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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Berechnung und Zuordnung von Nutzungskoordinaten zu ortsfesten Funktransceivern eines Lokalisierungssystems.
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Weiter betrifft die Erfindung ein System zur Berechnung und Zuordnung von Nutzungskoordinaten zu ortsfesten Funktransceivern eines Lokalisierungssystems.
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Aus der
DE102018110145A ist ein Innenraumortungssystem mit räumlich fest installierten Sende-Empfangseinheiten und mobilen Sende-Empfangseinheiten bekannt.
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Lokalisierungssysteme basieren auf der Berechnung von Abständen und oder Winkeln zu Raumpunkten mit bekannten Koordinaten. Als Raumpunkte mit bekannten Koordinaten dienen typischerweise ortsfeste Funktransceiver, die auch als Anker bezeichnet werden. Bei der Einrichtung des Lokalisierungssystems ist es daher notwendig die Koordinaten der Anker zu bestimmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmung der Koordinaten der Anker zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Berechnung und Zuordnung von Nutzungskoordinaten zu ortsfesten Funktransceivern eines Lokalisierungssystems, wobei das Lokalisierungssystem eine Vielzahl ortsfester Funktransceiver umfasst, wobei das Lokalisierungssystem mehrere erste relative Ortsbezüge zwischen den Funktransceivern, insbesondere mittels einer Ultrabreitband Funktechnologie, bestimmt, wobei zusätzliche Informationen bereitgestellt werden, wobei die zusätzlichen Informationen mehrere Plankoordinaten enthalten, wobei für die ortsfesten Funktransceiver mittels der zusätzlichen Inform und der ersten relativen Ortsbezüge jeweils Nutzungskoordinaten berechnet und zugeordnet werden.
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Die relativen ersten Ortsbezüge können als Entfernungen und/oder Winkel bestimmt werden. Die Entfernung zwischen zwei ortsfesten Funktransmittern kann bspw. über eine Laufzeitmessung von Funksignalen zwischen den ortsfesten Funktransmittern bestimmt werden. Insbesondere bei Nutzung einer Ultrabreitband-Funktechnologie ist eine sehr genaue Entfernungsmessung möglich. Alternativ oder zusätzlich zur Entfernung können Empfangswinkel von Funksignalen bestimmt werden. Ein ortsfester Funktransmitter mit mehreren Antennen oder einem Antennenarray kann den Winkel bestimmen, aus dem ein Funksignal empfangen wird.
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Aus den ersten relativen Ortsbezügen kann, bspw. mittels Trilateration und/oder Triangulation, eine Karte erstellt werden, welche die Positionen der ortsfesten Funktransmitter zueinander angibt. Eine so erstellte Karte kann eindeutig oder auch mehrdeutig sein.
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Plankoordinaten geben Koordinaten an, an denen ortsfeste Funktransmitter bevorzugt vorhanden sind. Es versteht sich, dass Plankoordinaten unbesetzt bleiben können. Ebenso können ortsfeste Funktransmitter an anderen Koordinaten, welche keine Plankoordinaten sind, vorhanden sein. Bevorzugt ist eine Mehrzahl der ortsfesten Funktransmitter im Wesentlichen jeweils an einer der Plankoordinaten vorhanden.
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Ausgehend von den Plankoordinaten werden die Nutzungskoordinaten der ortsfesten Funktransceiver berechnet und die Nutzungskoordinaten den ortsfesten Funktransceivern zugeordnet.
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Die Nutzungskoordinaten sind die den ortsfesten Funktransceivern zugeordneten Koordinaten, welche bei der Nutzung des Lokalisierungssystems genutzt werden. Basierend auf den Nutzungskoordinaten der ortsfesten Funktransceiver können Positionen von mobilen Funktransceivern bestimmt werden.
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Bevorzugt werden die Plankoordinaten aus einer Referenzkarte entnommen.
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In der Referenzkarte sind die geplanten Positionen der ortsfesten Funktransmitter angegeben. Bevorzugt sind in der Referenzkarte weitere Objekte wie bspw. Wände verzeichnet. Die Plankoordinaten stehen so direkt in einer Relation zu Umgebungsobjekten.
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In einer Ausgestaltung wird eine grafische Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Plankoordinaten in die Referenzkarte bereitgestellt. Bei einer Eintragung in eine digitale Karte können die Positionen direkt als Plankoordinaten genutzt werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung werden die Plankoordinaten mittels einer Bildverarbeitung aus der Referenzkarte extrahiert. Die Plankoordinaten können bspw. in Form von vorbestimmten Symbolen in der Referenzkarte vermerkt sein, sodass die vorbestimmten Symbole mittels einer Bildverarbeitung erkannt und deren Position in der Karte bestimmt wird. Dies ermöglicht eine sehr einfache Bestimmung der Plankoordinaten aus einer für Menschen verständlichen Darstellung.
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In einer weiteren Ausgestaltung stammen die Plankoordinaten aus einer früheren Einrichtung des Lokalisierungssystems. Das Verfahren überprüft dann, ob die ortsfesten Funktransmittern an den alten Positionen verblieben sind. Die Einrichtung des Lokalisierungssystems kann so sehr leicht überprüft und korrigiert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Nutzungskoordinaten so berechnet, dass zweite relative Ortsbezüge zwischen den Nutzungskoordinaten im Wesentlichen den ersten relativen Ortsbezügen entsprechen. Im Wesentlichen bedeutet hier, dass die gemessenen ersten relativen Ortsbezüge Messunsicherheiten aufweisen. Es kann daher ggf. unmöglich sein, alle ersten relativen Ortsbezüge perfekt zu erfüllen. In dem Fall erfolgt die Berechnung der Nutzungskoordinaten so, dass die Abweichung im Sinne der Anwendung möglichst optimal wird. Dabei werden Abweichungen ggf. mit den Messunsicherheiten gewichtet, d.h. bei großer Messunsicherheit wird eine größere Abweichung toleriert als bei einer kleinen Messunsicherheit.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden für eine Mehrzahl der ortsfesten Funktransmitter die Nutzungskoordinaten so berechnet, dass Differenzen zwischen den jeweiligen Nutzungskoordinaten und den jeweils nächstliegenden Plankoordinaten minimiert werden. Mit anderen Worten werden die Nutzungskoordinaten so berechnet, dass möglichst viele Nutzungskoordinaten möglichst nah an Plankoordinaten liegen. Das Verfahren sorgt so dafür, dass die Nutzungskoordinaten möglichst gut den Plankoordinaten entsprechen.
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Besonders bevorzugt werden die Differenzen zwischen den ersten und zweiten relativen Ortsbezügen und zwischen den jeweiligen Nutzungskoordinaten und den jeweils nächstliegenden Plankoordinaten gleichzeitig minimiert. Die berechneten Nutzungsdaten bilden dann einen Kompromiss aus möglichst guter Nachbildung der ersten relativen Ortsbezüge und der Annäherung an die Plankoordinaten.
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Bevorzugt werden die Differenzen zwischen den jeweiligen Nutzungskoordinaten und den jeweils nächstliegenden Plankoordinaten und/oder den ersten und zweiten relativen Ortsbeziehungen nach einer linearen oder quadratischen Metrik, insbesondere der Metrik der kleinsten Fehlerquadrate, minimiert.
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Bevorzugt ist zumindest eine der Plankoordinaten einem der ortsfesten Funktransceiver zugeordnet. Für diesen ortsfesten Funktransceiver wird die Differenz der Nutzungskoordinaten zu den zugeordneten Plankoordinaten minimiert. Die zugeordnete Plankoordinaten ist dabei nicht zwangsweise die nächstliegende Plankoordinate.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Nutzungskoordinaten in einer Kontrollkarte visualisiert. Die Kontrollkarte kann dabei auf der Referenzkarte basieren. Die Visualisierung ermöglicht eine sehr einfache Kontrolle der berechneten und zugeordneten Nutzungskoordinaten. Besonders bevorzugt werden zusätzlich zu den Nutzungskoordinaten die Plankoordinaten visualisiert. Dies ermöglicht eine einfache Kontrolle der Abweichung der Nutzungskoordinaten von den Plankoordinaten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung gibt zumindest einer der ortsfesten Funktransceiver ein akustisches oder visuelles Signal aus und die Nutzungskoordinaten des signalausgebenden ortsfesten Funktransceivers werden auf der Kontrollkarte visualisiert. Bevorzugt kann mittels einer Benutzerschnittstelle ein ortsfester Funktransceiver ausgewählt und zur Signalausgabe angeregt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein mobiler Funktransceiver in einer Umgebung der ortsfesten Funktransmitter bewegt, wobei dritte relative Ortsbezüge zwischen den ortsfesten Funktransmittern und dem mobilen Funktransmitter bestimmt werden, wobei die dritten relativen Ortsbezüge bei der Berechnung der Nutzungskoordinaten berücksichtigt werden. Wie die dritten relativen Ortsbezüge genutzt werden können, ist aus der Dissertation „Automatisierte Integration von funkbasierten Sensornetzen auf Basis simultaner Lokalisierung und Kartenerstellung" von Richard Weber bekannt, abzurufen unter https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-752459. Der Inhalt der Dissertation wird hiermit per Referenz vollumfänglich aufgenommen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein System zur Berechnung und Zuordnung von Nutzungskoordinaten zu Ortsfesten Funktransceivern eines Lokalisierungssystems, wobei das System eine Vielzahl von ortsfesten Funktransceivern und eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit kommunikativ mit den ortsfesten Funktransceivern gekoppelt ist, wobei die Recheneinheit zumindest eine Schnittstelle zum Einlesen von zusätzlichen Informationen aufweist, wobei die Recheneinheit dazu vorgesehen und eingerichtet ist, ein vorstehend beschriebenes Verfahren durchzuführen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schnittstelle eine Benutzerschnittstelle, insbesondere eine grafische Benutzerschnittstelle. Über die Benutzerschnittstelle können bspw. Plankoordinaten eingegeben werden oder Karten wie eine Referenzkarte oder eine Kontrollkarte ausgegeben werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schnittstelle mit einem Speicher verbunden, wobei auf dem Speicher Plankoordinaten, insbesondere in Form einer Referenzkarte, abgelegt sind.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwareabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer ausgeführt wird.
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Bevorzugt ist das Computerprogrammprodukt auf einem Speicher, insbesondere einem nichtflüchtigen Speicher, gespeichert.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung ortsfester Funktransceiver und relativer erster Ortsbezüge zwischen den Funktransceivern;
- 1b eine weitere schematische Darstellung ortsfester Funktransceiver und relativer erster Ortsbezüge zwischen den Funktransceivern;
- 2 eine schematische Darstellung einer Referenzkarte mit Plankoordinaten;
- 3 eine schematische Darstellung einer Kontrollkarte;
- 4 eine schematische Darstellung der Bestimmung einer Position eines mobilen Funktransceiver;
- 5 eine schematische Darstellung der Nutzung eines mobilen Funktransmitters zur Verbesserung der Nutzungskoordinaten; und
- 6 ein Ablaufplan.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In den 1a und 1b ist ein Lokalisierungssystem 100 mit einer Vielzahl von ortsfesten Funktransceivern 102 dargestellt. Die ortsfesten Funktransceiver 102 sind dazu eingerichtet, Funksignale zu versenden und zu empfangen und aus der Laufzeit der Funksignale zwischen den Funktransceivern 102 Entfernungen zwischen den Funktransceivern zu bestimmen. In einer nicht dargestellten Varianten können anstelle der Entfernungen oder zusätzlich zu den Entfernungen Empfangswinkel der Funksignale bestimmt werden. Eine Winkelbestimmung ist bspw. mit mehreren Empfangsantennen an einem Funktransceiver oder einem Antennenarray möglich. Entfernungen und/oder Winkel werden als erste relative Ortsbeziehung 104 bezeichnet.
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Basierend auf den ersten relativen Ortsbeziehungen 104 zwischen den ortsfesten Funktransceivern 102 können die relativen Positionen der ortsfesten Funktransceiver zueinander bestimmt werden. In den 1a und 1b sind zwei mögliche relative Positionen der ortsfesten Funktransceiver 102 mit identischen ersten relativen Ortsbeziehungen 104 dargestellt. Ob sich aus den ersten relativen Ortsbeziehungen 104 zwischen den ortsfesten Funktransceivern 102 eindeutige relative Positionen der ortsfesten Funktransceiver 102 bestimmen lassen, hängt vom Einzelfall ab.
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In 2 ist eine Referenzkarte 106 dargestellt. In der Referenzkarte 106 sind Wände 107 und Plankoordinaten 108 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Wände 107 und nicht alle Plankoordinaten 108 mit Bezugszeichen versehen. Die Plankoordinaten 108 geben an, wo ortsfeste Funktransceiver relativ zu den Wänden 107 zu erwarten sind.
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In 3 ist eine Kontrollkarte 114 dargestellt. In der Kontrollkarte 114 werden die Nutzungskoordinaten 110 der ortsfesten Funktransceiver 102 zusammen mit den Wänden 107 und den Plankoordinaten 108 dargestellt. Zusätzlich sind zweite relative Ortsbeziehungen 112 zwischen den Nutzungskoordinaten 110 dargestellt. Aus Gründen der Übersicht sind nicht alle zweiten relativen Ortsbeziehungen 112, Plankoordinaten 108 und Nutzungskoordinaten 110 mit Bezugszeichen versehen. Es ist erkennbar, dass die Nutzungskoordinaten 110 nicht mit den Plankoordinaten 108 übereinstimmen. Die Nutzungskoordinaten 110 wurden so berechnet, dass die Differenzen möglichst vieler Nutzungskoordinaten 110 zu jeweils einer Plankoordinate 108 minimiert werden und gleichzeitig die Differenz der zweiten relativen Ortsbeziehungen 112 zu den ersten relativen Ortsbeziehungen 104 minimiert wird. In einem perfekten Fall würden alle Differenzen verschwinden. In den meisten Fällen werden wie in diesem Beispiel die Differenzen nach einer geeigneten Metrik, hier der Metrik der kleinsten Fehlerquadrate, minimiert werden müssen.
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Die Berechnung der Nutzungskoordinaten 110 aus den ersten relativen Ortsbeziehungen 104 und den Plankoordinaten 108 wird durch eine Recheneinheit 116 durchgeführt. Die Recheneinheit 116 erhält die ersten relativen Ortsbeziehungen 104 und die Plankoordinaten 108, bspw. in Form der Referenzkarte 106 aus 2, und berechnet die Nutzungskoordinaten 110 der der ortsfesten Funktransceiver 102. Die Nutzungskoordinaten 110 werden von der Recheneinheit 116 über eine Ausgabevorrichtung 118 ausgegeben, bspw. in Form einer Kontrollkarte 114. Es versteht sich, dass die Nutzungskoordinaten 110 auch an eine andere Recheneinheit ausgegeben werden können. Alternativ oder zusätzlich können die Nutzungskoordinaten 110 auf einem Speicher abgelegt und von der Recheneinheit 116 später genutzt werden, bspw. bei der Ausführung einer Anwendung, welche die Nutzungskoordinaten benötigt.
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Die Ausgabevorrichtung 118 ist in diesem Beispiel ein Touchscreen, über den die Recheneinheit 116 eine grafische Benutzerschnittstelle darstellen und Eingaben entgegennehmen kann. Mittels der grafischen Benutzerschnittstelle kann ein Nutzer bspw. Plankoordinaten eingeben oder ändern. Alternativ oder zusätzlich kann der Nutzer über die Benutzerschnittstelle ortsfeste Funktransceiver 102 auswählen, die ein akustisches oder visuelles Signal ausgeben sollen. Die Nutzungskoordinaten 110 des ortsfesten Funktransceivers, welcher ein Signal ausgegeben hat, werden dann über die Ausgabevorrichtung 118 visualisiert.
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Eine spezifische Plankoordinate 108a ist einem spezifischen ortsfesten Funktransceiver 102a zugeordnet. Für diesen Funktransceiver 102a wird die Differenz der Nutzungskoordinate 110 zu der zugeordneten Plankoordinate 108a minimiert und keine weitere Plankoordinate beachtet.
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In diesem Beispiel wird für sechs von sieben ortsfesten Funktransceivern 102 die Differenz der Nutzungskoordinaten 110 zu den jeweils nächstliegenden Plankoordinaten 108 minimiert. Die Nutzungskoordinate 110 eines ortsfesten Funktransceivers 102b liegt so weit weg von allen Plankoordinaten, dass die Differenz der Koordinaten nicht minimiert wird. Stattdessen wird angenommen, dass dieser ortsfeste Funktransceiver 102b abweichend von den Plankoordinaten angebracht wurde.
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In diesem Beispiel liegt eine Plankoordinate 108b so weit weg von den Nutzungskoordinaten 110 der ortsfesten Funktransceiver 102, dass angenommen wird, dass kein Funktransceiver an dieser Plankoordinate 108b vorhanden ist.
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Dass die Anzahl der Plankoordinaten 108 und der Nutzungskoordinaten 110 in diesem Beispiel identisch ist, ist zufällig. Im Allgemeinen kann es mehr oder weniger Plankoordinaten 108 als Nutzungskoordinaten 110 geben.
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In 4 ist gezeigt, wie basierend auf den Nutzungskoordinaten 110 der ortsfesten Funktransceiver 102 die Position eines mobilen Funktransceivers 120 bestimmt wird. Die ortsfesten Funktransceiver 102 und der mobile Funktransceiver 120 tauschen Funksignale, hier ultrabreitbandige Impulse, aus und messen die Laufzeiten der Funksignale. Aus den Laufzeiten der Funksignale werden dritte relative Ortsbezüge 122 zwischen den ortsfesten Funktransceivern 102 und dem mobilen Funktransceiver 120 bestimmt. Aus den Nutzungskoordinaten 110 der ortsfesten Funktransceiver 102 und den dritten relativen Ortszügen 122 wird die Position des mobilen Funktransceivers 120 bestimmt.
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In 5 ist gezeigt, dass ein mobiler Funktransceiver 120 entlang einer Trajektorie 124 bewegt wird. Während der Bewegung des mobilen Funktransceivers 120 werden mehrfach dritte relative Ortsbezüge 122 zwischen dem mobilen Funktransceiver 120 und den ortsfesten Funktransceivern bestimmt. Die so gewonnenen dritten relativen Ortsbezüge werden mit den ersten relativen Ortsbezügen 104 verrechnet und ermöglichen so die Berechnung der Nutzungskoordinaten 110 zu verbessern.
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In 6 ist eine Ablaufplan 200 dargestellt. In einem ersten Schritt 202 werden erste relative Ortsbezüge 104 zwischen den ortsfesten Funktransceivern 102 bestimmt. In einem zweiten Schritt 204 werden zusätzliche Informationen bereitgestellt. Die zusätzlichen Informationen enthalten zumindest mehrere Plankoordinaten. In einem optionalen dritten Schritt 206 werden dritte relative Ortsbezüge 122 zwischen den ortsfesten Funktransceivern 102 und einem mobilen Funktransceiver 120 bestimmt. In einem vierten Schritt 208 werden Nutzungskoordinaten 110 für die ortsfesten Funktransceiver 102 bestimmt und diesen zugeordnet. In einem optionalen fünften Schritt 210 werden die Nutzungskoordinaten 110 ausgegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lokalisierungssystem
- 102
- ortsfeste Funktransceiver
- 104
- erste relative Ortsbezüge
- 106
- Referenzkarte
- 108
- Plankoordinaten
- 110
- Nutzungskoordinaten
- 112
- zweite relative Ortsbezüge
- 114
- Kontrollkarte
- 116
- Recheneinheit
- 118
- Ausgabevorrichtung
- 120
- mobiler Funktransceiver
- 122
- dritte relative Ortsbezüge
- 124
- Trajektorie
- 200
- Ablaufplan
- 202
- erster Schritt
- 204
- zweiter Schritt
- 206
- dritter Schritt
- 208
- vierter Schritt
- 210
- fünfter Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Automatisierte Integration von funkbasierten Sensornetzen auf Basis simultaner Lokalisierung und Kartenerstellung“ von Richard Weber bekannt, abzurufen unter https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-752459 [0024]
