DE202016008129U1 - Apparatus for determining the three-dimensional rigid body pose using opto-acoustic code-division multiplex and carrier phase distance measurements - Google Patents

Apparatus for determining the three-dimensional rigid body pose using opto-acoustic code-division multiplex and carrier phase distance measurements

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DE202016008129U1
DE202016008129U1 DE201620008129 DE202016008129U DE202016008129U1 DE 202016008129 U1 DE202016008129 U1 DE 202016008129U1 DE 201620008129 DE201620008129 DE 201620008129 DE 202016008129 U DE202016008129 U DE 202016008129U DE 202016008129 U1 DE202016008129 U1 DE 202016008129U1
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Abstract

Gerät zur (unilateralen) Distanzmessung auf Basis des Laufzeitunterschieds eines codemodulierten Signals zwischen einem Kanal mit quasi-instantaner Ausbreitung und einem Kanal mit entfernungsabhängiger Laufzeit, dadurch gekennzeichnet, dass als instantaner Kanal pulsweitenmoduliertes Infrarot und als Laufzeitkanal Ultraschall zum Einsatz kommt. Device for (unilateral) distance measurement based on the propagation time difference of a code modulated signal between a channel with quasi-instantaneous expansion and a channel with distance-based runtime, characterized in that comes as instantaneous channel pulse width modulated infrared and as a runtime channel ultrasonic used.

Description

  • Abriss demolition
  • Ein opto-akustisches Gerät zur Innenraumnavigation wird vorgestellt. An opto-acoustic device for indoor navigation is presented. Kern der Erfindung ist ein Aufbau zur linearen, dh unilateralen Entfernungsmessung. Essence of the invention is a structure for linear, that is unilateral distance measurement. Diese Entfernungsmessung findet Eingang in ein Innenraumnavigationssystem, das Multilateration einsetzt um die Position und Orientierung (Lage), dh alle sechs Freiheitsgrade, einer Vielzahl starrer Körper in Innenräumen auf Basis der unilateralen Entfernungsmessungen zu bestimmen. This distance measurement is input into an internal space navigation system, which uses multilateration to determine the position and orientation (position), ie to determine all six degrees of freedom, a plurality of rigid bodies indoors based on the unilateral distance measurements. Es kommt hierbei eine Zweikanalverbindung zwischen Sender und Empfänger zum Einsatz. It is in this case a two-channel communication between the transmitter and receiver are used. Ein Kanal nutzt moduliertes Infrarotlicht, der andere Kanal nutzt Ultraschall als Transmissionsmedium. One channel uses modulated infrared light, the other channel uses ultrasound as a transmission medium. Dadurch stört das System die menschliche Wahrnehmung nicht. Therefore, the system does not interfere with human perception. Die Entfernungsmessung funktioniert ähnlich wie die Bestimmung der Entfernung eines Gewitters. Distance measurement functions similarly to the determination of the distance of a thunderstorm. Da Licht sich in Innenräumen praktisch instantan ausbreitet, ist die Zeitverzögerung zwischen einem Infrarotsignal (”Blitz”) und einem Ultraschallsignal (”Donner”), welche zeitgleich versendet werden, direkt proportional zur Distanz zwischen Sender und Empfänger. Since light propagates virtually instantaneously indoors, the time delay between an infrared signal ( "flash") and an ultrasonic signal ( "Donner"), which are sent at the same time, directly proportional to the distance between transmitter and receiver. Im Gegensatz zu dieser Pulsmethode nutzt das hier dargelegte Gerät jedoch Gold Codes zur Modulation der Infrarot- und Ultraschallsignale. In contrast to this pulse method, however, the device presented here uses Gold codes for modulating the infrared and ultrasound signals. Die Korrelation der empfangenen Einhüllenden ergibt dann ein eindeutiges und gegenüber Störungen und Mehrwegausbreitungen robustes Distanzssignal. The correlation of the received envelope is then given a clear and to interference and multipath propagation distance robust signal. Zur Genauigkeitssteigerung werden zusätzlich die Trägersignale von Infrarot und Ultraschall betrachtet. To increase accuracy the carrier signals of infrared and ultrasound are considered additionally. Die Trägerphasendifferenz ergibt ein hochgenaues Distanzsignal, das jedoch mehrdeutig ist bezüglich der Wellenlänge. The carrier phase difference results in a highly accurate distance signal, however, is ambiguous with respect to wavelength. Beide Distanzsignale verhalten sich komplementär zueinander. Both distance signals behave complementary to each other. Ihre Fusion ermöglicht eine hochgenaue und gleichzeitig robuste Distanzmessung. Their merger allows a highly accurate and robust distance measurement.
  • Beschreibung der Erfindung Description of the Invention
  • Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
  • Bei der chirurgischen Navigation im Rahmen minimal-invasiver Eingriffe besteht ein technologisches Schlüsselproblem in der intraoperativen Bereitstellung der Pose bestehend aus Position (x, y, z) und Orientierung (Winkel ϕ, θ, ψ) des Laparoskops sowie weiterer starrer OP-Instrumente [1]. In the surgical navigation in the context of minimally invasive surgery, there is a technological key problem in intraoperative providing the pose comprising position (x, y, z) and orientation (φ angle, θ, ψ) of the laparoscope and other rigid surgical instruments [1 ]. Insbesondere die Verdeckung des OP-Instrumentariums durch Ärzte, OP-Personal und OP-Lampen erschwert den Einsatz eines optischen Trackingsystems signifikant. In particular, the concealment of the surgical instruments by doctors, surgical staff and surgical lamps difficult to use an optical tracking system significantly. Da dessen Kameras eine direkte Sichtverbindung auf die an den Instrumenten angebrachten Infrarotreflektoren benötigen, wird das Positionssignal durch Verdeckungen unterbrochen. Since the cameras require a direct line of sight to the attached to the instruments infrared reflectors, the position signal is interrupted by guards. Dieses Szenario entspricht dem allgemeinen Problem der Schätzung der Position und Orientierung (dh aller sechs Freiheitsgrade) von Objekten in Innenräumen, das gemeinhin als Indoornavigationsproblem oder Indoor GPS bezeichnet und im Zuge von Industrie 4.0 zu einer notwendigen Schlüsseltechnologie wird. This scenario corresponds to the general problem of estimating the position and orientation (ie all six degrees of freedom) of objects indoors, which is commonly referred to as indoor navigation problem or indoor GPS and in the course of Industry 4.0 is a necessary key technology. Es existieren mannigfaltige Szenarien, in denen Innenraumnavigation benötigt wird. There are diverse scenarios in which interior navigation is needed. Hier seien Anwendungen aus der Montagetechnik, Lagertechnik sowie fertigungstechnische Prozesse genannt. Here applications from the assembly technology, storage technology and production engineering processes may be mentioned. Viele Anwendungen aus diesem Internet der Dinge werden erst realisierbar und somit kommerzialisierbar, wenn die Position der ”Dinge” in Echtzeit ermittelt werden kann. Many applications of this Internet of Things will only be realized and thus commercialized, when the position of "things" can be detected in real time. Hierzu soll das in diesem Patent beschriebenen Indoor-GPS einen Beitrag leisten. For this, the indoor GPS described in this patent is to make a contribution. Die Positionsbestimmung im Freien mit Hilfe der globalen Satellitennavigation (Navstar GPS, Galileo, Glonass) kann spätestens seit der ubiquitären Verfügbarkeit von GPS-Hardware für den Consumer-Markt als gelöstes Problem betrachtet werden. The positioning outdoors using global navigation satellite (Navstar GPS, Galileo, Glonass) can be considered for the consumer market as a solved problem at least since the ubiquitous availability of GPS hardware. Für die Positionsbestimmung in Innenräumen hingegen existiert solch eine Standardlösung nicht. For positioning indoors, however, such a standard solution does not exist. Vielmehr ist die innerräumliche Positionsbestimmung geprägt durch eine Vielzahl individueller Insellösungen, die je nach Anwendungsfall (Genauigkeit, Arbeitsraum, Kostenrahmen, etc.) ausgewählt und angepasst werden müssen. Rather, the inner spatial location determination is characterized by a plurality of individual island solutions depending on the application (accuracy, working space, budget, etc.) must be selected and adjusted.
  • Zusammenfassung der Erfindung Summary of the Invention
  • Das vorgestellte Innenraumnavigationssystem erweitert Konzepte der globalen Satellitennavigation sowie der Technologie des MIT Cricket Systems [2] und Methoden der Systemdynamik. The proposed indoor navigation system expanded concepts of global satellite navigation as well as the technology of the MIT Cricket system [2] and methods of system dynamics. Dadurch entsteht ein international einzigartiges System zur Innenraumnavigation. This creates an internationally unique system for indoor navigation. Genauer gesagt wird die Grundidee des GPS unter Verwendung von Ultraschall auf Innenräume übertragen. the basic idea of ​​GPS using ultrasound More specifically transferred to the indoor environment. Der wesentliche Unterschied zum GPS besteht allerdings darin, dass im vorgestellten System zwei komplementäre Kanäle simultan eingesetzt werden. However, the main difference from the GPS is that two complementary channels are used simultaneously in the presented system. Neben Ultraschall ist dies Infrarot. In addition to ultrasound, this is infrared. Die Signallaufzeit des Infrarot beträgt bei den Abmessungen typischer Innenräume wenige Nanosekunden. The signal propagation time of the infrared is a few nanoseconds in the dimensions typical interiors. Die Signallaufzeit des Ultraschalls liegt mit mehreren Millisekunden um etliche Größenordnungen darüber. The signal propagation time of the ultrasound is with several milliseconds to several orders of magnitude above. Aus der Laufzeitdifferenz zweier Signale, die zeitgleich über beide Kanäle abgeschickt und an einem Empfänger detektiert werden, kann somit die Laufzeit des Ultraschalls approximiert und daraus mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit die Distanz zwischen Sender und Empfänger ermittelt werden, s. From the propagation time difference of two signals which are simultaneously sent from both channels and detected at a receiver, thus the duration of the ultrasound can approximated and the distance between transmitter and receiver are determined therefrom by means of the speed of sound, p. . , Die Technik gleicht der Methode, die zur Entfernungsermittlung eines nahenden Gewitters zum Einsatz kommt: Der Zeitunterschied zwischen Blitz (Infrarot) und Donner (Ultraschall) ergibt bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit die Entfernung zum Gewitter (Sender). The technique is similar to the method used for distance determination of an approaching thunderstorm used: The time difference between the flash (infrared) and Donner (ultrasound) results with knowledge of the sound velocity, the distance to the storm (transmitter). Der Einsatz eines speziellen Codes (sog. Gold Code) ermöglicht die Differenzierung vieler Sender. The use of a special code (so-called. Gold code) allows differentiation of many transmitters.
  • Abgleich mit dem Stand der Technik Comparison with the prior art
  • Aktuell kommen Innenraumnavigationssysteme hauptsächlich in der Prototypenentwicklung, Forschung, Manufaktur von Sonder- und Einzelanfertigungen sowie in künstlerischen Bereichen zum Einsatz. Currently interior navigation systems are mainly used in the prototype development, research, manufacture of special and custom-made as well as in artistic fields are used. Es handelt sich hierbei stets um avantgardistische Inselanwendungen, die nicht in großer Anzahl vorliegen. This is always avant-garde island applications that are not present in large numbers. In den Fällen, wo die Innenraumnavigation nur während der Entwicklung benötigt wird (z. B. Motion Capturing für Filmanimationen), tritt die Wirtschaftlichkeit der Navigationslösung in den Hintergrund. In cases where the door navigation is only needed during development (eg. As motion capture for film animation), the efficiency of the navigation solution into the background. Hier eignen sich hochpreisige optische Technologien. Here, high-priced optical technologies are. In vielen Fällen jedoch bildet die Positionierung einen integralen Bestandteil des Gesamtprodukts oder -prozesses. In many cases, however, the positioning is an integral part of the total product or process. Dies ist z. This is for. B. im Rahmen der chirurgischen Navigation der Fall, wo jeder OP-Saal mit einem Navigationssystem ausgestattet werden muss. Eg as part of the surgical navigation of the case where each operating room must be equipped with a navigation system. Die Navigation muss also permanent, und nicht nur einmalig aktiv sein. Thus, the navigation must be permanently and not only once active. Derzeit existieren am Markt einige kommerzielle Systeme zur Innenraumnavigation. Currently, some commercial systems exist on the market for indoor navigation. Aufgrund der Genauigkeitsanforderungen werden Systeme basierend auf RFID oder Wi-Fi von vornherein ausgeblendet. Due to the accuracy requirements systems are hidden based on RFID or Wi-Fi from the outset. In der engeren Auswahl stehen damit optische sowie opto-akustischee Systeme. Shortlisted so are optical and opto-akustischee systems. Mit optischen Systemen ergibt sich die Möglichkeit, Starrkörper mit einer Genauigkeit besser als 1 mm zu verfolgen. With optical systems, the possibility of rigid body results with an accuracy better than 1 mm to track. Diese Systeme funktionieren technologisch jedoch völlig anders als das in diesem Patent beschriebene opto-akustische System. These systems operate technologically but totally different from the opto-acoustic system described in this patent. Bei optischen Systemen wird die Position der zu verfolgenden Starrkörper mittels Bildverarbeitung ermittelt. In optical systems, the position of the rigid body to be tracked is determined by means of image processing. Darüber hinaus weisen sie bauartbedingt aufgrund der Optiken sehr hohe Preise auf. In addition, they have due to design because of the optics very high prices. Da das in diesem Patent beschriebene System dem kommerziellen Produkt nexonar am ähnlichsten ist, erfolgt der technologische Vergleich vertieft mit diesem. Since the system described in this patent, the commercial product nexonar is most similar to the technological comparison is made with this depth. Die Genauigkeit liegt wie bei den optischen Systemen ebenfalls im Submillimeterbereich. The accuracy is as with the optical systems also in the submillimeter range. Zu beachten ist allerdings, dass mit dem System nexonar nur vier Sendepunkte und damit ein Starrkörper im Arbeitsvolumen verfolgt werden kann. Note, however, that nexonar only four transmission points and a rigid body can be tracked in the volume of work with the system. Auch eine Vergrößerung des Arbeitsvolumens durch weitere Empfänger schafft hier keine Abhilfe. Also, an increase in the volume of work by other receiver does not help here. Dies ist begründet in der Tatsache, dass nexonar Schallpulse sendet. This is due to the fact that nexonar sound sending pulses. Es kommt also ein Zeitmultiplex (TDMA) anstelle eines Codemultiplex (CDMA) zum Einsatz. Thus, there comes a time division multiple access (TDMA), instead of a code division multiple access (CDMA) is used. Die einzelnen Sender können nicht voneinander differenziert werden. The individual stations can not be differentiated from each other. Die im vorliegenden Patent beschriebene Erfindung behebt diese technologische Schwäche. The invention described in this patent overcomes this technological weakness. Neben kommerziell verfügbaren Systemen arbeiten international etliche Forschergruppen im Bereich der Innenraumnavigation. In addition to commercially available systems a number of research groups are working internationally in the field of indoor navigation. Bildbasierte Ansätze werden ua in der Forschergruppe um A. Zakhor verfolgt. Image-based approaches are used among others in the research group led by A. Zakhor. In [3] wird ein System zur bildbasierten Lokalisation in Innenräumen beschrieben. In [3] a system for image-based localization in interiors is described. Der Positionsfehler liegt im einstelligen Meterbereich. The position error is in the single digits meter range. Auch die Gruppe um G. Trommer verfolgt solche bildbasierten Ansätze [4]. The group led by G. Trommer pursuing such image-based approaches [4]. Diese werden zudem kombiniert mit komplementären Messsystemen wie GPS und Inertialsensorik [5]. These are also combined with complementary measurement systems such as GPS and inertial sensors [5]. Sog. Undertow. Ultrawideband-Signale kommen in [6] zur Positionsbestimmung in industriellen Hallen zum Einsatz. Ultra wideband signals come in [6] for position determination in industrial halls used. Die Standardabweichung des Positionsfehlers liegt im niedrigen zweistelligen Zentimeterbereich. The standard deviation of the position error is in the low tens of centimeters. Die Dissertation von NB Priyantha [2] beschreibt das MIT Cricket System. The thesis of NB Priyantha [2] describes the MIT Cricket system. Kern dieses Systems bildet die Positionsmessung über die Messung des Laufzeitunterschieds zwischen einem Infrarotpuls und einem Ultraschallpuls. The core of this system is the position measurement by the measurement of the transit time difference between an infrared pulse and an ultrasonic pulse. Schließlich bietet die Habilitationsschrift von R. Mautz [7] einen sehr guten Überblick auf weitere aktuelle Forschungstrends und Technologien zur Positionsbestimmung in Innenräumen. Finally, the habilitation dissertation R. Mautz [7] provides a very good overview of other current research trends and technologies for positioning indoors. Sie alle aufzuzählen würde den Rahmen dieses Patents sprengen. You would list all of them is beyond the scope of this patent. Im Folgenden wird die Erfindung mit thematisch verwandten Patenten und anderen Publikationen verglichen. The invention is compared with thematically related patents and other publications. Eine kurze Stellungnahme hebt die Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede hervor. A brief statement highlighting the similarities and differences.
  • Stellungnahme zum Patent FR2692363 Statement on Patent FR2692363
  • Methode method
  • Das Patent [8] erhebt Ansprüche auf die Entfernungsmessung mittels elektromagnetischer Wellen und Ultraschallwellen. The patent [8] raises claims for the distance measurement by means of electromagnetic waves and ultrasonic waves. Dabei wird die unterschiedliche Laufzeit der beiden Wellenarten zur Entfernungsmessung herangezogen. Here, the different running time of the two types of waves is used for the distance measurement. Zusätzlich kann das Signal moduliert werden, dh es wird eine Information auf das Signal aufgeprägt. In addition, the signal can be modulated, that is, impressed on an information on the signal.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • Wir verwenden ebenfalls die Laufzeitmessung von Ultraschallwellen bzw. die Laufzeitdifferenz zwischen Ultraschallwellen und elektromagnetischen Wellen, wobei für die elektromagnetischen Wellen näherungsweise angenommen wird, dass sie sich instantan ausbreiten. We also use the transit time measurement of ultrasonic waves or the time difference between ultrasonic waves and electromagnetic waves, assuming for the electromagnetic waves approximated that they spread instantaneously. Auch die Modulation des Ultraschallsignals wird genutzt, um mit Hilfe von Korrelationsrechnung Störungen durch Reflektionen oder Mehrwegausbreitung zu unterdrücken. The modulation of the ultrasound signal is used to suppress with the help of correlation calculation interference from reflections or multipath.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • Die in unserer Erfindungsmeldung vorgestellte Methode umfasst das Vorgehen in [8], enthält allerdings noch ein weitergehendes Merkmal: Durch Messung der Phase des Ultraschallsignals kann eine Genauigkeit bis in den Subwellenlängenbereich der Ultraschallwellen (Wellenlänge λ ≈ 8.5 mm) erreicht werden. Presented in our invention notification method includes the procedure in [8], however, still contains a fuller feature: By measuring the phase of the ultrasound signal, an accuracy in the sub-wavelength of the ultrasonic waves (wavelength λ ≈ 8.5 mm) can be achieved.
  • Stellungnahme zur Patentanmeldung WO 2005/112775 A1 Opinion on the patent application WO 2005/112775 A1
  • Methode method
  • Die Patentanmeldung [9] erhebt Ansprüche auf ein System zur Positionierung eines medizinischen Geräts und der Ablation von Gewebe. The patent application [9] rises claims to a system for positioning a medical device and ablating tissue. Dabei wird insbes. der Anspruch auf ein Navigationssystem erhoben, das ein dreidimensionales Referenzsystem bietet und die Position einer Energiequelle in diesem Referenzsystem bestimmen kann. Here, the navigation system is entitled to a esp. Applicable that provides a three-dimensional reference system and can determine the position of an energy source, in this reference system. Es wird allerdings nicht auf das technologische Prinzip der Navigation eingegangen. However, it will not address the technological principle of navigation.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • Die einzige Gemeinsamkeit mit unserere Methode besteht in der Einführung eines dreidimensionalen Referenzsystems, in dem die Pose (Position und Orientierung) des OP-Instruments angegeben wird. The only similarity with unserere method consists in the introduction of a three-dimensional reference system in which the pose (position and orientation) of the surgical instrument is provided.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • Die Patentanmeldung [9] geht nicht auf die technologische Realisierung der Navigation ein. The patent application [9] does not address the technological realization of navigation.
  • Stellungnahme zur Arbeit von Winkler Opinion on the work of Winkler
  • Methode method
  • Die studentische Arbeit [10] gibt einen Überblick über die Methode der Triangulation und Trilaterion bzw. Multilateration. The student work [10] provides an overview of the method of triangulation and Trilaterion or multilateration. Sämtliche Beschreibungen finden sich bereits in der einschlägigen Fachliteratur. All descriptions can already be found in the relevant literature.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • Es wird eine Laufzeitmessung von Ultraschallwellen verwendet. It is a run-time measurement of ultrasonic waves.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • In [10] wird das Signal nicht moduliert, zudem wird auch nicht die Phaseninformation genutzt. In [10], the signal is not modulated, also not the phase information is used. Es ergeben sich Abweichungen von 1–3 cm, die deutlich über der von den Erfindern angestrebten Genauigkeit im Subwellenlängenbereich liegen. This results in deviations from 1-3 cm, which are significantly above the desired accuracy by the inventors in the sub-wavelength.
  • Stellungnahme zur Arbeit von Kalbacher Opinion on the work of Kalbacher
  • Methode method
  • Die studentische Arbeit [11] beschreibt einen Roboter, der mit Hilfe von Ultraschallsensoren den Abstand zu einer Wand berechnet. The student's work [11] describes a robot which is calculated with the help of ultrasonic sensors the distance to a wall. Hierbei wird ausgenutzt, dass Ultraschallwellen an einer Wand reflektiert werden. This utilizes that ultrasonic waves are reflected on a wall. Die Methode entspricht der Einparkhilfe, die man heutzutage in vielen PKW findet. The method is similar to the parking aid that can be found in many cars today.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • Ultraschallwellen werden laufzeitbasiert zur Entfernungsmessung verwendet. Ultrasonic waves are run based on time used for distance measurement.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • In [11] kommt die Reflexion von Ultraschallwellen als physikalisches Prinzip zum Einsatz, wohingegen unsere Methode je einen Sender und einen Empfänger nutzt, zwischen denen die Ultraschallwellen gesendet werden. In [11], the reflection of ultrasonic waves is used as the physical principle used, whereas our method uses each a transmitter and a receiver, between which the ultrasonic waves are transmitted. Darüberhinaus kommen Modulation und Berücksichtigung der Trägerphase nicht zum Einatz. In addition, modulation and considering the carrier phase do not come to Einatz.
  • Stellungnahme zur Patentanmeldung CN101770236 Opinion on the patent application CN101770236
  • Methode method
  • In der Patentanmeldung [12] wird als Erfindung die Regelung eines Reinigungsroboters beschrieben. In the patent application [12], the control of a robot cleaner will be described as an invention. Dieser Reinigungsroboter kann auf öffentlichen Plätzen und Straßen eingesetzt werden. This cleaning robot can be used in public places and streets. Die Navigation des Roboters erfolgt mit GPS. The navigation of the robot is done with GPS. Zur Erkennung des zu entfernenden Mülls kommen Bilderkennung sowie Ultraschallwellen zum Einsatz. To detect the waste to be removed are image recognition and ultrasonic waves are used. Zudem verfügt der Roboter über einen Arm zum Aufsammeln des Mülls. In addition, the robot has an arm for collecting the waste.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • Es ist nur der Abriss (Abstract) von [12] verfügbar. It is only the outline (abstract) of [12] available. Auf die Ansprüche kann nicht zugegriffen werden. The claims can not be accessed. Dennoch kann mit Sicherheit gesagt werden, dass die Erfindung nichts mit unserem Nahbereichsnavigationssystem zu tun hat. Nevertheless, it can be said with certainty that the invention has nothing to do with our short-range navigation system.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • In [12] wird das GPS-System zur Navigation genutzt, wohingegen unsere Erfindung die Methoden der globalen Satellitennavigation (deren prominentester Vertreter das GPS ist) verwendet, um daraus ein ultraschallbasiertes Navigationssystem zu entwickeln. In [12], the GPS system is used for navigation, whereas our invention, the methods of global navigation satellite (whose representative is prominentester GPS) used in order to develop an ultrasound-based navigation system. In [12] wird also ein existierendes Navigationssystem für eine spezielle Aufgabe (Navigation eines Reinigungsroboters) genutzt, wohingegen unsere Erfindung das Navigationssystem selbst zum Gegenstand hat. In [12] Thus, an existing navigation system for a specific task (navigation of a robot cleaner) is used, whereas our invention has the navigation system itself the subject. Der Ultraschall wird in [12] augenscheinlich zur Detektion der (Müll-)Umrisse verwendet, ähnlich wie bei einem Einparksensor. The ultrasound is used in [12] apparent for the detection of (garbage) outline, similar to a parking sensor. In unserer Erfindung hingegen wird das Ultraschallsignal als Trägersignal genutzt: Es wird moduliert und zusätzlich wird auch noch dessen Phase als Messgröße mit einbezogen. In our invention, however, the ultrasonic signal is used as a carrier signal: it is modulated and additionally also its phase is included as a measure with.
  • Stellungnahme zum Patent US005873830A Statement on Patent US005873830A
  • Methode method
  • Im Patent [13] wird der Einsatz eines Arrays aus Ultraschallwandlern in einem Ultraschallbildgebungssystem (Claim 1) beansprucht. In the patent [13] the use of an array of ultrasound transducers in an ultrasound imaging system (Claim 1) is claimed. Darüberhinaus werden Bildverarbeitungsverfahren beansprucht (Claim 23, 29 und 51). Moreover, the image processing method are claimed (claim 23, 29 and 51). Die Ansteuerung der Wandler wird in Claim 27 beansprucht, wobei auch hier nur der Einsatz im Ultraschallbildgebungssystem erwähnt wird. The control of the converter is claimed in Claim 27, wherein also here only for use in the ultrasound imaging system is mentioned. Die Verarbeitung der Bildbewegung wird in Claim 67 beansprucht. The processing of the image motion is claimed in Claim 67th
  • Die restlichen unabhängigen Ansprüche beziehen sich im Wesentlichen auf weitere Bildverarbeitungsmethoden sowie eine teilweise Automatisierung des Bildaufnahmeprozesses. The remaining independent claims relate primarily to other image processing methods as well as a partial automation of the image acquisition process.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • Das Patent [13] hat bis auf die Verwendung von Ultraschall keinerlei Gemeinsamkeiten mit unserer Erfindung. The patent [13] has, except for the use of ultrasound nothing in common with our invention.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • Im Patent [13] wird ein bildgebendes Verfahren auf Basis von Ultraschall beschrieben (ähnlich wie Untersuchungen an ungeborenen Kindern), wohingegen unsere Erfindung ein (ultraschallbasiertes Nahbereichs-)Navigationssystem beschreibt. In the patent [13] an imaging method based on ultrasound is described (similar studies on unborn children), whereas our invention, a (ultrasound-based short-range) describes navigation system.
  • Stellungnahme zur Offenlegungsschrift DE 10 2011 01 932 A1 Opinion on the published patent application DE 10 2011 01 932 A1
  • Methode method
  • In der Offenlegungsschrift [14] wird im Wesentlichen ein Navigationssystem zur Trilateration mit Hilfe von Ultraschallwellen beschrieben. In the publication [14] A navigation system for trilateration using ultrasound waves will be described mainly.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • Das System ist eine Teilmenge unseres Systems. The system is a subset of our system. Wir werden ebenfalls Trilateration mit Hilfe von Ultraschallwellen verwenden. We will also use trilateration using ultrasound waves.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • Ein wesentlicher Neuheitsgrad unserer Erfindung gegenüber der Offenlegungsschrift [14] ist die Nutzung der Phase des Trägersignals zur hochgenauen Positionsbestimmung, da die Messung der Laufzeiten nur eine mäßige Ortsauflösung ermöglicht. A significant degree of novelty of our invention compared to the published patent application [14] is to use the phase of the carrier signal for highly accurate position determination, since the measurement of the transit times allows only a moderate spatial resolution. Darüberhinaus nutzen wir mehrere Ultraschallwandler pro Objekt zur Berechnung der Orientierung. In addition, we use multiple ultrasonic transducers per object to calculate the orientation. In der Offenlegungsschrift [14] wird zwar bereits die Richtung der Objekte berechnet (was im zweidimensionalen Fall der Orientierung entspricht), allerdings bleiben dreidimensionale Betrachtungen dort bisher komplett außer Acht. Although the direction of the objects is already calculated in the publication [14] (which in the two-dimensional case the orientation equivalent), but three-dimensional considerations remain there so far completely ignored. Unsere Methode hingegen ist von Beginn an dreidimensional ausgerichtet. Our method, however, is three-dimensionally aligned from the start.
  • Stellungnahme zur Patentpublikation US 2010/0049051 A1 Opinion on the patent publication US 2010/0049051 A1
  • Methode method
  • In der Patentpublikation [15] wird ein System beansprucht, das aus einem Ultraschalldiagnosegerät besteht und über ein Navigationssystem (z. B. GPS) seine Position bestimmen kann. a system is claimed in the patent publication [15], which consists of an ultrasonic diagnosis device and a navigation system (z. B. GPS) can determine its position. Zudem verfügt das System über eine Krankenhausdatenbank. the system also has a hospital database.
  • Gemeinsamkeiten mit unserer Methode In common with our method
  • In der Patentpublikation [15] geht es nicht um ein (ultraschallbasiertes Nahbereichs-)Navigationssystem, sondern um ein auf Ultraschall basierendes bildgebendes System, das zusätlich ein Navigationssystem nutzt. In the patent publication [15] is not about one (ultrasound-based short-range) navigation system, but an ultrasound-based imaging system that uses zusätlich a navigation system. Die Erfindung hat daher keinerlei Gemeinsamkeiten mit unserer Erfindung. The invention therefore has nothing in common with our invention.
  • Unterschied zu unserer Methode Unlike our method
  • In der Patentpublikation [15] wird ein Ultraschalldiagnosegerät beschrieben, das z. In the patent publication [15] The ultrasonic diagnosis apparatus is described which z. B. über GPS seine Position bestimmen kann, wohingegen unsere Erfindung ein ultraschallbasiertes Nahbereichsnavigationssystem zum Gegenstand hat. B. can determine its position via GPS, whereas our invention has an ultrasound-based short-range navigation system to the object.
  • Detailbeschreibung der Erfindung Detailed Description of the Invention
  • Im Folgenden werden die Modularität, die genutzte Topologie, die Grundzüge des eingesetzten kinematischen Modells sowie die Multilateration mitsamt zwei komplementären Methoden zur Distanzmessung dargestellt. In the following, the modularity, the used topology, the main features of the kinematic model used and the multilateration together two complementary methods are described for measuring distance. Ferner erfolgt die Beschreibung supplementärer Technologien wie der Trägheitsnavigation und Messung des Erdmagnetfelds, sowie systemdynamischer Methoden der Sensorfusion zur Verbesserung der Absolutpositionierung. Further, the description supplementärer technologies such as the inertial navigation and measurement of the earth's magnetic field, as well as system dynamic methods of sensor fusion to improve the absolute positioning is performed.
  • Modularität modularity
  • Das vorgestellte Innenraumnavigationssystem zeichnet sich durch hohe Modularität aus. The proposed indoor navigation system is characterized by high modularity. Die Grundfunktionalität der Positionsbestimmung kann bereits unter Verwendung von drei Infrarot- und Ultraschallempfängern an drei unterschiedlichen Orten, sowie durch einen Infrarot- und Ultraschallsender, der mit dem Code amplitudenmodulierte Signal versendet, etabliert werden. The basic functionality of the position determination can already be established in three different locations, and by an infrared and ultrasonic transmitter that sends the code amplitude modulated signal using three infrared and ultrasonic receivers. Bereits mit dieser Grundkonfiguration können zahlreiche Sendermodule bei vollständiger Abdeckung des Bereichs mit Empfängern lokalisiert werden. Already with this basic configuration numerous transmitter modules may be located with receivers with full coverage of the area. Sollten höhere Genauigkeitsanforderungen vorliegen, kann das System durch optionale Zusatzfunktionen und -technologien wie der hochgenauen Phasenmessung, einer Inertialsensorik inkl. Kompass für hochdynamische Bewegungen und zur Orientierungsstützung, der damit verbundenen Sensorfusion sowie der Schätzung der Orientierung durch mehrere Sender pro zu verfolgendem Starrkörper Schritt für Schritt ergänzt werden. If higher accuracy requirements are present, the system can optional add-on features and technologies such as the highly accurate phase measurement, an inertial sensor incl. Compass for highly dynamic movements and orientation support, the associated sensor fusion and the estimation of orientation by several stations in each to verfolgendem rigid body step by step be supplemented. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Vollständigkeit wird daher im Folgenden das Basissystem inklusive der optionalen Zusatzfunktionen als Gesamtsystem beschrieben. Therefore, the basic system includes the optional additional functions is described as an integrated system in the following for reasons of clarity and completeness.
  • Topologie topology
  • Das System ist schematisch in The system is schematically illustrated in dargestellt: An einem im Raum frei beweglichen, starren Objekt befindet sich ein (optional drei) Ultraschallsender US-TX (Piezos), ein Infrarotsender IR-TX (LED), optional ein Beschleunigungssensor, optional ein Gyroskop sowie optional ein Kompass. shown: At one freely movable in space, rigid object (optionally three) ultrasonic transmitter US-TX (piezos), an infrared transmitter IR TX (LED), optionally, an acceleration sensor, optional gyroscope, and optionally a compass. Im Raum sind ”Satelliten” verteilt, deren Position bekannt ist und die jeweils einen Ultraschallempfänger US-RX (Piezo), einen Infrarotempfänger IR-RX (Photodiode), optional einen Beschleunigungssensor und optional einen Kompass beheimaten. In the space are distributed "satellites", whose position is known and each having an ultrasonic receiver US-RX (piezo), an infrared receiver IR-RX (photodiode), optional home to an acceleration sensor and optionally a compass.
  • Kinematisches Modell kinematic model
  • Die Navigationslösung ist gekennzeichnet durch einen modellbasierten Ansatz. The navigation solution is characterized by a model-based approach. Die Beschreibung der Bewegung des starren Objekts, dessen Position bestimmt werden soll, erfolgt durch ein kinematisches Modell. The description of the movement of the rigid object whose position is to be determined is carried out by a kinematic model. Der systemdynamische Zustand x = (r, v, q) eines Starrkörpers setzt sich zusammen aus seiner Position r ∊ R 3 , seiner Geschwindigkeit v ∊ R 3 und seiner Orientierung q ∊ H Für letztere findet eine Darstellung als Quaternion Anwendung, welche gegenüber Euler- oder Kardanwinkel den Vorteil aufweist, dass keine Singularitäten auftreten. The system dynamic state x = (r, v, q) of a rigid body will consist of position r ε R 3, its speed v ε R 3 and its orientation q ε H For the latter, is a diagram in a quaternion application, which is opposite to Euler or gimbal angles has the advantage that no singularities occur. Aufgrund der Rotationsdynamik ergibt sich eine nichtlineare Kinematik. Due to the rotational dynamics of a nonlinear kinematic results.
  • Multilateration Multilateration
  • Die Schätzung der Position erfolgt über einen Multilaterationsalgorithmus. The estimate of the position via a multi-lateration. Die Kernidee der Multilateration ist in The core idea of ​​multilateration is in dargestellt und liegt darin, die unbekannte Position r 0 auf Basis der Distanzen zu bekannten Fixpunkten r 1 (den Satelliten) zu berechnen. illustrated and is to calculate the unknown position r 0 on the basis of the distances to known fixed points r 1 (the satellite). Die einzelnen Distanzen bilden Kreise im Zweidimensionalen bzw. Kugeloberflächen im Dreidimensionalen. The individual distances form circles in two dimensions or in three dimensions spherical surfaces. Deren Schnittpunkt stellt dann die Position dar. Der Algorithmus benötigt also mehrere (unilaterale) Distanzmessungen d i = ||r i – r 0 || Then the point of intersection represents the position So the algorithm takes several (unilateral) distance measurements d i = || r i -. R 0 || 2 zwischen den Sendern und den Empfängern, im Speziellen zwischen den US-TX und US-RX. 2 between the transmitters and receivers, in particular between the US-TX and RX US. Aus zwei (im Zweidimensionalen) oder drei (im Dreidimensionalen) Positionsmessungen eines Objekts kann darüber hinaus dessen Orientierung berechnet werden [16]. Of two (in two dimensions) or three (in three dimensions) position measurements of an object whose orientation can be calculated [16] beyond.
  • Unilaterale Distanzmessung Unilateral distance measurement
  • Für die dreidimensionale Multilateration werden mindestens drei (unilaterale) Distanzmessungen d ij zwischen US-TX i und US-RX j benötigt. For three-dimensional multilateration at least three (unilateral) distance measurements d ij between US TX i and US-RX j are needed. Die Art der Distanzmessung bildet den eigentlichen Neuheitsgrad der in diesem Antrag zur Validierungsförderung beworbenen Innenraumnavigationslösung. The type of distance measurement is the actual degree of novelty of the advertised in this application to validate promoting indoor navigation solution. Die prinzipielle Vorgehensweise ähnelt dem MIT Cricket System [2], indem am Sender simultan ein Infrarot- und ein Ultraschallsignal erzeugt wird. The basic procedure is similar to the MIT Cricket system [2], simultaneously by an infrared and an ultrasonic signal is generated at the transmitter. Da sich das Infrarotsignal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, kommt es innerhalb weniger Nanosekunden am Empfänger an. Since the infrared signal propagates with speed of light, occurs within a few nanoseconds at the receiver. Die Ausbreitung kann in zulässiger Näherung als instantan betrachtet werden. The spread can be viewed in a permissible approximation as instantaneously. Das IR-Signal dient damit zur Synchronisation. The IR signal is thus used for synchronization. Das Ultraschallsignal hingegen breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus und benötigt eine Laufzeit von einigen Millisekunden, um zum Empfänger zu gelangen. The ultrasonic signal, however, is spreading at the speed of sound and requires a period of a few milliseconds to reach the receiver. Die gesuchte Distanz zwischen US-TX und US-RX ist damit proportional zur Laufzeitdifferenz zwischen IR- und US-Signal. The desired distance between the US and US TX-RX is thus proportional to the time difference between the IR and US signal. Dies ist die entscheidende Idee, mit der ein einfaches Ultraschall/Infrarot Indoor GPS aufgebaut werden kann. This is the key idea with a simple ultrasound / infrared indoor GPS can be built.
  • Laufzeit der Einhüllenden. Duration of the envelope.
  • Im Gegensatz zu [2] wird beim vorliegenden System allerdings sowohl das IR- als auch das US-Signal mit einem Gold Code [17] moduliert, wie er vom Navstar GPS und der Mobilfunktechnologie bekannt ist. In contrast to [2], both the IR and the US signal with a gold code [17] is modulated in the present system, however, as is known from the Navstar GPS and cellular technology. Durch Demodulation des empfangenen Signals und Korrelation mit dem bekannten Gold Code kann die Laufzeit zwischen IR- und US-Signal berechnet und zudem einem bestimmten Sender zugeordnet werden. By demodulating the received signal and correlation with the known gold code, the runtime between the IR and US signals can be calculated and also assigned to a particular transmitter. Anders ausgedrückt wird die Zeitmultiplexmodulation (TDMA, Time Division Multiple Access) aus [2] durch eine Codemultiplexmodulation (CDMA, Code Division Multiple Access) ersetzt. the time-division multiplex modulation (TDMA, Time Division Multiple Access) [2] by a code division multiplex modulation (CDMA, Code Division Multiple Access) In other words, replaced. Dieses Vorgehen ist im Bereich der ultraschallbasierten Innenraumnavigation international einzigartig. This approach is unique internationally in the field of ultrasound-based indoor navigation. Die The zeigt schematisch die Laufzeitmessung durch die code-modulierten IR- und US-Signale. schematically shows the travel time measurement by the code modulated IR and US signals. Die Einhüllende des Ultraschallsignals benötigt die Laufzeit Δt ETF gegenüber der Einhüllenden des Infrarotsignals. The envelope of the ultrasonic signal requires the running time At ETF relative to the envelope of the infrared signal. Dies ist exakt die notwendige Verschiebung, um die beiden Einhüllenden zur Deckung zu bringen. This is exactly the required shift to bring the two envelope to cover. Dieser Betriebsmodus wird Envelope Time-of-Flight (ETF) genannt. This mode of operation is called Envelope Time-of-Flight (ETF). Die (Quasi-)Orthogonalität der Gold Codes zueinander sowie bezüglich einer zeitlich verschobenen Instanz ihrer selbst impliziert zwei signifikante Merkmale dieser Art der Distanzmessung. The (quasi-) orthogonal Gold codes with each other and with respect to a time-shifted instance of itself implies two significant features of this type of distance measurement. Erstens lassen sich sämtliche US-TX voneinander differenzieren, so denn sie nicht den gleichen Gold Code einsetzen. First, all US-TX can be differentiated from one another so because they do not use the same Gold code. Dies ermöglicht den parallelen Betrieb mehrerer Sender, wodurch erst die Schätzung der Orientierung sowie die simultane Verfolgung mehrerer Objekte pro Arbeitsraum möglich werden. This allows the parallel operation of several transmitters, thus only be possible to estimate the orientation and simultaneous tracking of multiple objects per workspace. Zweitens weist die Korrelation der empfangenen Einhüllenden mit dem bekannten Gold Code ein eindeutiges Maximum auf, was eine robuste und eindeutige Distanzmessung erlaubt. Second, the correlation of the received envelopes with the known gold code unique maximum on what a robust and unambiguous distance measurement allowed. Mehrwegausbreitungen im Allgemeinen und Reflexionen im Speziellen werden somit zuverlässig unterdrückt. Multipath propagation in general and reflections in particular are thus reliably suppressed.
  • Trägerphasendifferenz. Carrier phase difference.
  • Obgleich bereits die ausschließliche Auswertung der Codes (ETF Modus) eine Absolutpositionierung erlaubt, kann durch die Phasenauswertung (CPH Modus, s. unten) ergänzend die Genauigkeit weiter gesteigert werden. Although already exclusive evaluation of the codes (ETF mode) allows an absolute positioning, the accuracy can be obtained by the phase evaluation (CPH mode, s. Below) in addition be further increased. Inspiriert von der Technik des Differential Carrier GPS, welche durch Auswertung des Trägersignals die Genauigkeit des GPS signifikant erhöht, werden neben der Korrelation der Einhüllenden im vorliegenden System zusätzlich die Trägersignale sowohl des Infrarot- als auch des Ultraschallsignals ausgewertet. Inspired by the technique of differential GPS Carrier, which significantly increased by evaluation of the carrier signal, the accuracy of the GPS, the envelope in the present system are also evaluated the carrier signals of both the infrared and of the ultrasonic signal in addition to the correlation. Dieser Carrier Phase Betriebsmodus wird im Folgenden mit CPH abgekürzt. This carrier-phase operation mode is hereinafter abbreviated to CPH. Da die Trägersignale (anstelle des modulierten Codes) verwendet werden, ermöglicht die Phasendifferenz dieser beiden Signale eine hochgenaue Distanzmessung im Subwellenlängenbereich, wobei die Wellenlänge λ ≈ 8.575 mm beträgt. Since the carrier signals are used (instead of the modulated code), the phase difference of these two signals enables a highly accurate distance measurement sub-wavelength, the wavelength is λ ≈ 8.575 mm. Die Phasendifferenz ist allerdings mehrdeutig bezüglich der Addition einer ganzen Wellenlänge. The phase difference, however, is ambiguous with respect to the addition of a full wavelength. Ihre Bestimmung erfolgt durch die Betrachtung der Nulldurchgänge der IR- und US-Träger, s. They are selected by considering the zero crossings of the IR and US carrier, s. . , Die Trägersignale werden hierzu bis zur Sättigung verstärkt, so dass die Nulldurchgänge in steigende Flanken übergehen, welche technisch leicht detektierbar sind. The carrier signals are amplified to saturation for this purpose, so that the zero passages merge into rising edges which are technically readily detectable. Da für die Codemulitplexmodulation die ASK-CDMA (Amplitude Shift Keying CDMA) Technik genutzt wird [18], welche im Wesentlichen einer Amplitudenmodulation des Trägers mit dem Gold Code entspricht, stellen die Mittelpunkte der Codechips mit Wert ”1” geeignete Zeitpunkte zur Trägerphasendetektion dar. Zu diesem Zeitpunkt ist das Trägersignal vollständig eingeschwungen. As for the Codemulitplexmodulation the ASK-CDMA (Amplitude Shift Keying CDMA) technique is used [18], which is essentially an amplitude modulation of the carrier corresponds with the gold code represent the center points of the code chips with a value of "1" represent suitable points in time for carrier phase detection. at this time the carrier signal is completely settled. Da die Träger im Zustand der stationären Oszillation ausgewertet werden, treten keine genauigkeitsreduzierenden transienten Effekte auf, wie es beispielsweise bei der Auswertung einzelner Pulse der Fall ist. Since the carriers are evaluated in a state of steady oscillation will not occur accuracy reducing transient effects, as is the case for example in the evaluation of individual pulses. Beim simultanen Betrieb mehrerer Sender muss darauf geachtet werden, dass die Chips der Codes der anderen Sender zum betrachteten Auswertungszeitpunkt den Wert ”0” aufweisen. In the simultaneous operation of several transmitters must be taken to ensure that the chips of the codes of the other stations have, for the time of evaluation considered the value "0". Der Trägerphasenbetriebsmodus ist also im Gegensatz zum Modus der Einhüllendenlaufzeitdifferenz wesentlich sensibler gegenüber dem simultanen Betrieb mehrerer Sender. The carrier phase operation mode is so much more sensitive to the simultaneous operation of several transmitters in contrast to the mode of Einhüllendenlaufzeitdifferenz. Die Verwendung einer PLL (phase-locked loop) in Verbindung mit einer BPSK-CDMA (Binary Phase Shift Keying CDMA) Modulation reproduziert die Lokaloszillation empfängerseitig und eliminiert damit diese Einschränkung. The use of a PLL (phase-locked loop) in conjunction with a BPSK-CDMA (Binary Phase Shift Keying CDMA) modulation local oscillation reproduces the receiver side, thus eliminating this limitation. Sie ist Gegenstand des Arbeitspakets 4. It is the subject of the work package. 4
  • Inertialsensorik inertial sensors
  • Um die Orientierungsschätzung zu verbessern kann optional Inertialsensorik zu Stützung eingesetzt werden. In order to improve the orientation estimation optional inertial sensors are used to support. Zusätzlich zur opto-akustischen Messung kommt eine Inertialmesseinheit (IMU, Inertial Measurement Unit) in MEMS-Ausführung (Microelectromechanical Systems) zum Einsatz. In addition to the opto-acoustic measurement, an inertial measurement unit (IMU, Inertial Measurement Unit) in MEMS-type (Micro Electro Mechanical Systems) is used. Sie ist im Rahmen der sog. Strapdown Technik fest mit dem Starrkörper verbunden und liefert mit einer Abtastrate in der Größenordnung von einem Kilohertz hochfrequente Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssignale. It is within the so-called. Strapdown technology firmly connected to the rigid body, and provides a sampling rate in the order of one kilohertz high frequency acceleration and angular rate signals. Da diese sowohl durch Nullpunktsabweichungen als auch durch Rauschen gestört sind, driften die durch Integration der IMU-Signale gewonnenen Positions- und Orientierungssignale innerhalb weniger Sekundenbruchteile vom wahren physikalischen Wert ab. Since these are disturbed both by zero drift and by noise, obtained by integrating the IMU signals position and orientation signals are drifting within a few fractions of a second from the true physical value. Die IMU ist daher nur bedingt zur Stützung der Position und Orientierung des verfolgten Starrkörpers während Verdeckungsphasen geeignet. The IMU is therefore only suitable to support the position and orientation of the rigid body pursued while masking phases. Ohnehin wird angestrebt, Verdeckungen durch den Einsatz einer Vielzahl an preisgünstigen Empfängern generell zu vermeiden. In any case, the aim is to avoid occlusions generally through the use of a variety of inexpensive receivers. Zusätzlich zur Orientierungsstützung kann die IMU vorteilhaft im Rahmen der Fehlerdetektion eingesetzt werden, indem die Signale des opto-akustischen Systems plausibilisiert werden. In addition to orientation support, the IMU can be used advantageously in the context of fault detection, by the signals of the opto-acoustic system are checked for plausibility. Aufgrund ihrer hochfrequenten Abtastrate eignet sie sich zudem hervorragend zur Integration sehr schneller Bewegungen, die vom opto-akustischen System aufgrund der Schalllaufzeit, va jedoch aufgrund der endlichen Codelänge, nur verzögert abgebildet werden können. Because of their high-frequency sampling rate it is also ideal for integration that can be mapped, however due to the finite code length, only delayed by the opto-acoustic system because of the sound transit time, especially very fast movements.
  • Kompass compass
  • Optional kann zur Verbesserung der Orientierungsschätzung ein ebenfalls in MEMS Bauweise und Strapdown Technik realisierter Kompass eingesetzt werden. Optionally, an also be used in MEMS design and strapdown technology realized compass orientation to improve the estimate. Er misst das lokale Magnetfeld, welches zusätzlich zur Stützung der Orientierung genutzt werden kann. It measures the local magnetic field, which can be used to support the orientation in addition. Die Abtastrate liegt in der Größenordnung von 100 Hz. The sampling rate is on the order of 100 Hz.
  • Sensorfusion sensor Fusion
  • Um die durch die zusätzlichen Sensoren gegebenen Potentiale der Genauigkeitssteigerung optimal zu nutzen, werden basierend auf kinematischen Modellen Sensorfusionsalgorithmen vorgeschlagen. To fully benefit from the potential of increasing the accuracy given by the additional sensors, sensor fusion algorithms are proposed based on kinematic models. Anhand des kinematischen Modells kann ein zeitdiskretes systemdynamisches Modell can using the kinematic model a discrete-time system dynamic model x k+1 = f(x k , u k , v k , k), x(0) = x 0 x k + 1 = f (x k, u k, v k, k), x (0) = x 0 y k = h(x k , η k , k) y k = h (x k, η k, k) in Zustandsraumdarstellung abgeleitet werden. are derived in the state space representation. Hierbei stellt x den Zustand, u den Eingang, y den (Mess-)Ausgang, v das Prozessrauschen und η das Messrauschen dar. Zusammen mit der Charakterisierung der diversen Navigationssignale hinsichtlich spektraler Rauschleistungsdichte, Rauschwahrscheinlichkeitsverteilung und Abtastrate kann dieses Modell genutzt werden, um mit Hilfe systemdynamischer Methoden eine Sensorfusion durchzuführen. Here x represents the state, and the input, y the (measuring) output, v is the process noise and η is the measurement noise. Together with the characterization of the various navigation signals in terms of spectral noise density, noise probability distribution and sampling of this model can be used to using system dynamic methods perform sensor fusion. Das bedeutet, dass die multimodalen Navigationssignale entsprechend ihrer jeweiligen Eignung optimal zusammengeführt werden, um Position und Orientierung des Starrkörpers zu berechnen. This means that the multi-modal navigation signals are optimally combined according to their respective ability to calculate the position and orientation of the rigid body. Für die vorliegende Aufgabe der Posenschätzung bietet sich das Erweiterte Kalman Filter (EKF), das Unscented Kalman Filter (UKF) sowie das Partikelfilter (PF) an. For the task of pose estimation, the Extended Kalman Filter provides (EKF), the unscented Kalman filter (UKF) and the particulate filter (PF) to. All diesen Methoden ist gemein, dass während eines Prädiktionshorizonts das Modell mit den IMU-Signalen als Eingang simuliert wird, und anschließend die Kompasssignale sowie die Distanzsignale des opto-akustischen Systems zur Korrektur genutzt werden. All these methods have in common that during a prediction horizon model with the IMU signals is simulated as an input, and then the compass signal and the distance signals of the opto-acoustic system are used for correction. Dieser Zyklus aus Prädiktion und Korrektur wiederholt sich fortwährend, wobei der Zustand des Modells gegen den tatsächlichen Zustand der Strecke konvergiert und damit eine Schätzung der tatsächlichen Position und Orientierung darstellt. This cycle of prediction and correction is repeated continually, whereby the state of the model converges to the actual state of the track and thus represents an estimate of the actual position and orientation. Da aufgrund der Verwendung eigenentwickelter opto-akustischer Absolutpositionierungstechnologie sämtliche Signale zugänglich sind, besteht freie Wahl bezüglich der Intensität der Kopplung zwischen IMU- und Absolutdaten. Since all the signals are available due to the use of self-developed opto-acoustic absolute positioning technology, there is a free choice with respect to the intensity of the coupling between the IMU and absolute data. Neben loose coupling lässt sich also auch das performantere tight coupling oder deep coupling implementieren [19]. In addition to loose coupling is therefore also performant tight coupling or deep coupling can be implemented [19]. Diese Techniken unterscheiden sich darin, wann die elementaren Signale fusioniert werden. These techniques differ in when the elementary signals are merged. Je früher die Fusion erfolgt, umso mehr Informationen können gewonnen werden. The sooner the merger takes place, the more information can be obtained. Allerdings erhöht sich auch die Komplexität. However, the complexity increases.
  • Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • 1 1
    Trägersignal carrier signal
    2 2
    Modulationssignal modulation signal
    3 3
    Zeitverzögerungsdifferenz Time delay difference
    4 4
    Empfänger receiver
    5 5
    Infrarotphotodiode Infrared photodiode
    6 6
    Ultrschallempfänger Ultrschallempfänger
    7 7
    Kompass compass
    8 8th
    Accelerometer Accelerometer
    9 9
    Gyroskop gyroscope
    10 10
    Ultraschallsender ultrasonic transmitter
    11 11
    Infrarot-LED Infrared LED
    12 12
    Sender transmitter
    13 13
    Laufzeitdifferenz Δt ETF auf Basis der Laufzeit der Einhüllenden Runtime difference At ETF based on the maturity of the envelope
    14 14
    Laufzeitdifferenz Δt CPH auf Basis der Laufzeit der Trägerphasendifferenz Runtime difference At CPH based on the life of the carrier phase difference
  • Literaturverzeichnis bibliography
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    • [17] [17] . ,
    • [18] [18] . ,
    • [19] [19] . ,

Claims (12)

  1. Gerät zur (unilateralen) Distanzmessung auf Basis des Laufzeitunterschieds eines codemodulierten Signals zwischen einem Kanal mit quasi-instantaner Ausbreitung und einem Kanal mit entfernungsabhängiger Laufzeit, dadurch gekennzeichnet, dass als instantaner Kanal pulsweitenmoduliertes Infrarot und als Laufzeitkanal Ultraschall zum Einsatz kommt. Device for (unilateral) distance measurement based on the propagation time difference of a code modulated signal between a channel with quasi-instantaneous expansion and a channel with distance-based runtime, characterized in that comes as instantaneous channel pulse width modulated infrared and as a runtime channel ultrasonic used.
  2. Gerät nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenz des Infrarot der Resonanzfrequenz des Ultraschalls entspricht. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that the modulation frequency of the infrared corresponds to the resonance frequency of the ultrasound.
  3. Gerät nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als modulierter Code ein Gold Code zum Einsatz kommt. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that comes code as a modulated code, a gold used.
  4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitdifferenz durch Korrelation der empfangenen Signale mit dem Referenz Gold Code berechnet wird. An apparatus according to claim 1, characterized in that the transit time difference is calculated by correlation of the received signals with the reference Gold code.
  5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Genauigkeitssteigerung eine (unilaterale) Distanzmessung auf Basis der Trägerphasendifferenz eines Signals zwischen einem Kanal mit quasi-instantaner Ausbreitung und einem Kanal mit entfernungsabhängiger Laufzeit eingesetzt wird, wobei als instantaner Kanal pulsweitenmoduliertes Infrarot und als Laufzeitkanal Ultraschall zum Einsatz kommt. Apparatus according to claim 1, characterized in that to increase accuracy one (unilateral) distance measurements based on the carrier phase difference of a signal between a channel with quasi-instantaneous expansion and a channel with distance-dependent term is used, wherein as instantaneous channel pulse width modulated infrared and as a runtime channel Ultrasound for used.
  6. Gerät nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Phasendifferenz durch Ermittlung der Nulldurchgänge der Trägersignale erfolgt. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that the determination of the phase difference is carried out by determining the zero crossings of the carrier signals.
  7. Gerät nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Nulldurchgänge durch Interrupts auf einem Mikrocontroller detektiert werden. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that the zero crossings are detected by interrupts on a microcontroller.
  8. Gerät zur (unilateralen) Distanzmessung durch Kombination der Ansprüche 1 und 5, dh durch Kombination von Codemodulation und Trägerphasendifferenzmessung. Device for (unilateral) Distance measurement by combination of claims 1 and 5, that is, by combination of code modulation and carrier phase difference measurement.
  9. Vorrichtung zur (unilateralen) Distanzmessung mit einem Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass als instantaner Kanal pulsweitenmoduliertes Infrarot und als Laufzeitkanal Ultraschall zum Einsatz kommen. Device for (unilateral) distance measurement with a device according to one of claims 1 to 4 characterized in that are used as instantaneous channel pulse width modulated infrared and as a runtime channel ultrasound.
  10. Vorrichtung zur (unilateralen) Distanzmessung mit einem Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8 auf Basis der Trägerphasendifferenz eines Signals zwischen einem Kanal mit quasi-instantaner Ausbreitung und einem Kanal mit entfernungsabhängiger Laufzeit, dadurch gekennzeichnet, dass als instantaner Kanal pulsweitenmoduliertes Infrarot und als Laufzeitkanal Ultraschall zum Einsatz kommen. Device for (unilateral) distance measurement with a device according to claim 5 characterized based on the carrier phase difference of a signal between a channel with quasi-instantaneous expansion and a channel with distance-based runtime to 8 that as the instantaneous channel pulse width modulated infrared and as a runtime channel ultrasonic are used.
  11. Vorrichtung zur (unilateralen) Distanzmessung durch Kombination der Ansprüche 9 und 10, dh durch Kombination von Codemodulation und Trägerphasendifferenzmessung. Device for (unilateral) Distance measurement by a combination of claims 9 and 10, ie, by combining code modulation and carrier phase difference measurement.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Sendeeinheit, welche mindestens einen Ultraschallsender auf Piezo-Basis und mindestens einen Infrarotsender (LED) aufweist, sowie mindestens eine Empfangseinheit, welche einen Ultraschallempfänger auf Piezo-Basis und einen Infrarotempfänger (Photodiode) aufweist, beinhaltet. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that said at least one transmission unit comprising at least one ultrasonic transmitter piezo-based and at least one infrared transmitter (LED) and at least one receiving unit which an ultrasonic receiver piezo-based and an infrared receiver (photodiode) which includes.
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