-
Die Erfindung betrifft ein System
und Verfahren zur Messung räumlicher
Positionen, insbesondere mittels Trilateration, umfassend wenigstens
eine Benutzereinheit und mehrere Referenzeinheiten, wobei die Position
einer Benutzereinheit durch eine Ultraschalllaufzeitmessung insbesondere
zwischen der Benutzereinheit und mehreren Referenzeinheiten messbar
ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung
des Empfangszeitpunktes eines Ultraschallsignales.
-
Der Erfindung liegt das technische
Problem zugrunde, dass eine räumliche
Position (XYZ-Koordinate) wenigstens eines Benutzers wie z.B. einer
Person oder auch eines bewegten Gegenstandes in einem räumlichen
Volumen mit möglichst
hoher Auflösung
gemessen werden soll. Anwendungen, bei denen eine Positionsmessung
benötigt
wird, ist z.B. die Bestimmung der Kopfposition von Beteiligten in
einer Virtual Reality Umgebung oder Augmented Reality Umgebung.
-
Bekannt sind hier beispielsweise
Systeme, bei denen ein Magnetfeld mit fest installierten Spulen künstlich
erzeugt wird, wobei durch Bestimmung der lokalen Feldkonfiguration
die Position im Magnetfeld bestimmbar ist. Ebenso ist es bekannt
fest installierte Lichtquellen z.B. mit einer Videokamera zu beobachten
und aus dem erfassten Bild auf die Position zurückzurechnen.
-
Es ist weiterhin bekannt die Abstände zwischen
einem Benutzer bzw. einer von diesem getragenen Benutzereinheit
und mehreren feststehenden Referenzbaken bzw. Referenzeinheiten über die Messung
der Laufzeit von Ultraschallpulsen zwischen diesen Einheiten zu
bestimmen. Aus den Abständen
und den a priori bekannten vorher separat vermessenen Positionen
der Referenzbaken kann dann beispielsweise über Trilateration oder andere Methoden
die Position errechnet werden.
-
Ein auf diesem Prinzip beruhendes
System ist beispielsweise aus dem Dokument
US 6,176,837 bekannt. Bei diesem bekannten
System sind in der Decke eines Raumes an vorbekannten Positionen mehrere
Referenzbaken angeordnet, die zu einem sich bewegenden Benutzer
auf Anforderung durch einen Infrarotlichtpuls, der von einer Benutzereinheit ausgesandt
wird, Ultraschallpulse aussenden, wobei aus der zeitlichen Differenz
zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Benutzereinheit das Infrarotsignal
aussendet und das Ultraschallsignal empfängt, die Entfernung dieser
Benutzereinheit zu einer Referenzbake bestimmbar ist, die das Ultraschallsignal
ausgesandt hat.
-
Nachteilig an allen, oben genannten
Systemen ist es, dass sie eine aufwendige feste Installation mit
a priori bekannter Geometrie erfordern und aufwendig kalibriert
werden müssen.
Derartige Systeme sind dementsprechend für sich genommen nicht mobil.
Darüber
hinaus sind die auf Magnetfeldern basierenden Systeme sehr störempfindlich,
da metallische Gegenstände
oder Magnete, wie beispielsweise in Lautsprechern, das Feld stark
stören.
-
Die auf einer Ultraschalllaufzeitmessung
basierenden Systeme haben üblicherweise
eine limitierte Zahl von fest installierten Referenzbaken und können nur
einen kleinen räumlichen
Bereich abdecken. Sie sind nicht oder nur schwer auf weitere Referenzbaken
erweiterbar, da durch die zunehmende Anzahl von Messstrecken, die
nacheinander zu aktivieren sind, die Messrate stark absinkt.
-
Problematisch bei den Systemen, die
auf der Ultraschalllaufzeitmessung basieren, ist es weiterhin, einen
exakten Empfangszeitpunkt eines empfangenen Ultraschallpulses zu
bestimmen. Hier können insbesondere
Schwierigkeiten bei dem Empfang durch Ultraschallechos oder bei
sehr geringen Entfernungen durch sehr hohe Signalpegel auftreten, wobei
letztere z.B. zu einer Übersteuerung
der Empfangseinheiten führen
können.
-
In der
US
6,314,055 ist eine Vorrichtung beschrieben zur Bestimmung
des Empfangszeitpunktes eines Ultraschallsignals, bei dem der Empfangszeitpunkt
im ansteigenden Bereich eines Ultraschallpulses festgelegt wird,
da die Wahrscheinlichkeiten einer Störung, beispielsweise durch
interferierende Echos sich hauptsächlich im hinteren abfallenden Bereich
eines Ultraschallpulses bemerkbar machen.
-
Hierzu wird in dem bekannten Dokument
vorgeschlagen aus dem empfangenen Ultraschallpuls die Einhüllende zu
bilden und diese mehrfach zu differenzieren, wobei von dem mehrfach
differenzierten Signal der Nulldurchgang bestimmt wird. Dieser Nulldurchgang
des mehrfach differenzierten Signals liegt zeitlich bezogen auf
das ursprüngliche
Ausgangssignal in dessen ansteigenden und mit großer Wahrscheinlichkeit
ungestörten
Bereich.
-
Da die Bestimmung des Empfangszeitpunktes
hier auf den Nulldurchgang eines differenzierten Signals festgelegt
wird, kann jedoch nicht die Problematik gelöst werden, wenn insbesondere
bei kurzen zu messenden Abständen
die Signalamplituden derart hoch sind, dass es zu einer Übersteuerung
des Empfängers
und damit zu einer Plateaubildung in der empfangenen Signalamplitude
kommt. Aufgrund dieser Plateaubildung im empfangenen Signal wird
es bei einer Differenzierung zu einem sehr breiten Nulldurchgang
kommen, so dass die Bestimmung des Empfangszeitpunktes durch diese
Methode als unzureichend einzustufen ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es ein
System sowie ein Verfahren zur Messung einer räumlichen Position bereitzustellen,
welches eine größtmögliche Flexibilität bietet,
und mit einer hohen Genauigkeit eine Entfernungsbestimmung zulässt.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
dass in einem System, umfassend wenigstens eine Benutzereinheit
und mehrere Referenzeinheiten, die Benutzer- und Referenzeinheiten
jeweils Ultraschallsender und Ultraschallempfänger umfassen.
-
Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich
hierdurch der besondere Vorteil, dass bezogen auf das Ultraschallsignal
bidirektionale Messungen möglich
sind, was gleichzeitig bedeutet, dass nicht nur Ultraschalllaufzeitmessungen
zwischen einer Benutzereinheit und einer Referenzeinheit möglich sind, sondern
auch Ultraschalllaufzeitmessungen zwischen zwei Benutzereinheiten
bzw. zwei Referenzeinheiten. Hierdurch besteht die Möglichkeit
auch die Abstände
der Referenzeinheiten untereinander auszumessen, was zu einer Verlässlichkeit
und Eichung der Position dieser Referenzeinheiten beiträgt.
-
Es besteht daher keine unmittelbare
Notwendigkeit, die einzelnen Positionen der Referenzeinheiten a
priori zu kennen, da die Positionen z.B. durch Trilateration oder
andere Methoden aus Messungen zwischen diesen Einheiten bzw. mit
Bezug zu den Benutzereinheiten ermittelt werden können. Durch
die Entfernungsmessungen auch zwischen den einzelnen Benutzereinheiten
kann die die Positionsbestimmung weiter verbessert werden, da die Entfernungsmessung
nicht lediglich auf eine Laufzeitmessung zwischen Benutzer- und
Referenzeinheiten beschränkt
ist.
-
Mit dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen System
kann beispielsweise eine beliebige Anzahl von Referenzeinheiten
an beliebigen und a priori vorher nicht festgelegten Positionen
in einem räumlichen
Gebiet installiert werden, in dem eine Positionsbestimmung von sich
bewegenden Benutzereinheiten durchgeführt werden soll. Beispielsweise
kann die Position der Referenzeinheiten dadurch gemessen werden,
dass Messungen für
mehrere bekannte Positionen wenigstens einer Benutzereinheit durchgeführt werden
und insofern eine Trilateration oder andere Rechenmethoden aufgrund
der bekannten vorgegebenen Positionen der Benutzereinheiten zu den
Positionen der Referenzeinheiten führt.
-
Hierfür kann es beim Aufbau eines
derartigen Systems z.B. vorgesehen sein die Referenzeinheiten beliebig
im Raum zu verteilen und dann eine Messung bezüglich einer weiteren Einheit
durchzuführen,
die z.B. in einem festgelegten Ursprung des Raumes positioniert
ist. Es kann sich hierbei um eine Benutzer- oder auch um eine Referenzeinheit handeln.
Im Anschluss an die Bestimmung der Referenzeinheiten kann somit
in bekannter Weise die Bewegung von Benutzereinheiten überwacht
und deren Position bestimmt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Benutzer- und Referenzeinheiten zumindest teilweise identisch
sind, da dann keine hardwareseitige Unterscheidung zwischen diesen
Einheiten besteht und diese untereinander austauschbar sind. Z.B.
können die
Einheiten identische Komponenten für Ultraschallsender und -empfänger aufweisen.
-
Durch die zumindest teilweise Gleichwertigkeit
von Benutzereinheiten und Referenzeinheiten bezüglich der Ultraschallmessung
kann weiterhin die Senderichtung so gewählt werden, dass die Anzahl der
Entfernungsmessungen pro Ultraschallpuls maximiert wird. Dies kann
beispielsweise in Abhängigkeit von
der Anzahl von Benutzereinheiten und Referenzeinheiten erfolgen.
So kann beispielsweise aus der Vielzahl der Benutzereinheiten und
der Referenzeinheiten eine solche herausgewählt werden, die beim Aussenden
eines Ultraschallpulses möglichst
viele andere Einheiten erreicht, um deren Position bezüglich der
aussendenden Einheit bestimmen zu können.
-
Bei sich ständig bewegenden Benutzereinheiten
und damit immer wieder neu festgestellten Positionen dieser Benutzereinheiten
besteht darüber
hinaus die Möglichkeit
auch die Position der Referenzeinheiten immer wieder neu zu bestimmen,
so dass hiermit eine Autokalibration des gesamten Systems erreicht
werden kann.
-
Bevorzugt kann es vorgesehen sein,
dass nur ein Teil der Messstrecken, d.h. Paare verschiedener oder
gleicher Einheiten aktiviert werden, um in dem System die Messrate
zu maximieren. Hierfür kann
es beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Auswahl einer der Einheiten
aus Benutzer- und Referenzeinheiten als ultraschallaussendende Einheit
in Abhängigkeit
der Position der anderen Einheiten und/oder der eigenen Position
erfolgt. Beispielsweise können
die Referenzeinheiten dynamisch als Funktion der Position der Benutzereinheiten
ausgewählt werden.
So kann es vorgesehen sein, dass Referenzeinheiten, die von Benutzereinheiten
weit entfernt sind und zu einer Positionsmessung nicht verlässlich beitragen,
zumindest zeitweise abgeschaltet bzw. inaktiviert werden. Die Auswahl
der Referenzeinheiten kann regelmäßig an veränderte Positionen der Benutzereinheiten
angepasst werden und umgekehrt.
-
Gemäß der Erfindung kann es vorgesehen sein,
dass insbesondere Benutzereinheiten neben den Sendern und Empfängern für Ultraschallpulse auch
weitere Inertialsensoren aufweisen, die zu einer Orientierungs-
und Positionsbestimmung beitragen. Insbesondere bei bekannten Orientierungen
von Benutzereinheiten kann es erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen sein,
dass die Auswahl einer Einheit, z.B. einer Referenzeinheit, in Abhängigkeit
von der Orientierung übriger
Einheiten, wie beispielsweise der Benutzereinheiten, abhängig gemacht
werden kann. So kann beispielsweise bei bestimmten Orientierungen
ein Ultraschallempfänger
einer Einheit mit Bezug auf eine andere potentiell einen Ultraschallpuls
absendende Einheit verdeckt sein, so dass es keinen Sinn macht eine
Ultraschallmessung zwischen diesen Einheiten stattfinden zu lassen.
-
Um die Messrate in dem System weiter
zu erhöhen
bzw. einen Betrieb mit vielen Benutzern bzw. Benutzereinheiten zu
erreichen, können
beispielsweise mehrere Ultraschallimpulse auch zeitlich überlappend
abgesendet werden. Aufgrund der aus vorherigen Messungen zumindest
grob bekannten Positionen der potentiellen empfangenden Einheiten
ist eine erwartete Ankunftszeit der relevanten Ultraschallimpulse
bekannt. Hier kann es vorgesehen werden, dass nur die Pulse für eine Ultraschalllaufzeitmessung
ausgewählt
werden, die innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls im Bereich
der erwarteten Ankunftszeit liegen. So können Echos und auch andere
Pulse, die nicht zur Auswertung herangezogen werden sollen, ignoriert
werden.
-
Gemäß der Erfindung kann es weiterhin
vorgesehen sein, dass jede Benutzereinheit mit einem eigenen Benutzerrechner
verbunden ist, insbesondere über
eine Funkverbindung, beispielsweise nach dem Bluetoothstandard.
Dies kann ebenso bevorzugt auf Referenzeinheiten zutreffen, d.h.
auch diese können
mit einem jeweils separaten Referenzrechner verbunden sein über eine
ebensolche Funkverbindung. Alternativ kann es auch vorgesehen sein,
dass sämtliche
Einheiten, die als Referenzeinheiten und/oder Benutzereinheiten
arbeiten, mit einem zentralen Rechner kommunizieren.
-
Durch die Verbindung der einzelnen
Einheiten mit den jeweils genannten Rechnern kann aus den festgestellten
Laufzeiten der Ultraschallpulse die Entfernung zwischen den jeweils
ausgewählten
Einheiten bestimmt werden. Gemäß der Erfindung
ist es sodann weiterhin vorgesehen, dass alle Rechner des Systems
in einem gemeinsamen Netzwerk miteinander kommunizieren, um die
festgestellten Entfernungen auszutauschen und hieraus die Positionen
zu bestimmen. Auch hier kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass
alle Rechner in einem gemeinsamen Funknetzwerk miteinander kommunizieren.
-
In diesem Zusammenhang kann es weiterhin vorgesehen
sein die einzelnen Einheiten, d.h. sowohl Benutzereinheiten als
auch Referenzeinheiten autark auszuführen, insbesondere mit einer
eigenen Energieversorgung, beispielsweise durch Akkumulatoren. Bei
einer gewählten
Funkübertragung
kann es darüber
hinaus ebenso vorgesehen sein, dass die Einheiten, die mit einem
bestimmten Rechnersystem per Funk kommunizieren, in dem Fall, wenn
die Funkverbindung z.B. durch Abschattung zu diesem Rechner abbricht,
die Funkverbindung zu einem anderen Rechner aufnehmen, der ebenfalls
in das gesamte Netzsystem eingebunden ist, so dass weiterhin der Datenaustausch
ermöglicht
bleibt.
-
Innerhalb des gesamten Systems kann
die Berechnung der einzelnen Positionen der Benutzereinheiten bzw.
auch der Referenzeinheiten aus den Laufzeitinformationen z.B. mittels
den sogenannten extended-Kalman-Filtern oder auch mittels unscented-Kalman-Filtern
erfolgen. Diese Berechnungsmöglichkeiten
sind dem hier einschlägigen
Fachmann bekannt, so dass diese keiner weiteren Erwähnung bedürfen. Ebenso
können
andere Methoden durchgeführt
werden.
-
In einer ersten bevorzugten Ausführung kann
es vorgesehen sein, dass Benutzer- und/oder Referenzeinheiten Sender und
Empfänger
für sich mit
Lichtgeschwindigkeit ausbreitende Signale, insbesondere für Infrarotsignale
aufweisen.
-
In diesem Fall kann es für eine Entfernungsmessung
zwischen zwei Einheiten, beispielsweise zwei Benutzereinheiten,
zwei Referenzeinheiten oder einer Benutzer- und einer Referenzeinheit
vorgesehen sein, dass eine der Einheiten ein Ultraschallsignal und
gleichzeitig ein sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitendes Signal,
wie beispielsweise ein Infrarotsignal, aussendet.
-
Hierbei kann es bevorzugt vorgesehen
sein, dass in dem sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Signal
eine Identifikation der aussendenden Einheit kodiert ist. Eine empfangene
Einheit kann nun aus der zeitlichen Differenz zwischen dem Empfang des
Ultraschallsignals und dem sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden
Signal die Entfernung zur aussendenden Einheit bestimmen. Hierbei
wird grundsätzlich
davon ausgegangen, dass die Laufzeit, die das sich mit Lichtgeschwindigkeit
ausbreitende Signal zwischen den Einheiten benötigt, grundsätzlich vernachlässigbar
ist bzw. als systematische Fehlergröße berücksichtigt wird.
-
In einer anderen Alternative kann
es vorgesehen sein, dass die Benutzer- und/oder Referenzeinheiten jeweils
eine interne Uhr aufweisen, wobei alle Uhren untereinander synchronisiert
sind. So kann in diesem Fall zur Entfernungsmessung zwischen zwei
Einheiten eine der Einheiten ein Ultraschallsignal aussenden und
an wenigstens eine andere Einheit oder an wenigstens einen Rechner
bzw. den gesamten Netzwerkverbund aller Rechner die Absendezeit
des Ultraschallsignals, insbesondere mit einer Absenderkennung mitteilen.
-
Eine empfangene Einheit kann sodann
aus der Differenz der ermittelten Empfangszeit und der übermittelten
Absendezeit die Entfernung zur aussendenden Einheit bestimmen.
-
Gerade die letztgenannte Alternative
hat den Vorteil, dass auf die Ausbildung einer entsprechenden Elektronik
für Signale,
die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, in den einzelnen Einheiten verzichtet
werden kann, zumal insbesondere bei einer Realisierung mit Infrarotlichtpulsen
sich durch Abschattungen Probleme ergeben können.
-
Ein uhrbasiertes System weist diese
Probleme nicht auf, da die Absendezeiten der Ultraschallpulse über das
gesamte Systemnetzwerk bestimmten oder allen anderen Einheiten zur
Verfügung
gestellt werden können,
ohne dass sich hierbei Beschränkungen
durch die Bewegung der einzelnen Einheiten ergeben.
-
Um eine besonders hohe Genauigkeit
bei der Detektion eines Ultraschallsignals und damit bei der Bestimmung
des Ankunftszeitpunktes zu erhalten, kann es gemäß der Erfindung weiterhin vorgesehen
sein, dass aus dem empfangenen Ultraschallsignal zunächst die
Einhüllende
gebildet wird bzw. ein Signal, welches die Einhüllende repräsentiert. In einem weiteren
Verfahrensschritt kann sodann diese Einhüllende negiert, verzögert und
mit der ursprünglichen
Einhüllenden überlagert
werden, wodurch sich ein bipolares Signal ergibt, welches einen
Nulldurchgang aufweist. Anhand dieses Nulldurchganges kann nun verlässlich ein
Empfangszeitpunkt bestimmt werden.
-
Durch diese Art der Bestimmung eines
Empfangszeitpunktes kann insbesondere verhindert werden, dass bei
kurzen Distanzen zwischen den verschiedenen Einheiten Übersteuerungen
der Ultraschallempfänger
aufgrund zu hoher Signale zu einem Verzerren bzw. Verfälschen des
Empfangszeitpunktes führen,
da durch die Verzögerung
bei der Überlagerung
der beiden Signale immer eine derartige bipolare Signalform erzeugt
werden kann, dass ein eindeutiger Nulldurchgang entsteht. Dies ist
ein besonderer Vorteil, der sich gegenüber den üblichen im Stand der Technik
bekannten Methoden ergibt, die auf die Differenzierung der Empfangssignale
abstellen.
-
Das erfindungsgemäße System bzw. Verfahren bietet
insgesamt eine hohe Mobilität
durch minimale feste Installationen, autarke Referenzeinheiten und
eine einfache Kalibrierung, die auch automatisch während des
Betriebs des gesamten Systems erfolgen kann. Das Gesamtsystem an
sich ist skalierbar, d.h. erweiterbar auf zum einen viele Benutzereinheiten
sowie auch auf große
Räumlichkeiten
mit vielen Referenzeinheiten.
-
Durch die oben genannte Beschränkung auf relevante
Messstrecken kann darüber
hinaus eine hohe Meßrate
selbst dann erzielt werden, wenn viele Referenzeinheiten zum Einsatz
kommen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den nachfolgenden Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
-
1 ein übliches
System gemäß dem Stand
der Technik mit einem festen Referenzsystem
-
2 ein
erfindungsgemäßes System
mit ursprünglich
nicht fest installierten Referenzeinheiten
-
3 eine
Ultraschalllaufzeitmessung, die von einer Benutzereinheit initiiert
wird
-
4 eine
Ultraschalllaufzeitmessung, die von einer Referenzeinheit initiiert
wird
-
5 ein
exemplarischer Aufbau identischer Benutzer- und Referenzeinheiten
-
6 die
Signalverarbeitung eines Ultraschallpulses zur Feststellung der
Empfangszeit
-
Bei Positionsmeßsystemen der hier beschriebenen
Art, wie sie auch als Trackingsysteme bezeichnet werden, wird häufig sowohl
auf die Position als auch auf die Orientierungsmessung zurückgegriffen,
um eine räumliche
Position und Orientierung z.B. einer Person oder eines bewegten
Gegenstandes in einem Raum zu bestimmen. Hierbei werden zur Bestimmung
der Orientierung häufig
jeweils drei Inertialsensoren für
Linearbeschleunigung, Drehrate und ein Dreiachsmagnetometer verwendet.
-
Diese Arten von Sensoren und auch
beliebige andere können
grundsätzlich
mit dem erfindungsgemäßen Positionsmesssystem,
welches auf der Ultraschalllaufzeitmessung basiert, kombiniert werden, um
die Position und Orientierung zu bestimmen. Im folgenden wird anhand
eines Beispiels jedoch weiterhin nur die Positionsbestimmung anhand
der Ultraschalllaufzeitmessung näher
beschrieben.
-
Zur Bestimmung der Position z.B.
einer Person in einem Raum muss grundsätzlich ein Referenzsystem eingeführt werden.
Hierfür
gibt es die bereits schon vorangehend genannten Lösungsansätze z.B. mittels
künstlicher
Magnetfelder, videobasierter Systeme oder der Ultraschalllaufzeitmessung.
-
Die 1 zeigt
ein im Stand der Technik bekanntes Ultraschallsystem zur Messung
von Positionen, bei dem eine feste Installation von Referenzeinheiten R1,
R2 und R3 vorgesehen ist. Diese Referenzeinheiten sind in der 2 untereinander fest, insbesondere
hier L-förmig
angeordnet, so dass deren Position im Raum a priori bekannt ist.
-
Hierdurch ergeben sich jedoch wesentliche Einschränkungen
zum einen in der Mobilität
solcher Systeme als auch in der Skalierbarkeit. Diese Referenzsysteme
sind entweder fest in einem Raum eingebaut oder wie hier dargestellt
auf einem mechanischen Träger
montiert, der nicht notwendigerweise auf die Geometrie eines beliebigen
Raumes abgestimmt ist. Somit lassen sich mit den bekannten Systemen
beliebige Raumgrößen gar
nicht oder nur bedingt abdecken. Des weiteren sind bekannten Systeme
auf eine bestimmte Anzahl von Benutzereinheiten limitiert. In dem
vorliegenden Fall, wie er in der 1 dargestellt
ist, ist beispielsweise die Anzahl der Benutzereinheiten, die hier
als Icube bezeichnet sind, auf maximal vier an einem zentralen Controller C
beschränkt, über den
die Laufzeitmessungen zentral ausgewertet werden.
-
Die 2 zeigt
demgegenüber
ein erfindungsgemäßes System,
mittels welchem die oben genannten Einschränkungen umgangen werden können. So
ist beispielsweise das Ultraschallreferenzsystem aus mehreren, voneinander
unabhängigen funkgesteuerten
bzw. -kontrollierten Ultraschallsendern bzw. – empfängern, den bereits genannten
Referenzeinheiten R aufgebaut. In der 2 ist
weiterhin dargestellt, dass jede Benutzereinheit B hier über eine
Funkverbindung, beispielsweise nach dem Bluetoothstandard, mit einem
jeweiligen Benutzerrechner, z.B. einem Laptop L, verbunden ist.
Die Anzahl der möglichen
Benutzereinheiten ist hierbei nicht von den Möglichkeiten eines zentralen
Controllers abhängig,
da ein solcher in dieser Ausführung nicht
existiert und die Laufzeitberechnungen separat für jede Benutzereinheit durchgeführt werden.
-
Zur Vereinfachung ist hier dargestellt,
dass die einzelnen Referenzeinheiten R von einem weiteren Rechner
aus gesteuert werden. Hierbei kann es auch grundsätzlich vorgesehen
sein, dass jeder Referenzeinheit R ein eigener Rechner zugeordnet
ist, ein zentraler Rechner oder aber, dass auch die Referenzeinheiten
R jeweils an einen Rechner angebunden sind, welche die Referenzeinheiten
steuern und kontrollieren. Ebenso können die Referenzeinheiten über einen
oder mehrere Rechner der Benutzereinheiten kontrolliert werden.
Auch hier ist die Anzahl der Referenzeinheiten nicht durch eine
zentrale Instanz limitiert. Das System ist insoweit nahezu beliebig
skalierbar.
-
Die einzelnen Rechner untereinander
sind in einem Netzwerk verbunden, beispielsweise einem Ethernit-Netzwerk
oder auch einem Funknetzwerk (WLAN). So können die zwischen den einzelnen
Einheiten gemessenen Entfernungen untereinander problemlos ausgetauscht
werden, um so mittels der Trilateration die Positionen der einzelnen
Einheiten also der Benutzer- und Referenzeinheiten im Raum zu bestimmen.
-
Für
die Durchführung
der Ultraschalllaufzeitmessung wird gemäß der Erfindung grundsätzlich nicht
zwischen den Referenzeinheiten und den sich bewegenden Benutzereinheiten
unterschieden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Referenz-
und die Benutzereinheiten z.B. bis auf eventuell weiterhin bei den
Benutzereinheiten vorhandene Inertialsensoren, die bei den unbewegten
Referenzeinheiten wegfallen, identisch aufgebaut. Dieser zumindest
teilweise identische Aufbau ist beispielsweise in der 5 näher dargestellt.
-
Durch die teilweise Baugleichheit
zumindest der Ultraschllkomponenten ergibt es sich, dass Ultraschalllaufzeitmessungen
zwischen jeder beliebigen Kombination von zwei Einheiten in beide
Richtungen möglich
sind. Des weiteren erhält
man durch die Baugleichheit die Möglichkeit die benutzten Messstrecken,
d.h. die Strecken zwischen zwei Einheiten, dynamisch auf die Betriebsparameter
anzupassen. Unter diesen Betriebsparametern werden beispielsweise
die Anzahl der Benutzer- gegenüber
der Anzahl der Referenzeinheiten sowie auch Aufenthaltswahrscheinlichkeiten
der Benutzereinheiten im Raum etc. verstanden. Hierdurch kann insbesondere
die Qualität
und die Messrate der einzelnen Messungen optimiert werden.
-
Gleichzeitig ermöglicht die Bidirektionalität der Laufzeitmessungen
auch eine Verbesserung der Kalibration der Referenzeinheiten, d.h.
es wird eine genaue Vermessung der Position dieser Referenzeinheiten
ermöglicht.
Ein besonderer Vorteil ist hier, dass auch eine Entfernungsmessung
ausschließlich zwischen
den Benutzereinheiten und/oder der Referenzeinheiten zur Ortsbestimmung
mit herangezogen werden kann.
-
Die 3 und 4 zeigen die unterschiedlichen Möglichkeiten.
In der 3 wird dargestellt,
dass eine Ultraschalllaufzeitmessung z.B. von einer Benutzereinheit
B3 initiiert wird. Der von dieser Benutzereinheit in der Figur dargestellte
ausgehende Fächer
soll hierbei das gleichzeitige Senden eines Infrarot- und eines
Ultraschallimpulses andeuten.
-
Im umgekehrten Fall ist es ebenso
möglich wie
es die 4 zeigt, dass
die Ultraschalllaufzeitmessung von einer Referenzeinheit R1 initiiert
wird, wobei die Laufzeitmessung wie oben durch das gleichzeitige
Aussenden von Infrarot- und Ultraschallpulsen erfolgt.
-
Mit Bezug auf die 5 misst man zur Entfernungsmessung zwischen
zwei Einheiten E1 und E2 die Zeit zwischen dem Moment, an dem ein
Ultraschallsignal von der Einheit E1 ausgesendet wird und der Ankunft
des Ultraschallsignals bei der Einheit E2. Die Startzeit des Ultraschallsignals
wird dabei durch das gleichzeitige Senden eines Infrarotsignals
markiert, welches sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und daher
nur eine vernachlässigbare
Zeit zwischen den beiden Einheiten benötigt. In diesem Infrarotsignal
wird gleichzeitig eine eindeutige Identifikation der sendenden Einheit
kodiert. Es werden hier also im Gegensatz zum Stand der Technik
gleichzeitig von einer Instanz aus beide Signale, d.h. Infrarot- und
Ultraschallsignal, gesendet bzw. empfangen.
-
Ebenso ist es alternativ möglich, auf
die Infrarotsignale zu verzichten, um z.B. Probleme mit Abschattungen
zu vermeiden, und die Laufzeiten der Ultraschallsignale dadurch
zu bestimmen, dass durch synchronisierte Uhren, die in den einzelnen
Einheiten oder deren Rechnern vorgesehen sind, die Absendezeiten
bekannt sind. Diese Absendezeiten können beispielsweise in einer
Liste mit der zeitlichen Abfolge der Ultraschallsignale der verschiedenen
Einheiten abgelegt sein, wobei es vorgesehen sein kann, dass andere
Einheiten auf diese Liste beispielsweise über die vernetzten Rechner
Zugriff haben.
-
Eine besondere Ausführung zur
Signalverarbeitung beim Ultraschallempfang ist in der 6 näher dargestellt. Die relativ
langen Ein- und Ausschwingzeiten der Piezo-Ultraschallsender machen es
fast unmöglich
eine definierte Anzahl von Schwingungen innerhalb eines Ultraschallpulses
zu senden und zu empfangen. Dementsprechend ist es gemäß der Erfindung
hier vorgesehen, die Einhüllende
des Ultraschallsignals zu detektieren, wobei es nicht ohne Weiteres
möglich
ist mit einer einfachen Komparatorschaltung ein amplitudenunabhängiges Zeitsignal
zu bekommen. Die Amplituden der Signale schwanken schon deswegen,
weil die einzelnen Einheiten untereinander verschiedene Entfernungen
haben, die sich auf die Amplituden der Signale aufgrund von Dämpfungserscheinungen
auswirken.
-
Gemäß der Erfindung kann hier besonders bevorzugt
zur weiteren Verarbeitung des Signals ein sogenannter Constant Fraction
Diskriminator (CFD) verwendet werden zur zeitrichtigen Detektion
der empfangenen Ultraschallsignale. Die 6 zeigt das Blockschaltbild eines Ultraschall-
und Infrarotempfängerteils.
-
Der Ultraschallempfänger 1 besteht
im Wesentlichen aus einem Piezoelement oder einem Mikrofon mit entsprechendem
Frequenzgang und einem Bandpassfilter. Das Eingangssignal wird von
einem regelbaren Verstärker 2 verstärkt. Der
Verstärkungsfaktor
wird durch eine von dem Startsignal, d.h. dem Infrarotsignal, ausgelöste Rampenfunktion
stufenlos erhöht,
um diesen dynamischen Bereich der Schaltung möglichst groß zu machen.
-
Das verstärkte Ultraschallsignal wird
gleichgerichtet in Gleichrichter 3 und von einem Tiefpass 4 gefiltert,
so dass hierdurch die Einhüllende
des Ultraschallsignals gewonnen wird. Der Constant Fraction Diskriminator 5 besteht
aus einem invertierenden Verstärker 6 mit
einer Verstärkung
K und einer Verzögerungsschaltung 7 mit
einer zeitlichen Verzögerung dt
und einem Addierer 8. Durch eine geeignete Wahl der Parameter
K und dt, die z.B. von der Impulsform der Einhüllenden abhängt, erhält man so ein bipolares Ausgangssignal
hinter dem Addierer, welches einen von der Spitzenamplitude unabhängigen Nulldurchgang
aufweist. Insofern ist dieses Signal nicht mehr abhängig von
eventuell übersteuerten
Eingangskreisen des Ultraschallempfängers.
-
Ein Nulldurchgangskomparator 9 erzeugt nun
ein Stopsignal für
einen Zähler,
der durch den Empfang des Infrarotsignals durch die Infrarotdiode 10 gestartet
wurde. Durch das Auslesen des Zählers kann
dementsprechend die Zeit vom Absenden bis zum Empfang des Ultraschallsignals
bestimmt werden, woraus sich die Laufzeit ergibt.
-
In einer anderen Umsetzung des erfindungsgemäßen Systems
kann mit einer Einschränkung
der beschriebenen Symmetrie zwischen Benutzer- und Referenzeinheiten
der Rechenaufwand und die notwendige Kommunikation zwischen den
Einheiten erheblich minimiert werden. So kann es gemäß einer anderen
erfindungsgemäßen Ausbildung
des Verfahrens zum Betrieb des Systems vorgesehen sein, dass insbesondere
nach einer erfolgten Kalibration, d.h. der Bestimmung der Position
der Referenzeinheiten ausschließlich
die Referenzeinheiten Ultraschallsignale aussenden.
-
Dementsprechend können alle Informationen, die
für eine
Ortsbestimmung benötigt
werden, von den Benutzereinheiten ermittelt werden. Die ortsfesten
Referenzeinheiten müssen
während
des Betriebs des gesamten Systems nicht in eine Kommunikation zwischen
den Benutzerrechnern und den Benutzereinheiten mit eingebunden werden.
Lediglich während
einer ursprünglichen
Initialisierung des Systems muss einmal an die Benutzereinheiten
die Position der Referenzeinheiten übertragen werden.