robust gegen derartige Änderungen sein. Zudem soll eine Lokalisierung bereitgestellt werden, die einen möglichst geringen Eingriff in die bestehende Infrastruktur erforderlich macht.Surrounding
Die Sender 22a-22g können insbesondere Zugangspunkte (Access Points) eines WLAN-Netzwerks (insbesondere eines WiFi-Netzwerks) sein, das in der Umgebung zur Herstellung einer drahtlosen Datenkommunikation betrieben wird. Es versteht sich, dass auch andere drahtlose Kommunikationsansätze verwendet werden können.The
Die Referenzdatenbank 20 kann insbesondere als zentrale Datenbank in dem Datenkommunikationsnetzwerk ausgebildet sein. Es kann also in anderen Worten ein Server im Netzwerk der Produktionsumgebung als Referenzdatenbank 20 verwendet werden. Es versteht sich, dass es aber auch möglich ist, eine Cloud-Datenbank zu verwenden.The
In der
Über die Abstandsschnittstelle 24 werden Abstandsdaten von einem Abstandssensor empfangen. Der Abstandssensor kann beispielsweise ein Lidar- oder Radarsensor sein, der an dem beweglichen Objekt angeordnet ist. Der Abstandssensor erlaubt eine Detektion von Abständen zwischen dem beweglichen Objekt und Umgebungsobjekten in der Umgebung. Umgebungsobjekte können beispielsweise Wände, Produktionsanlagen, abgestellte Gegenstände oder auch Fahrzeuge oder Personen sein. Derartige Objekte werden von dem Abstandssensor innerhalb eines Sichtfelds detektiert. Insbesondere kann eine Detektion von Objekten in einem 360°-Sichtfeld erfolgen. Hierzu kann beispielsweise ein Lidarsensor oben auf einem Fahrzeug derart angeordnet sein, dass eine 360°-Rundumsicht ermöglicht wird. Die Abstände werden dabei insbesondere laufend mit einer vorgegebenen Abtastrate erfasst. Dadurch, dass Abstände innerhalb des Sichtfelds erfasst werden, kann insbesondere eine zweidimensionale Kontur der Umgebungsobjekte innerhalb des Sichtfelds erfasst werden.Distance data is received from a distance sensor via the distance interface 24 . The distance sensor can be a lidar or radar sensor, for example, which is arranged on the moving object. The distance sensor allows detection of distances between the moving object and surrounding objects in the area. Surrounding objects can be, for example, walls, production facilities, parked objects or even vehicles or people. Such objects are detected by the distance sensor within a field of view. In particular, objects can be detected in a 360° field of view. For this purpose, for example, a lidar sensor can be arranged on top of a vehicle in such a way that a 360° all-round view is made possible. In this case, the distances are in particular continuously recorded with a predetermined sampling rate. Because distances within the field of view are detected, a two-dimensional contour of the surrounding objects can be detected within the field of view.
In der ersten Lokalisierungseinheit 26 wird basierend auf den Abstandsdaten sowie basierend auf einer vorbekannten Karte der Umgebung und einer vorherigen Positionsschätzung des beweglichen Objekts eine erste Positionsschätzung ermittelt. Hierbei kann beispielsweise ein Scan-Matching-Algorithmus eingesetzt werden, durch den die detektierten Konturen innerhalb des Sichtfelds mit Konturen aus der vorbekannten Karte verglichen werden. Es wird sozusagen durch einen Vergleich der aktuell wahrgenommenen Sensordaten mit der Karte eine Positionierung vorgenommen. Durch die zusätzliche Berücksichtigung der vorherigen Positionsschätzung kann dabei der Berechnungsaufwand wesentlich vermindert werden sowie die Genauigkeit der Positionsschätzung verbessert werden. Unter einer Positionsschätzung versteht sich vorzugsweise eine Angabe eines Mittelwerts und einer Varianz oder einer Standardabweichung in zwei Dimensionen.A first position estimate is determined in the
Über die Signalstärkenschnittstelle 28 werden Signalstärkedaten empfangen. Insbesondere werden die Signalstärken von Funksignalen zu verschiedenen WiFi-Access Points in der Umgebung empfangen bzw. detektiert. Hierzu kann die Signalstärkenschnittstelle 28 beispielsweise an ein WiFi-Modul angebunden sein. Üblicherweise ermöglichen drahtlose Kommunikationssysteme mit mehreren Zugangspunkten eine Detektion der mehreren Zugangspunkte sowie eine Aussage hinsichtlich der Signalqualität der verschiedenen Zugangspunkte. Die Signalstärkedaten umfassen insbesondere sogenannte RSSI-Werte der verschiedenen Sender.Signal strength data is received via the
Über die Kommunikationsschnittstelle 30 werden Referenzdaten von der Referenzdatenbank empfangen. Diese Referenzdaten sind dabei vorzugsweise mehrere Paare aus einer Positionsangabe und dieser Positionsangabe zugeordneten Signalstärken verschiedener Sender. Für verschiedene Positionen wird also jeweils eine Liste an Signalstärken der Sender, die an dieser Position empfangen werden, übermittelt.Reference data are received from the reference database via the
Wenn eine Genauigkeit der ersten Positionsschätzung unterhalb eines Schwellenwerts liegt, wird in der zweiten Lokalisierungseinheit 32 eine zweite Positionsschätzung ermittelt. Hierzu werden die empfangenen Signalstärkedaten, also die aktuellen Messdaten, mit den Referenzdaten verglichen. Dieser Ansatz wird insbesondere als WiFi-Fingerprinting bezeichnet. Beispielsweise kann für jede vorbekannte Position der Referenzdaten und die dieser vorbekannten Position zugeordneten Signalstärkewerte eine Abweichung von den aktuellen Signalstärkedaten ermittelt werden. Es wird dann diejenige vorbekannte Position der Referenzdaten als zweite Positionsschätzung verwendet, bei der sich die geringste Abweichung zwischen den Signalstärken der Referenzdaten und den empfangenen Signalstärkedaten ergibt. Hierzu kann beispielsweise ein Kleinster-Fehlerquadrate-Ansatz eingesetzt werden. Ebenfalls ist es möglich, ein Interpolationsverfahren einzusetzen, bei dem zwischen mehreren vorbekannten Positionen der Referenzdaten interpoliert wird.If an accuracy of the first position estimate is below a threshold value, a second position estimate is determined in the
Mittels der Auswerteeinheit 34 wird eine finale Positionsschätzung ermittelt und ausgegeben. Einerseits kann dabei die erste Positionsschätzung als finale Positionsschätzung verwendet werden, wenn die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung bereits ausreichend ist und oberhalb eines Schwellenwerts liegt. Dabei kann entweder ein vorbekannter oder auch ein dynamisch angepasster Schwellenwert verwendet werden. Wenn die Genauigkeit der ersten Positionsschätzung unterhalb des Schwellenwerts liegt, wird die finale Positionsschätzung basierend auf der zweiten Positionsschätzung, den Abstandsdaten, der vorbekannten Karte der Umgebung sowie der vorherigen Position des beweglichen Objekts ermittelt. Hierzu kann beispielsweise ein Schätzverfahren, insbesondere ein Partikelfilter oder ein Extended-Kalman-Filter, eingesetzt werden. Durch ein derartiges stochastisches Optimierungsverfahren wird basierend auf Annahmen oder bekannten Eigenschaften der Messungenauigkeiten eine möglichst zutreffende Ermittlung der eigenen Position vorgenommen.A final position estimate is determined and output by the
In den
Dabei zeigt die
Wenn festgestellt wird, dass eine Genauigkeit der mittels der Auswertung der Abstandsdaten bzw. der Konturen ermittelbaren ersten Positionsschätzung zu gering ist, wird eine weitere Positionsschätzung eingeleitet. Hierzu ist in der
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn mehrere bewegliche Objekte jeweils ihre finale Positionsschätzung und die Signalstärkedaten an die Referenzdatenbank 20 zurückübermitteln. Wie in der
In der
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.The invention has been comprehensively described and explained with reference to the drawings and the description. The description and explanation are intended to be exemplary and not limiting. The invention is not limited to the disclosed embodiments. Other embodiments or variations will become apparent to those skilled in the art upon use of the present invention upon a study of the drawings, the disclosure, and the claims that follow.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem nichtflüchtigen Datenträger gespeichert/vertrieben werden, beispielsweise auf einem optischen Speicher oder auf einem Halbleiterlaufwerk (SSD). Ein Computerprogramm kann zusammen mit Hardware und/oder als Teil einer Hardware vertrieben werden, beispielsweise mittels des Internets oder mittels drahtgebundener oder drahtloser Kommunikationssysteme. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.In the claims, the words "comprising" and "having" do not exclude the presence of other elements or steps. The undefined article "a" or "an" does not exclude the presence of a plural. A single element or unit can perform the functions of several of the units recited in the claims. An element, unit, interface, device, and system may be partially or fully implemented in hardware and/or software. The mere naming of some measures in several different dependent patent claims should not be understood to mean that a combination of these measures cannot also be used to advantage. A computer program may be stored/distributed on a non-volatile medium, such as an optical memory or a solid state drive (SSD). A computer program may be distributed with and/or as part of hardware, for example via the Internet or via wired or wireless communication systems. Reference signs in the claims are not to be understood as restrictive.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Systemsystem
- 1212
- bewegliches Objektmoving object
- 1414
- Umgebungvicinity
- 1616
- Vorrichtungcontraption
- 1818
- Abstandssensordistance sensor
- 2020
- Referenzdatenbankreference database
- 22a-22g22a-22g
- SenderChannel
- 2323
- Umgebungsobjektenvironment object
- 2424
- Abstandsschnittstelledistance interface
- 2626
- erste Lokalisierungseinheitfirst localization unit
- 2828
- Signalstärkenschnittstellesignal strength interface
- 3030
- Kommunikationsschnittstellecommunication interface
- 3232
- zweite Lokalisierungseinheitsecond localization unit
- 3434
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 3636
- Konturcontour
- 3838
- Listelist
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2019/136019 A1 [0004]WO 2019/136019 A1 [0004]
Claims (13)
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---|---|---|---|
DE102020216317.0A DE102020216317A1 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Indoor localization of moving objects |
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---|---|
DE102020216317A1 true DE102020216317A1 (en) | 2022-06-23 |
Family
ID=81846837
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DE102020216317.0A Pending DE102020216317A1 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Indoor localization of moving objects |
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---|---|
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-
2020
- 2020-12-18 DE DE102020216317.0A patent/DE102020216317A1/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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