DE69821334T2 - Detektionssystem zur bestimmung von objektbezogener positionsinformation - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Detektionssystem zum Bestimmen von Informationen betreffend die Position bzw. Lage von Objekten; sie kann auf die Bestimmung von Bewegungen und Orientierungen und sogar von physikalischen Parametern, wie z. B. die Form von Gegenständen in einer bestimmten Umgebung erweitert werden. Die Erfindung ist sowohl anwendbar auf Menschen und Tiere wie auch auf leblose Gegenstände, z. B. Möbel, Maschinen, Fahrzeuge, Geräte und dergl., so dass in diesem Zusammenhang der Ausdruck „Objekte" sich auf beliebige bewegliche Dinge und Wesen bezieht.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es sind Lagesysteme bekannt, die ermöglichen, das Vorhandensein oder Fehlen eines Objektes in einer bestimmten Umgebung (z. B. einem Raum) zu bestätigen oder zu verneinen und in bezug auf einen oder mehrere Referenzpunkte zu identifizieren, wo in der Umgebung das Objekt positioniert ist.
  • EP 0 485 879 beschreibt ein System zum Lokalisieren von Fahrzeugen in automatisch arbeitenden Lenk-Transportsystemen. Dabei wird Ultraschall als Abstands-Messmedium verwendet, während eine Infrarot-Kopplung die Kommunikation zwischen Fahrzeugen ermöglicht.
  • WO 95/14241 beschreibt ein Nachführsystem, mit dem es möglich ist, dass ein Scheinwerfer einer Person auf einer Bühne folgt, die einen Transponder trägt. Auch hier werden Infrarot-Signale verwendet, um Ultraschall-Übertragungen so vorzunehmen, dass die Position des Transponders und damit die dieser Person bestimmt wird. Der Scheinwerfer wird dann entsprechend geführt.
  • EP 0 591 899 beschreibt ein weiteres, Scheinwerfer steuerndes System zum Verfolgen eines sich bewegenden Zieles (z. B. eines Schauspielers auf einer Bühne), das einen Transponder trägt. Hier bauen Funk-Übertragungen die Kommunikations-Kopplung auf, und es werden Ultraschall-Übertragungen verwendet, um Abstand und Position zu bestimmen.
  • In den UK Patentanmeldungen Nr. 9725760.4, 9725718.2 und 9725759.6 der Anmelderin (die nicht vorveröffentlicht sind) ist ein Positioniersystem für Innenräume beschrieben, bei dem ein einzelner Rundfunksender (Teil eines Zonen-Managers) 25 Funksignale zu Beginn eines 40 ms dauernden Intervalls, das ein Zeitkanal genannt wird, überträgt.
  • Die Funksignale, die von mobilen Sender/Empfängern (Transpondern) in Räumen aufgenommen werden, in die diese Signale fortschreiten, enthalten eine Adresse, die für jede Nachricht über einen Planungs-PC ausgewählt werden.
  • Jeder mobile Transponder hat eine eindeutige Adresse und vergleicht diese mit der Adresse, die in jeder ankommenden Funk-Nachricht enthalten ist. Wenn die Adressen zueinander passen, emittiert der mobile Transponder einen kurzen Ultraschall-Impuls, der durch einen Satz von Empfängern detektiert wird (jeder Raum hat seinen eigenen Empfänger-Satz). Diese Empfänger weisen einen Zähler auf, der mit den Funk-Nachrichten über ein verdrahtetes Netzwerk synchronisiert ist, so dass es möglich ist, die Durchlaufzeit des Ultraschall-Impulses von dem mobilen Transponder zu jedem Empfänger, der ihn detektiert, zu bestimmen.
  • Es wird eine Schätzung der Schallgeschwindigkeit in jedem Raum (abgeleitet von der Umgebungstemperatur) vorgenommen, um den entsprechenden Transponder-Empfänger-Abstand zu berechnen.
  • Es wird dann diesen Abständen und den bekannten Empfänger-Positionen angepasst ein nichtlineares Modell durch einen Regressions-Algorithmus erstellt, der auf einem Positionier-PC läuft (welcher mit dem Empfänger-Satz eines Matrix-Managers verbunden ist).
  • Ein globales Zeitsignal wird durch einen Taktgenerator an den Zonen-Manager und den bzw. die Matrix-Manager gesendet. Dieses Signal stellt sicher, dass der Planungs-PC weiß, welcher mobile Transponder in einem bestimmten Zeitkanal getriggert war. Er gewährleistet auch, dass dann, wenn ausreichend viele Ultraschall-Signale aus diesem mobilen Transponder detektiert werden, der Positionier-PC, der dem Raum zugeordnet ist, in welchem die Ultraschall-Signale erzeugt wurden, weiß, wo ein mobiler Transponder zu Beginn des Zeitkanales positioniert war.
  • Durch Korrelieren dieser beiden Informationsausdrücke in einer Software-Einrichtung, die als Bereichs-Manager bezeichnet wird, ist es möglich, die 3D-Position eines mobilen Transponders zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen.
  • Das vorbeschriebene System, das der vorbezeichneten Patentanmeldung zugrunde liegt, wird im einzelnen weiter unten beschrieben.
  • Die Anwendung des Systems, das in den vorerwähnten Patentanmeldungen beschrieben ist, besitzt 40 ms Zeitkanäle; diese können jedoch bis auf etwa 20 ms verkürzt werden, ohne dass der grundlegende Betrieb des Systems dadurch nachteilig beeinflusst wird. Ein Nachhallen eines Ultraschall-Impulses in einem typischen Büro kann bis 20 ms dauern, so dass die Zeitkanäle nicht kürzer als dieses Intervall gemacht werden können. Betrachtet man den Fall eines Systems, bei dem alle mobilen Transponder in einem einzigen Raum untergebracht sind, kann z. B. bei einem Zeitabstand von 15 ms Dauer die Periode, in der Nachhallvorgänge von einem mobilen Transponder in einem Zeitkanal ausgelöst werden, einen Empfänger erreichen, der die Periode überlappt, in der Signale aus einem mobilen Transponder im nächsten Zeitkanal getriggert werden, die Empfänger erreichen kann. Es wäre dann nicht möglich, zu bestimmen, welcher mobile Transponder ein bestimmtes Signal erzeugt hat und es können in die Berechnung der Lage eines mobilen Transponders eingeführt werden, indem ein Signal benutzt wird, das von einem anderen mobilen Transponder erzeugt worden ist.
  • Wenn mobile Transponder zwischen einer Reihe von Räumen verteilt angeordnet sind, erscheint die vorerwähnte Beschränkung restriktiv. Die Zeitperioden, in denen Signale aus zwei oder mehr mobilen Transpondern fliegend sind, können sich zuverlässig überlappen, wenn es gewiss ist, dass die Signale sich nicht physisch überlappen. Wenn beispielsweise zwei mobile Transponder in getrennten Räumen untergebracht sind, die ultraschallmäßig voneinander isoliert sind, können die Intervalle, während denen ihre Signale fliegend sind, überlappt werden, ohne dass die Möglichkeit besteht, dass die Signale sich gegenseitig behindern. In ähnlicher Weise können in großen offenen Büros die Bereiche, in denen Signale durch Empfänger detektiert werden, geprüft werden, und wenn diese Bereiche voneinander getrennt sind und einen erheblichen Abstand voneinander haben, kann davon ausgegangen werden, dass die Ultraschallsignale sich nicht im Raum kreuzen.
  • Diese Überlegung läßt vermuten, dass ein Zonen-Manager zwei oder mehr mobile Transponder gleichzeitig adressieren könnte (oder so nahe zu gleichzeitig wie von der Funk-Triggerverbindung zugelassen), solange diese mobilen Transponder in getrennten Räumen (oder getrennten Ultraschall-Abteilen) untergebracht wären.
  • Berücksichtigt man jedoch die Mobilität der Transponder, nachdem die Ultraschall-Signale keine Adressierinformationen enthalten, kann ein Satz von Signalen, die durch Empfänger in einem Ultraschall-Abteil detektiert worden sind, durch einen beliebigen der adressierten Transponder erzeugt werden. Es wäre dann unmöglich, festzustellen, welcher mobile Transponder an welcher Stelle vorhanden war.
  • Eine vorausgegangene Lageinformation für die mobilen Transponder kann in dieser Sache einen gewissen Hinweis ergeben, schaltet jedoch die Möglichkeit nicht aus, dass eine Anzahl von mobilen Transpondern ihre Lage geändert haben.
  • Es ist deshalb erforderlich, weitere Vorkehrungen zu treffen, mit deren Hilfe der Bereichs-Manager identifizieren kann, welcher Satz von detektierten Signalen durch welchen mobilen Transponder generiert worden ist.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Bestimmung der Position eines jeden einer Mehrzahl von gekennzeichneten Objekten in einer spezifizierten Umgebung durch Bestimmung der Übertragungszeit von langsam fortschreitender Energie, die von einem Sender auf jedem gekennzeichneten Objekt an eine Mehrzahl von Empfängern übertragen wird, die an festen Stellen in der oder um die spezifizierte Umgebung herum positioniert sind, und durch Berechnen der tatsächlichen Entfernung des Übertragers von den Empfängern daraus, bei dem die Übertragung der langsam fortschreitenden Energie durch einen Burst mit hoher Geschwindigkeit fortschreitender Energie aus einem Leit-Sender begonnen wird, derart, dass gesendete Bursts solcher Energie hoher Geschwindigkeit dazu veranlasst werden, in die Umgebung einzutreten, der Sender auf dem Objekt durch einen Empfänger gesteuert wird, der in der Lage ist, auf einen entsprechend codierten Burst dieser Energie hoher Geschwindigkeit zu antworten, jeder Burst so codiert ist, dass nur ein auf den Empfängern befestigtes Objekt durch jeden Burst getriggert wird, wobei jede Sender/Empfänger-Kombination als Transponder bezeichnet wird, um einen Burst von langsam fortschreitender Energie daraus zu beginnen, die spezielle Umgebung mindestens zwei Zonen aufweist, die im wesentlichen voneinander in bezug auf die langsam fortschreitende Energie isoliert sind, die Zeitpunkte, zu denen die Transponder auf Objekten getriggert werden, die bisher als in einer einen ersten Satz von Transpondern entsprechenden Zone befindlich verstanden werden, innerhalb gemeinsamer Zeitkanäle in bezug auf die Zeitpunkte versetzt sind, zu denen die Transponder auf Objekten getriggert werden, die bisher als in einer anderen Zone entsprechend einem anderen Satz von Transpondern befindlich verstanden werden, wobei jeder Zeitkanal eine ausreichende Länge hat, damit die Empfänger in der Lage sind, auf die langsam fortschreitende Energie anzusprechen, die durch die getriggerten Transponder sowohl in der ersten Zone als in der oder jeder anderen Zone übertragen wird, und ein Algorithmus angewendet wird, der die Konsistenz der Übergangszeiten der langsam fortschreitenden Energie verifiziert, wenn sie auf die unterschiedlichen Sätze von Transpondern zurückgeführt wird.
  • Die langsam fortschreitende Energie ist typischerweise Ultraschall-Energie und die Energie hoher Geschwindigkeit sind Funkwellen. Um in der Lage zu sein, zwischen Sätzen von Signalen aus unterschiedlichen mobilen Transpondern zu unterscheiden, wird zunächst angenommen, dass zwei unterschiedliche Transponder in unterschiedlichen Ultraschall-Zonen vorhanden sind, dass die Trigger-Zeiten dieser zwei unterschiedlichen mobilen Transponder (einer von jedem der beiden Sätze) zueinander versetzt sind, und dass das System so ausgelegt ist, dass Empfägner getriggert werden, wenn der erste der beiden unterschiedlichen mobilen Transponder getriggert wird und der normale Zeitkanal von 20 ms durch (m – 1) × iverlängert wird (wobei m die Anzahl von mobilen Transpondern ist, die in der versetzten Folge getriggert werden, und i die Versetzungsdauer ist).
  • Eine nichtlineare Regressions-Berechnung, die verwendet wird, um die 3D Positionen der mobilen Transponder zu bestimmen, soll nur in eine Lösung konvergieren, wenn sie einen Satz von konsistenten Transponder-Empfänger-Abständen und Empfänger-Positionen enthält. Wenn somit vom Empfänger detektierte Signale dem falschen mobilen Transponder zugeschrieben werden (weil er von einer Zone in eine andere gebracht worden ist), werden die fliegenden Imputszeiten, die für die vom Empfänger detektierten Signale berechnet werden, falsch, weil eine nicht zutreffende Trigger-Zeit für die Signale verwendet worden ist. Die entsprechenden Transponder-Empfänger- Abstände werden unkorrekt und die nichtlineare Regressions-Berechnung konvergiert nicht in eine Lösung.
  • Deshalb wird unter der Annahme, dass ein Satz von n möglichen Trigger-Zeiten für mobile Transponder, t1, ..., tn gegeben ist, in einem Verfahren gemäß der Erfindung eine erste Prüfung durchgeführt, um festzustellen, ob die Anzahl von Sätzen von Signalen, die in unabhängigen Ultraschall-Zonen detektiert worden sind, gleich der Anzahl von mobilen Transpondern ist, die getriggert wurden. Wenn dies nicht zutrifft, können diese Ergebnisse nicht weiter benutzt werden, weil zwei oder mehr mobile Transponder offensichtlich die gleichen Ultraschall-Zonen einnehmen, und in diesem Fall eine kreuzweise schädliche Beeinflussung der Signale aufgetreten sein könnte.
  • Dann wird für jeden Satz von Signalen s1, ... sn ein Satz von möglichen entsprechenden Sender-Empfänger-Abständen für jede Trigger-Zeit d11, d12, ... dnn berechnet. Indem eine nichtlineare Regressions-Berechnung an jeden Satz von Transmitter-Empfänger-Abständen (unter Verwendung eines Algorithmus, der die Positionen der Empfänger benutzt, die die entsprechenden Signale detektieren) durchgeführt wird, wird ein Satz von Resultaten r11, r12, ... rnn erhalten. Jeder Wert von rxy (wobei 1 < x < n) und 1 < y < n) ist entweder eine 3D-Position (die anzeigt, dass der Satz von Signalen sx durch einen mobilen Transponder zum Zeitpunkt ty generiert worden ist) oder ein Fehlerwert (der anzeigt, dass der Satz von Signalen sx nicht durch einen mobilen Transponder generiert worden sein kann, der zum Zeitpunkt ty getriggert worden ist).
  • Idealerweise ist ein und nur ein Satz von Signalen jeder Trigger-Zeit zugeordnet, wodurch es möglich ist, zu identifizieren, welcher mobile Transponder die Signale generiert hat (und damit ermöglicht, dass eine 3D-Position jedem mobilen Transponder zugeschrieben werden kann).
  • Wenn dies nicht der Fall ist, müssen andere Heuristiken den Resultaten aufgegeben werden, um 3D-Positionen für die mobilen Transmitter zu bestimmen. Eine solche Heuristik kann so beschaffen sein, dass dann, wenn ein Satz von Signalen mit zwei Trigger-Zeiten ta und tb übereinstimmt, jedoch ein anderer Satz von Signalen mit einer Trigger-Zeit ta und kein anderer Satz von Signalen mit einer Trigger-Zeit tb übereinstimmt, der erste Satz von Signalen wahrscheinlich durch einen mobilen Transponder generiert worden ist, der zum Zeitpunkt tb getriggert worden ist.
  • Vorzugsweise werden Simulationen durchgeführt, um die verwendeten Heuristiken zu validieren.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
  • 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Positionier-Systems,
  • 2 zeigt die FPGA-Konfiguration der Sender-Einheit,
  • 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer mobilen Sender-Einheit für das System nach 1,
  • 4 zeigt die FPGA-Konfiguration der mobilen Sender-Einheit auf dem System nach 3,
  • 5 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Ultraschall-Empfänger-Einheit,
  • 6A bis 6C zeigen ein Schaltbild, wie ein Standard-Ultraschall-Empfänger, wie er z. B. in 5 dargestellt ist, als Teil eines Transponders in dem System nach 1 arbeitet,
  • 7A bis 7D zeigen die Arbeitsweise eines modifizierten Ultraschall-Empfängers, der in der Lage ist, ihn in dem System nach 1 gegen fehlerhafte Geräusch-Signale unempfindlich zu machen,
  • 8 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Ultraschall-Empfängers, wie er z. B. in 5 dargestellt ist,
  • 9 zeigt, wie zwei Transponder, deren jeder Ultraschall-Empfänger in Standardausführung aufweist, die auf einem beweglichen Objekt befestigt sein können, z. B. einem Stuhl, um eine Drehbewegung anzuzeigen,
  • 10 zeigt, wie eine Redundanz der Bestandteile in einer Transponder-Anordnung mit zwei Transpondern, z. B. nach 9, reduziert werden kann,
  • 11 ist ein detailliertes Blockschaltbild der einzelnen komplizierteren Empfänger-Einheit, die in dem System nach 10 dargestellt ist,
  • 12A und 12B sind Ansichten von oben (oder unten) und Seitenansichten einer Rundum-Ultraschallquelle,
  • 13 zeigt eine Richtungs-Ultraschallquelle,
  • 14A und 14B sind Ansichten einer Transponder-Einheit von oben und von der Seite, die um den Hals tragbar ausgebildet sind,
  • 14C ist eine Ansicht von oben, die die Richtungsempfänglichkeit der Vorrichtung nach den 14A und 14B zeigt,
  • 15 ist eine Ansicht des Schallmusters von oben, das aus einem Rundum-Ultraschall-Wandler (oder einer Wandlergruppe) entsteht, die mit einem Objekt befestigt oder von einem Objekt teilweise abgedunkelt ist, wobei das Objekt selbst akustisch undurchlässig ist und/oder aus absorbierendem Material besteht,
  • 16 ist eine Seitenansicht einer Person, die eine Vorrichtung trägt, wie sie in den 14A und 14B gezeigt ist,
  • 17 ist eine Aufsicht auf die Person nach 16,
  • 18 ist eine schematische Blockdarstellung eines vollständigen Systems nach der Erfindung, mit einem Zweirichtungs-Funk-Kanal zwischen der Haupt-Sender-Einheit und jedem der adressierten Transponder,
  • 19 ist ein detailliertes Blockschaltbild des Taktgenerators der 18,
  • 20 ist ein detailliertes Blockschaltbild eines Zonen-Managers der 18,
  • 21 ist ein detailliertes Blockschaltbild eines Matrix-Managers der 18,
  • 22 ist ein detailliertes Blockschaltbild eines Ultraschall-Empfängers, wie er in jedem Raum des Systems nach 18 angeordnet ist, und
  • 23 ist ein detailliertes Blockschaltbild einer beweglichen Transponder-Einheit, wie sie beispielsweise auf Gegenständen in den Räumen im System nach 18 festgelegt ist.
  • Übersicht über die Zeichnungen
  • In der Zeichnung ist ein Satz von Ultraschall-Empfänger-Elementen in einer Matrix auf der Decke von Räumen angeordnet, in denen das System installiert ist und es sind Ultraschall-Geber auf den zu lokalisierenden Objekten angeordnet.
  • Ein adressierbarer Funk-Kanal wird verwendet, um Zeit-Kanäle aufzurufen, den Synchronisier-Zeit-Impuls zu übertragen und Übertragungselemente in die Lage zu versetzen, mit einer Koordinations-Vorrichtung zu kommunizieren, z. B. ein anfängliches Vorhandensein zu registrieren.
  • Wellen werden verwendet, weil ihre Fortschreitgeschwindigkeit sehr hoch ist und unbekannte Verzögerungen in dem Funk-Kanal werden sehr klein im Vergleich zu der Bewegungszeit von beispielsweise Ultraschall-Impulsen, die zum Messen von Abständen verwendet werden, so dass in einer ersten Annäherung die Messungen als synchronisiert angesehen werden können; die unbekannten Fehler reduzieren die Genauigkeit des Systems nicht entscheidend.
  • Alternativ kann ein verdrahtetes Netzwerk zwischen dem feststehenden Empfänger-Element zur Verteilung eines Zeit-Impulses verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass es weniger der Interferenz ausgesetzt ist und möglicherweise geringere Kosten verursacht.
  • Mindestens drei Emfänger müssen gültige Signale für das System detektieren, damit es in der Lage ist, die Position des Senders bzw. Gebers zu berechnen; wenn alle Empfänger-Elemente in einer Ebene liegen, kann eine Zweideutigkeit darüber, ob ein Geber sich oberhalb oder unterhalb der den Detektor aufnehmenden Ebene befindet, z. B. der Decke eines Raumes, bestehen. Diese Zweideutigkeit läßt sich lösen, wenn beispielsweise bekannt ist, dass alle Geber stets unterhalb der Decke angeordnet sind.
  • Die von diesem System gesammelten Informationen können verwendet werden, um Rechner- und Kommunikations-Einrichtungen in intelligenter Weise zu automatisieren. Durch Lokalisieren der Position von Menschen und Geräten beispielsweise in einem Büro-, Hotel-, Krankenhaus- oder Wohnbereich, ist es möglich, Telefonanrufe zu verfolgen, Druckarbeit an den nächstliegenden Drucker zu geben, automatisch den nächstliegenden Bildschirm für einen Benutzer (zur Sichtanzeige von Informationen, die vom Benutzer abgefragt werden) zu identifizieren und intelligente Kamera-Bilder in Video-Konversationen auszuwählen.
  • Die Verfügbarkeit von feinkörnigen, hoch auflösenden Lageinformationen kann neue Methoden für die Interaktion zwischen Mensch und Computer ermöglichen, z. B. eine Verbindung von Video- und Audio-Strömen, dadurch, dass ihre Endpunkte in enge räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
  • Es ist auch möglich, eine Gebereinheit als eine Eingabevorrichtung, z. B. eine drahtlose Maus, einen 3D-Zeiger oder für dreidimensionale Gesten-Generierung zu verwenden.
  • Es kann ferner erwünscht sein, die Informationen, die von dem System zum Detektieren von Bewegungen gesammelt werden (durch Beobachten von Änderungen in der Position eines Objektes über eine bestimmte Zeit oder aufgrund von Doppler-Verfahren) und das Vorhandensein von undurchsichtigen Objekten (die Empfänger-Elemente verdunkeln) zu verwenden, die aus Schemen der Aufnahme von Abstandsmess-Impulsen abgeleitet werden können.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Nach 1 arbeitet das Positions-System wie folgt:
    • 1. Um die Position einer beweglichen Sende- bzw. Geber-Vorrichtung 10 zu finden, lädt ein PC 12 eine aus acht Bits bestehende Adresse der mobilen Vorrichtung auf seinen parallelen Port.
    • 2. Ein Geber-Steuergerät, das auf einer Xilinx XC3020A FPGA basiert (die FPGA-Konfiguration ist in 2 gezeigt) und die mit dem parallelen Port des PC über eine Schnittstelle verbunden ist, liest diese Adresse fünfmal pro Sekunde aus und erzeugt einen Datenstrom von 40 kHz, der eine Präambel und die Adresse aus dem parallelen Bus des PC enthält.
    • 3. Der 40 kHz Datenstrom wird über ein Radiometrix BIM418 Funk-Modul 16 auf einen 418 MHz Funk-Kanal codiert.
    • 4. Wenn das erste Bit der Präambel durch das Geber-Steuergerät generiert wird, gibt ein Signal aus dem Steuergerät einem Analog/Digital-Wandler ADC 18 (HP E1413/A) einem Befehl und beginnt mit einer Abtastung bei einer Rate von 100 kHz (die von allen Kanälen anteilig verwendet wird, von welchen Stichproben genommen werden).
    • 5. Mobile Vorrichtungen, die im einzelnen in den späteren Figuren der Zeichnung beschrieben werden und in dem Bereich angeordnet sind, der von dem System abgedeckt wird, nehmen die Präambel und eine aus acht Bits bestehende Adresse auf und vergleichen die Adresse mit ihrer eigenen. Wenn die Adressen aufeinander abgestimmt sind, überträgt die in Frage kommende mobile Vorrichtung einen 750 Mikrosekunden dauernden Impuls von 40 kHz Ultraschall. Typischerweise ist eine Gruppe von fünf Wandlern auf jeder Vorrichtung befestigt, z. B. in einem halbkugelförmigen Muster (nicht dargestellt).
    • 6. Der Ultraschall-Impuls wird von einem oder mehreren Ultraschall-Empfänger-Einheiten aufgenommen, von denen vier mit 20, 22, 24 und 26 dargestellt sind. Diese Empfänger-Einheiten, die den Impuls empfangen, verarbeiten das Signal in einer nach stehend beschriebenen Weise, bevor sie das verarbeitete Signal an den ADC 18 leiten, der so ausgelegt ist, dass er abtastet, wenn er hierzu instruiert wird.
    • 7. Nach dem anfänglichen Befehl, mit der Abtastung zu beginnen, fährt der ADC mit seiner Abtastung bei 100 kHz und einer Dauer von 20 Millisekunden fort, und die abgetasteten Werte werden gespeichert. Die gespeicherten Abtastwerte werden über eine serielle Schnittstelle an den PC 12 gegeben. HP Vee-Software wird in den PC geladen, um die abgetasteten Daten zu managen, Signalspitzen ausfindig zu machen, Geber-Empfänger-Abstände zu bestimmen und relativ zu den Empfängern der mobilen Vorrichtung, die adressiert worden ist, unter Verwendung der vorbeschriebenen Algorithmen zu berechnen und zu positionieren.
  • Die FPGA-Konfiguration des Geber-Steuergerätes nach 1 ist in 2 näher dargestellt.
  • In 3 läuft die Arbeitsweise eines mobilen Funk-Gebers wie folgt ab:
    • 1. Bei Energiezufuhr zieht die Xilinx XC3020A FPGA-Einheit 29 ihre Konfiguration von einem Xilinx 1736PC Serien PROM 30 ab (die FPGA-Konfiguration ist in 4 gezeigt). Ein PIC16C54 Mikro-Steuergerät 32 gibt ein Radiometrix BIM418 Funk-Modul 34 und einen 4 MHz Xilinx-Taktgeber 36 (um einen 4 MHz-Kristall und einen 74HCT00 1C herum gebaut) frei.
    • 2. Die XC3020A-Einheit 28 überwacht die ankommenden aufgenommenen 40 kHz Daten, bis sie eine Präambel und eine aus acht Bits bestehende Adresse detektiert. Dann vergleicht sie die empfangene Adresse mit ihrer eigenen (gespeichert in ihrem Serien-PROM). Wenn die Adressen identisch sind, beaufschlagt sie fünf Ultraschall-Wandler, z. B. Farnell Electronics Teil Nr. 213–214 mit 40 kHz über 750 Mikrosekunden (eine hiervon ist mit 38 gezeigt).
    • 3. Der PIC16C54 Mikroprozessor 32 macht dann das BIM418 Funk-Modul 23 und den 4 MHz-Taktgeber 36 unwirksam und bringt die XC3020A-Einheit 28 in den Energieabschalt-Betrieb während einer Zeitdauer von 0,196 Sekunden, um Energie zu sparen. Dann gibt er diese Bestandteile erneut frei und es schließt sich wieder der Schritt (2) an.
  • Leistung wird typischerweise von zwei 3,6 V Halb-AA Lithium-Thionyl-Chlorid-Batterien entnommen, die durch einen LT1129 IC auf 5 V geregelt werden.
  • Die FPGA-Konfiguration des Geber-Steuergerätes nach 3 ist in 4 detaillierter dargestellt.
  • Die Arbeitsweise des Ultraschall-Empfängers nach 5 ist wie folgt:
    • 1. Das Ultraschall-Signal wird durch einen Ultraschall-Wandler, z. B. einen Farnell Electronics Teil Nr. 213–226, der mit 40 bezeichnet ist, detektiert.
    • 2. Dieses Signal wird verstärkt (z. B. um einen Faktor 56), wobei ein Phasenumkehr-Verstärker 42 verwendet wird. Typischerweise wird dieser um ein Viertel eines TL074 quad op-amp herum gebaut.
    • 3. Das verstärkte Signal wird unter Verwendung eines aktiven Vollweg-Gleichrichters 44 gleichgerichtet. Typischerweise ist dieser um eine Hälfte eines TL074 quad op-amp herum gebaut.
    • 4. Das gleichgerichtete, verstärkte Signal wird unter Verwendung einer RC-Schaltung 46 geglättet, um ein Signal zu erzielen, das die Umhüllende einer gleichgerichteten Version des ursprünglichen Signals darstellt.
    • 5. Dieses Signal wird in den HP EI413/A ADC 18 (siehe 1) über einen RJ45 Stöpsel und einen Leiter eines aus vier Leitern bestehenden Neztwerks geleitet, das ferner die Einheit mit +5 V, –5 V und GND-Netzleiter speist.
  • Standard-Empfänger
  • Eine Anzahl derartiger Standard-Empfänger sind an bekannten Stellen um die Umgebung (Raum) in dem Ultraschall-Positionier-System herum angeordnet.
  • Wie in 6(A) dargestellt, wird jeder Empfänger 47 durch ein zentrales Steuergerät 48 über ein Netzwerk 50 getriggert. Im Anschluss an ein Zeitgeber- oder Rücksetz-Signal 49 überwacht der Empfänger Signale aus einem Ultraschall-Detektor 52 von 40 kHz über 20 ms, wie in 6(B) gezeigt, und die Zeit, zu der das ankommende Signal zum ersten Mal seinen Spitzenwert erreicht, wird bestimmt und im Empfänger gehalten. Nachdem das 20 ms Fenster geschlossen ist, ruft das zentrale Steuergerät 48 jeden Empfänger am Netzwerk 50 ab, wie mit 54 und 56 in 6(C) dargestellt und findet den Zeitwert wieder. Der Wert aus jedem Empfänger ist entweder die Zeit, nach dem das Fenster geöffnet ist, bei der das Signal seinen ersten Spitzenwert erreicht hat oder ist Null (was anzeigt, dass kein nutzbares Signal detektiert worden ist).
  • Reduzieren des System-Ansprechens auf fehlerhafte akustische Signale
  • Um eine Geräuschimmunität zu erzielen, sind zwei Kanäle und zwei Ultraschall-Detektoren vorgesehen, wie in 7 gezeigt. Der erste Detektor 52 und der erste Kanal 58 sprechen auf 40 kHz an, der zweite Detektor 60 und der zweite Kanal 62 auf eine andere Frequenz, z. B. 25 kHz.
  • Wird der Empfänger getriggert, werden beide Kanäle rückgesetzt und überwachen die ankommenden Signale 20 ms lang; sie bestimmen die Zeitdauer (a, b), bei der aufge nommene Signale zum ersten Mal einen Spitzenwert erreichen, wie in 7 dargestellt.
  • Der Wert b wird geprüft und, wenn er größer als 0 ist, wird der Wert von a auf 0 gebracht, wie in 7C gezeigt. Ist b gleich 0, steht der Wert von a zur Verfügung, damit er in das zentrale Steuergerät zurückgeführt werden kann.
  • Wenn das zentrale Steuergerät 48 jeden Empfänger 47 über das Netzwerk abruft, wie in 7D gezeigt und mit 64 bezeichnet, wird der Zeitwert a aus dem ersten Kanal 52, 58 in das Steuergerät 48 zurückgeführt, wie mit 66 bezeichnet. Ist der zweite Kanalwert b nicht Null (wobei angezeigt wird, dass ein fehlerhaftes akustisches Signal detektiert wurde), dann wird die Null in das Steuergerät aus dem ersten Kanal 52, 58 zurückgeführt.
  • Transponder-Auslegung
  • Eine Empfänger-Geber-(Transponder)-Einheit 68 in Standardausführung (z. B. Vorrichtung 10 in 1) ist in 8 gezeigt.
  • Diese Einheit weist einen Funk-Empfänger (1) auf, der codierte FM-Signale im 418 MHz-Band aus einem Funk-Geber (16 in 1) aufnimmt, welcher durch eine zentrale Koordinations-Vorrichtung 48 (nicht dargestellt) gesteuert wird.
  • Diese Signale werden über eine Decodier-Logik 72, die die in einer decodierten Nachricht enthaltene Adresse darstellt, an eine Adressen-Vergleichsvorrichtung 74 geführt. Wenn letztere die Adresse in der Nachricht als die des Transponders, die in dem ROM 76 gespeichert ist, identifiziert, wird ein Signal-Generator 78 getriggert, der einen Satz von Ultraschall-Wandlern 80 antreibt, um einen Ultraschall-Impuls zu übertragen.
  • Zwei solche Standard-Transponder 82, 84 sind in 9 an zwei im Abstand zueinander versetzten Stellen auf einem Stuhl 86 befestigt.
  • Da die beiden Transponder 82, 84 ähnliche duplizierte Bestandteile enthalten, ist eine alternative Anordnung möglich, wie in 10 gezeigt. Hier treiben ein einzelner Empfänger und eine Steuer-Einheit 88 zwei individuell adressierbare Ultraschall-Geber-Sätze an, die auf der gleichen Stelle am Stuhl 86, 90, 92 wie die Standard-Transponder 82, 84 befestigt sind.
  • Die alternative Anordnung ist im einzelnen in 11 gezeigt. Die Einheit 88 besteht aus einem Funk-Empfänger 94, der die codierten FM-Signale im 418 MHz-Band aus dem zentralen Geber aufnimmt. Diese Signale werden über eine Decodier-Logik 96 geführt, die die Adresse darstellt, die in einer Nachricht enthalten ist, welche an eine Adressen-Vergleichsvorrichtung 98 detektiert wird. Letztere ist mit einer Nachschlagetabelle 100 gekoppelt, die in diesem Fall zwei Reihen 102, 104 enthält. Jede Reihe speichert eine Wandler-Adresse und eine Port-Zahl (z. B. wenn der Wandlersatz 1 mit dem Port 1 verbunden ist, wird eine der Reihen das geordnete Paar (1, 1) sein).
  • Wenn die Adressen-Vergleichsvorrichtung identifiziert, dass die Adresse in einer aufgenommenen Funk-Nachricht mit einer der Wandler-Adressen in der Nachschlagetabelle 100 übereinstimmt, triggert sie einen Signal-Generator 106. Die Adressen-Vergleichsvorrichtung steuert ferner Gatter 108, 110, um den Ausgang des Signal-Generators 106 in den Port zu richten, der durch die Port-Zahl in der empfangenen Wandler-Adresse identifiziert wird. Es läßt sich deshalb erkennen, dass die Anzahl von Funk-Empfängern, Decodierern, Vergleichsvorrichtungen und Signal-Generatoren, die von einem System benötigt werden, bei dem zwei oder mehr Ultraschall-Geber-Wandler an einzelnen Objekten angebracht sind, reduziert werden kann und dadurch eine Einsparung ermöglicht wird.
  • Zwei Gruppen von Ultraschall-Wandlern 112, 114 sind getrennt geschaltet, einer mit dem Port 1 (gesteuert durch das Gatter 108) und der andere mit dem Port 2 (gesteuert durch das Gatter 110).
  • Einführen einer Richtungsempfindlichkeit in die Wandler
  • Da Ultraschall-Wandler dahin tendieren, eine Schallwelle über einen verhältnismäßig kleinen, festen Winkel zu erzeugen, sind sie weitgehend richtungsabhängig. Ein weniger richtungsabhängiger Wandler ist in den 12A und 12B gezeigt. Dieser Wandler weist einen kugelförmigen Körper 116 auf, von welchem eine Vielzahl von regelmäßig zueinander beabstandeten Wandlern vorstehen, von denen einer mit 118 in jeder der Ansichten dargestellt ist.
  • Wenn die kugelförmige Einheit 116 der 12A und 12B so befestigt ist, dass ihre untere Hälfte akustisch abgeschirmt ist, dient keiner der unteren Wandler einem nutzbaren Zweck und könnte entfallen. Eine derartige Einheit ist in 13C dargestellt, in der der halbkugelförmige Körper 120 Wandler 122 aufnimmt.
  • Die Vorrichtung 120 ist auf einem Gehäuse 124 befestigt, die elektronische Bestandteile enthalten kann, die den Transponder bilden. Bei dieser Ausführung sind weniger als die Hälfte der Anzahl von Wandlern im Vergleich zu einer Rundum-Quelle bzw. einer in allen Richtungen arbeitenden Quelle, wie in den 12A und 12B gezeigt, erforderlich.
  • 14A zeigt einen Transponder 126, der von einer Person getragen werden kann, z. B. am Hals mit Hilfe einer Kette 128. Wie in 14C dargestellt, können die Ultraschall-Wandler 113 so angeordnet sein, dass sie einen relativ schmalen Kegel 132 ergeben, der von der Vorderseite der Person 134 ausgeht. Durch Feststellen der Position der Person 134 und der Lage der Empfänger (20, 22, 24 usw. in 1), bei der der Strahlenkegel detektiert wird, ist es möglich, abzuleiten, welchen Weg die Person nimmt.
  • Ableitung von Orientierungs-Informationen
  • Wenn die Objekte, auf denen in allen Richtungen arbeitende (Standard) Transponder befestigt sind, für Ultraschall nicht oder weitgehend undurchlässig sind, ist es möglich, Informationen über die Orientierung solcher Objekte zu erzielen, die von den Daten durch die Empfänger 20, 22 usw. in 1 gesammelt werden. Es wird ein Transponder 136 betrachtet, der mit einer bekannten Stelle 138 an einem Objekt 140 befestigt ist, wie in 15 gezeigt. Die Kapazität des Objekts 140 stellt sicher, dass die einzige Schallenergie 142, die ihre Umgebung verlassen kann, dies in der Richtung 144 tut. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn der Geber selbst in bestimmter Weise richtungsgebunden ist.
  • Durch Abfragen der Empfänger 20, 22 usw. (17) in einer Umgebung, die ein solches Objekt enthält und durch Ausführung einer Berechnung der Informationen, die sie ergeben, kann das Lagesystem die Position (x, y, z) des Transponders 136 in drei Dimensionen berechnen. Das Lagesystem kennt die Positionen (u1, v1, w1) ... (un, vn, wn) der n Empfänger, die das Ultraschall-Signal detektiert haben. Unter Verwendung der bekannten Lage des Transponders auf dem Objekt und der bekannten Lagen der Empfänger kann die Richtung relativ zu dem Objekt, in welcher die Ultraschall-Energie ihre Umgebung verlassen hat, abgeleitet werden. Durch Korrelieren dieser drei Informationsausdrücke ist es möglich, die Orientierung es Objektes zu bestimmen, wenn die Position der Stelle 138 relativ zum Objekt 140 bekannt ist.
  • Ein Beispiel hierfür, wie dies durchgeführt werden kann, wird in Verbindung mit den 16 und 17 beschrieben, die eine stehende Person 146 zeigen, die in eine beliebige Richtung schauen kann und deshalb als um eine vertikale Achse 148 drehbar relativ zu einer horizontalen Gruppe von Empfängern, von denen einer mit 150 bezeichnet ist, angesehen werden kann.
  • Die Person 14b trägt einen Transponder 152 an einer Kette oder einem Band um den Hals. In diesem Fall ist die Schallenergie als von der Vorderseite der Person ausgehend gerichtet, wobei die Strahlmitte in der gleichen vertikalen Ebene liegt wie die Richtung, in der die Person schaut. 18 zeigt die Person von oben und den Bereich in der horizontalen Ebene, über den die Schallenergie von den Ultraschall-Wandlern auf dem Transponder 152 abgestrahlt wird.
  • Zunächst ist es erforderlich, den Mittelpunkt der Detektion des Ultraschall-Signals auf der Decke (u, v, w), der durch die Gleichungen (5), (6) und (7) gegeben ist, zu berechnen.
  • Dann wird der Vektor (a, b, c) von dem Transponder zum Mittelpunkt berechnet. Der Vektor a, b, c wird unter Verwendung der Gleichungen (8), (9) und (10) berechnet.
  • Der Vektor (a, b, 0) kann üblicherweise als eine gute Schätzung der horizontalen Richtung der Mitte des die Umgebung des Objekts verlassenden Schallstrahls angesehen werden, und kann verwendet werden, um die Richtung A zu berechnen, in der die Person um eine vertikale Achse (relativ zu einer anderen horizontalen Richtung, die durch einen Vektor (m, n, 0) gegeben ist) orientiert ist.
  • Der Wert von A im Bereich [–π, π] kann aus den Werten von sinA und cosA, gegeben durch die Gleichungen (11) und (12), berechnet werden.
  • Der Wert von A kann als Schätzung der Richtung, in der die Person blickt, benutzt werden.
  • Die 18–23 zeigen ein Positions-Detektions-System gemäß der Erfindung und die getrennten Teile, die das System darstellen.
  • Vollständiges System
  • 18 ist ein Blockschaltbild des gesamten Systems, in welchem ein Disponenten-PC 154 bestimmt, welcher eines Satzes von mobilen Transpondern (von denen einer mit 156 bezeichnet ist) in jedem von 25 Zeit-Kanälen pro Sekunde adressiert werden soll. Die Adressier-Nachrichten, die von dem Disponenten PC erzeugt werden, werden an mobile Transponder über einen Zonen-Manager 158 gesendet, der Registrierungs-Messungen von den mobilen Transpondern 156 zurück in den Disponenten-PC führt.
  • Ultraschall-Signale, die von den adressierten mobilen Transpondern 156 in Abhängigkeit von den Adressier-Nachrichten, die vom Zonen-Manager gesendet werden, erzeugt werden, werden durch einen Satz von Empfängern detektiert; drei dieser Empfänger sind mit 160, 162, 164 mit einem Matrix-Manager 166 verbunden dargestellt. Typischerweise sind ein Matrix-Manager und ein Satz von Empfängern pro Raum (oder einem anderen Gebilde, in welchem Ultraschall begrenzt ist) vorhanden.
  • Ein Positionier-PC 168, der mit dem Matrix-Manager 166 verbunden ist, bestimmt die Lufttemperatur des Raumes, in welchem die abgerufenen Empfänger angeordnet sind, mit Hilfe eines Thermometers 170 und ruft die Empfänger 160, 162 usw. auf, um die drei Messungen aufzufinden, die von den empfangenen Ultraschall-Signalen abgeleitet werden, und verwendet ferner diese Daten und die Messung der Lufttemperatur im Raum 172, um die 3D-Position der Quelle der Ultraschall-Signale zu berechnen.
  • Ein zweiter Satz von Empfängern 174, 176, 178 ist in einem zweiten Raum 180 dargestellt, und zwar zusammen mit dem zugeordneten Matrix-Manager 182 und einem Positionier-PC 184. Andere ähnliche Einstellungen können für jeden Raum in einem Gebäude vorgesehen werden, wobei jede mit einem zentralen Bereichs-Manager 186 gekoppelt ist.
  • Informationen von dem Disponenten-PC und den Positionier-PCs werden durch einen Bereichs-Manager 186 zusammengestellt, der einen Strom von Lage-Ereignissen pro duziert, die an Benutzer oder Anwendungen gesendet werden. Um diese Zusammenstellung durchzuführen, müssen Elemente des Systems synchronisiert werden – dies wird unter Verwendung eines 25 Hz Signales aus einem Taktgenerator 188 und einem initialisierenden PC 190 erreicht.
  • Funk-Signale werden an die beweglichen Transponder-Funk-Empfänger von einer Haupt-Funk-Sender/Empfänger-Einheit 189 übertragen, die mit 418 MHz und FM-Codierung arbeitet.
  • Individuelle Bestandteile des Systems
  • (1) Taktgenerator (19)
  • Der Taktgenerator 188 sendet einen exakten 25 Hz Taktimpuls und einen globalen Zeitwert an den Zonen-Manager und die Matrix-Manager über ein Serien-Netzwerk. Der Generator hat einen 25 Hz 192 Taktgeber, der einen Zeitspeicher und einen Zähler 194 antreibt. Der Zeitspeicher speichert den jeweiligen globalden Zeitwert, und der Zähler schaltet ihn bei jedem Impuls weiter. Ein anfänglicher globaler Zeitwert kann von dem PC 190, der mit dem Taktgenerator (siehe 18) verbunden ist, geladen werden.
  • Nach dem schrittweisen Weiterschalten des jeweiligen globalen Zeitwertes werden dieser Wert und der Taktimpuls an eine Serien-Netzwerk-Schnittstelle 196 gegattert, die diese Signale auf andere Komponenten des Systems verteilt, damit sie synchronisiert werden.
  • (2) Zonen-Manager (20)
  • Jeder Zonen-Manager (158, 166, 182 etc. in 18) handhabt die Funk-Schnittstelle zwischen dem Disponenten-PC und den mobilen Übertragern. Wie in 20 gezeigt, weist er einen Datenspeicher 198 auf, der von dem Disponenten-PC mit dem nächsten zu übertragenden Paket gefüllt wird. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, macht der Zonen-Manager die „Bereit"-Zustandsleitung rückgängig. Bei einer Aufnahme eines Taktimpulses aus dem Synchronisations-Netzwerk 200 auf der Leitung 202 speichert der Zonen-Manager die zugeordnete Zeitdauer in einem Zeit-Speicher 204 und triggert einen Nachrichten-Generator 206. Der Nachrichten-Generator sendet eine Präambel mit 136 Bits, an die sich eine Manchester-codierte Kopie des gespeicherten Pakets mit 40 kbps auf die Übertragungsseite eines 418 Mhz RM Funk-Empfängers 208 anschließt, so dass eine DC-abgeglichene Kopie der gewünschten Nachricht an die mobilen Übertrager gesendet wird.
  • Nach dem Senden der Nachricht triggert der Zonen-Manager einen Nachrichten-Decodierer 210, der die ankommenden Signale betrachtet, die von der Empfangsseite des Sende-Empfängers 208 aufgenommen werden. Jede ankommende Funk-Nachricht, die von dem Funk-Übertragungs-Abschnitt des mobilen Transponders gesendet wird, wird decodiert und auf Fehler geprüft und wenn die Nachricht gültig ist, wird sie in einem Nachrichten-Speicher 212 gespeichert.
  • Wenn Zeit dafür genehmigt worden ist, dass die abgehende Nachricht ausgesendet wird und alle ankommenden Nachrichten detektiert werden sollen, besteht der Zonen-Manager auf der „Bereit"-Status-Leitung und zeigt an, dass der Disponenten-PC die gespeicherte Zeitdauer und jede gespeicherte Nachricht überprüfen kann. Hierzu steuert der Disponenten-PC einen Datenpfad-Schalter 214, um einen Triggerton (aus 204) und/oder eine Nachricht (aus dem Speicher 212) in entsprechender Weise einzuspeisen, bevor das nächste, zu übertragende Paket geladen wird. Die globalen Takt-Synchronisations-Netzwerk-Signale gehen unverändert durch den Zonen-Manager.
  • (3) Disponenten-PC
  • Der Disponenten-PC 154 (18) ist so programmiert, dass er die Reihenfolge bestimmt, in der mobile Übertrager auf der Basis der Lage-Qualitäten für den Service (LQoS) adressiert werden sollen, die ihnen zugeordnet sind (entweder statistisch oder dynamisch durch Benutzer und Anwendungen). Der Disponenten-PC konstruiert auch die Pakete, die an die mobilen Transponder (über die Zonen-Manager) gesendet werden sollen und führt Resourcen-Reklamationen durch.
  • Der Algorithmus, der verwendet wird, um den nächsten mobilen Übertrager zu adressieren, wird wie folgt beschrieben:
  • Disponenten-Algorithmus
  • Es wird ein System mit folgenden Parametern betrachtet:
    • (1) Die Länge eines Zeitkanals beträgt 40 ms (d. h. das System ist in der Lage, 25 Positionen pro Sekunde zu bestimmen).
    • (2) Die Transmitter haben jeweils eine eindeutige 16-Bit Adresse.
    • (3) Die reservierte Adresse 0 wird keinem Transmitter zugeordnet.
    • (4) Jeder Transponder ist auch ein Teil einer Transpondergruppe, die ebenfalls mit einer aus 16 Bits bestehenden Zahl identifiziert wird (auch hier wird die Identifizierung 0 reserviert).
    • (5) Der Disponent ist ein auf CORBA basierendes verteiltes Software-Programm (Object Management Group, The Common Object Request Broker; Architecture and Sepcification. Revision 1.1, OMG Document Number 91.12.1, Dezember 1991), das auf einer Workstation läuft.
    • (6) Location Quality of Service (LQoS) wird als ein gesamter Teil ausgedrückt, der die gewünschte Periode der Positionierung repräsentiert (z. B. fragt eine LQoS von 25 eine Position nach jeweils 25 Zeitkanälen, d. h. einmal pro Sekunde an.
  • Gemäß der Erfindung ist der Disponent in der Lage, eine Disponenten-Tabelle aufrecht zu erhalten, die im Speicher gespeichert ist. Jede Reihe der Tabelle enthält sechs Einträge:
    • 1. Eine aus 16 Bits bestehende Transponder, a
    • 2. Eine 16 Bit umfassende Gruppe einer Identifiziervorrichtung für den Transponder, g
    • 3. Die LQoS für den Transponder, l
    • 4. Eine reale Zahl, die die effektive LQoS (oder ELQoS) genannt wird, e
    • 5. Eine reale Zahl, die der Treffer genannt wird, s
    • 6. Ein Bit, das das Slotswap-Bit genannt wird, b.
  • Eine Reihe in der Tabelle wird durch eine geordnete, aus sechs Buchstaben bestehende Folge (a, g, l, e, s, b) beschrieben. Eine globale Markierung, die „Überschuß-Bedarf" (excess-demand) genannt wird (wie nachstehend beschrieben), und eine ganze Zahl, die „letzte Gruppe" (last-group) genannt wird, werden ebenfalls von dem Disponenten aufrechterhalten.
  • Wenn der Disponenten-Prozeß eingeleitet wird, ist die Disponier-Tabelle leer. Eine einzelne Reihe (0, 0,1, 1, 0, falsch) wird unmittelbar hinzuaddiert. Dieser Eintrag stellt einen Pseudo-Transponder dar. Die Überschuß-Bedarfs-Markierung wird auf falsch gesetzt, und die letzte Gruppe auf 0.
  • Hinzufügen oder Ändern einer Anfrage
  • Ein Operator (Nutzer) oder eine Software-Anwendung kann den Disponenten über seine CORBA-Schnittstelle kontaktieren, um anzuzeigen, dass die Lageanfragen für eine Transponder-Gruppe hinzugefügt oder geändert werden sollen. Es sei darauf verwiesen, dass dann, wenn zwei oder mehr Transponder Teile der gleichen Transponder-Gruppe sind, ihre Lageanfragen nicht die Möglichkeit geben sollten, dass sie getrennt hinzugefügt oder geändert werden. Ferner werden die Anfragen, die die Schein- Transponder-Adresse 0 und die Schein-Transponder-Gruppe ID 0 beinhalten, ignoriert werden. Der Benutzer oder die Anwendung leitet die folgenden Informationen an den Disponenten:
    • – g, die Transponder-Gruppen-Identifiziervorrichtung
    • – l, die gewünschte LQoS für Teile dieser Transponder-Gruppe
    • – a1, ... an, die Transponder-Adresse von Teilen dieser Transmitter-Gruppe.
  • Für jede Transponder-Adresse a1, ... an fügt der Disponent dann einen Eintrag in die Disponenten-Tabelle hinzu oder modifiziert einen Eintrag.
  • Für Werte i zwischen 1 und n wird dann, wenn eine Reihe der Form (ai, gi, li, ei, si, bi) in der Tabelle vorhanden ist, eine Fortschaltung nach (ai, g, l, ei, si, bi) vorgenommen, andernfalls wird eine Reihe (ai, g, l, 0, 0, falsch) hinzugefügt.
  • Der Disponent wird dann so angeordnet, dass er die ELQoS für jeden der m Einträge in die Tabelle neu berechnet.
  • Zuerst berechnet er den gesamten Pegel des LQoS-Bedarfs (t), wobei t durch die Gleichung (1) gegeben ist.
  • Anschließend schaltet er die ELGoS für jeden der n Einträge in der Disponenten-Tabelle ei mit einem neuen Wert e'i fort. Wenn t kleiner ist als 1, ist e'i durch die Gleichung (2) gegeben.
  • Andernfalls, wenn t größer oder gleich 1 ist, ist e'i durch die Gleichung (3) gegeben.
  • Löschen einer Anfrage
  • Wenn ein Benutzer oder eine Anwendung den Disponenten über die CORBA-Schnittstelle kontaktiert, um anzuzeigen, dass eine Lageanfrage für einen Transponder gelöscht werden soll, gibt er ferner die Adresse des Transponders ai an den Disponenten (der Eintrag entsprechend der Transponder-Adresse 0 kann dann entfernt werden). Wenn der Disponent feststellt, dass ein Eintrag für diesen Transponder in der Tabelle vorhanden ist, entfernt er die entsprechende Reihe (ar, gr, er, sr, br) aus der Tabelle. Der Disponent schaltet dann jede weitere Reihe in der Tabelle (ax, gx, lx, ex, sx, bx) auf (ax, gx, lx, ex, s'x, bx) fort, wobei der Wert von S'x durch die Gleichung (4) gegeben ist.
  • In Gleichung (4) ist n gleich der Anzahl von Reihen in der Tabelle vor dem Entfernen der Lageanfrage. Der Disponent berechnet die effektiven Raten auf der Basis der verbleibenden Tabellen-Einträge, wie in dem vorausgehenden Abschnitt beschrieben, neu.
  • Aufrufen von Zeitkanälen
  • Einmal je 40 ms muss der Disponent der zentralen Koordiniervorrichtung (an einer CORBA-Schnittstelle) die Adresse des Transponders benennen, die als nächstes lokalisiert werden soll. Er tut dies durch Prüfen der Inhalte der Disponenten-Tabelle und alle Versuche, die Tabelle fortzuschalten, werden solange blockiert, bis diese Prüfung abgeschlossen ist.
  • Zuerst durchläuft der Disponent jede Reihe in der Disponenten-Tabelle. Wenn das Register der letzten Gruppe nicht 0 enthält und der Disponent auf eine Reihe trifft, in der die Transponder-Gruppe ID gleich ist den Inhalten des Registers der letzten Gruppe und in der das Swap-Slot-Bit falsch ist, sendet er die Transponder-Adresse, die in dieser Reihe enthalten ist, an die Koordinier-Vorrichtung und setzt das Swap-Slot-Bit in dieser Reihe auf „echt".
  • Andernfalls arbeitet der Disponent in Übereinstimmung mit dem folgenden Algorithmus:
    (5)
    • 1. Wählen der Reihe in der Tabelle mit dem höchsten Treffer (ac, gc, lc, ec, sc, bc).
    • 2. Wenn bc falsch ist, wird das Swap-Slot-Bit für jede Reihe der Tabelle, bei der die Transmitter-Gruppe ID gc hat, auf falsch gesetzt. Dann wird jede Reihe in der Tabelle (ax, gx, lx, ex, sx, lx, bx) auf (ax, gx, lx, ex, s'x, bx) gesetzt, wobei s'x gegeben ist durch s'x = (sx = 1/ex).Anschließend wird die einzelne gewählte Reihe in der Tabelle weiter auf (ax, gc, lc, ec, s''c, bc) fortgeschaltet, wobei s''c = s'c – 1. Das Register der letzten Gruppe wird auf gc gesetzt. Schließlich wird die Koordinier-Vorrichtung über die Adresse ac des Transponders informiert, die als nächstes lokalisiert werden soll (wenn ac gleich Null ist, gibt dies an, dass kein Transponder im nächsten Zeitkanal adressiert werden soll).
    • 3. Wenn bc echt ist, ist jede Reihe in der Tabelle (ax, gx, lx, ex, sx, bx) auf (ax, gx, lx, ex, s'x, bx) fortzuschalten, wobei s'x wie oben berechnet werden kann. Dann wird die einzelne gewählte Reihe in der Tabelle weiter auf (ac, gc, lc, ec, s''c, falsch) fortgeschaltet, wobei s''c = s'c – 1 ist. Die Reihe in der Disponenten-Tabelle mit dem höchsten Treffer wird wieder gewählt und die obigen Schritte werden erneut durchgeführt.
  • Wenn die Adresse des nächsten mobilen Transmitters bestimmt worden ist, legt der Disponenten-PC fest, ob eine Anwendung erforderlich macht, dass ein „Abgabe-Datenwert" an den Transmitter gesendet werden soll. Er bestimmt ferner, ob Anwendungen angezeigt haben, dass der Transmitter nicht mehr auf Adressier-Nachrichten antwortet (vielleicht, weil er aus dem Bereich aller Empfänger in dem Raum oder Gebäude im Falle eines Mehrzonensystems entfernt worden ist). Ist dies der Fall, sollen die Übertragungs- oder Ausfall-Bits in der nächsten Nachricht gesetzt werden, um die Situation zu überprüfen oder Resourcen erneut zu beanspruchen (wie oben beschrieben).
  • Der Disponenten-PC bestimmt ferner, ob einer der mobilen Transmitter vorzeitig aus einem Ruhezustand aktiviert werden soll, wobei in diesem Fall das Aktivier-Bit gesetzt werden soll. Er kann auch bestätigen, dass ein mobiler Transponder mit dem System registriert worden ist, unabhängig davon, ob dies durch einen Operator oder eine Anwendung entsprechend den Daten bzw. der Zeit oder den Daten, die das System beaufschlagen, geschehen ist, um nach einer bestimmten Adresse eines mobilen Transponders Ausschau zu halten bzw. unabhängig davon, ob dies automatisch geschehen ist.
  • Zwei Werte, s (der Treffer) und e (die effektive Lage-Qualität des Service), die dem mobilen Transponder zugeordnet sind, der adressiert und durch den Disponenten-Algorithmus aufrecht erhalten werden soll, können verwendet werden, um eine Zeitdauer zu schätzen, während der der mobile Transponder ruhen kann. Es läßt sich zeigen, dass unter der Annahme, dass die LQoS-Forderungen, die von dem System gemanagt werden, sich nicht ändern, der mobile Transmitter nicht in mindestens den nächsten st Zeitkanälen adressiert wird, wie durch Gleichung (13) gegeben.
  • Ein Nachrichten-Paket wird dann aus den gesammelten Informationen konstruiert. Das Paket besitzt eine Anzahl von zyklischen Redundanz-Prüf-(CRC)Fehlerprüf-Codes, die darin eingebettet sind (es wird der Standard CRC-8 Code verwendet) und sein Format ist in Tabelle (A) gegeben.
  • Wenn kein Datenwert an den mobilen Transponder gesendet werden soll, wird das Ausgangs-Datenwert-Feld auf 255 gesetzt. Wenn in entsprechender Weise keine Regi strierungen der mobilen Transponder eine Bestätigung erforderlich machen, wird das Registrier-Bestätigungsfeld auf Null gesetzt.
  • Das Nachrichten-Paket wird in den Datenspeicher des Zonen-Managers geladen, und zwar in Gruppen von acht Bits. Nachdem die letzte Gruppe geladen worden ist, beginnt der Disponenten-PC laufend die „Bereit"-Statusleitung des Zonen-Managers abzufragen. Diese Leitung wird angesteuert, wenn der Zonen-Manager eine gespeicherte Nachricht übertragen hat, wobei der Funkempfänger-Abschnitt des Empfängers 208 verwendet wird.
  • Zu diesem Zeitpunkt findet der Disponier-PC (von dem Zonen-Manager) die Zeit auf, zu der die Übertragung durchgeführt wurde und sendet ein Ereignis der Form (Identifiziervorrichtung, Zeit) an den Bereichs-Manager über eine CORBA Schnittstelle (Objekt Management Group, The Cammon Object Request Broker; Architecture and Specification. Revision 1.1, OMG Document Number 91.12.1, Dezember 1991), wobei die 16 Bit umfassende Identifiziervorrichtung des adressierten mobilen Transmitters und die Zeitdauer der Adressierung angegeben werden.
  • Schließlich findet der Disponenten-PC aus dem Zonen-Manager ankommende Nachrichten, die von dem Funk-Sender des Adressen-Mobil-Transponders gesendet werden (wenn angepasst und verwendet) wieder. Jede solche Nachricht enthält eine Adresse und Knopf-Status-Bits. Der Disponenten-PC muss sich mit einer auf diese Weise detektierten beliebigen Registrierungs-Anfrage befassen und/oder alle Anwendungen informieren, die an „Knopf gedrückt" Ereignissen aus den mobilen Transpondern interessiert sind.
  • Er identifiziert dann die Adresse des nächsten mobilen Transmitters durch Wiederholen des Ablaufplan-Vorganges, der in diesem Abschnitt beschrieben ist.
  • (4) Matrix-Manager (21)
  • Der Matrix-Manager, der in 21 gezeigt ist, setzt Ultraschall-Empfänger (z. B. 20, 22 usw. in 1), die mit ihm verbunden sind, zu einem präzisen Zeitpunkt zurück und wirkt als eine Schnittstelle zwischen dem Positionier-PC und diesen Empfängern.
  • Beim Empfang eines Taktimpulses auf der Leitung 216 aus dem Synchronisations-Netzwerk 200 speichert der Matrix-Manager die zugeordnete Zeit in einen Zeitspeicher 218, wartet 9,65 ms lang eine Zeitspanne ab, damit das Senden der Funk-Nachricht ermöglicht wird, und sendet ein „Rücksetz-Signal" über die stromab gelegene Netzwerk-Schnittstelle 220 zu den damit verbundenen Ultraschall-Empfängern. Nach 20 ms steuert der Matrix-Manager die „Resultate fertig" Status-Leitung, die dem Positionier-PC anzeigt, dass die Empfänger ihre Messungen durchgeführt haben und dass der Positionier-PC nunmehr den Bus für „abgehende" Daten benutzen kann, damit diese Empfänger zur Bestimmung der Resultate abgefragt werden.
  • Der Positionier-PC kann auch die Zeit wieder auffinden, zu der die Empfänger ihre Messungen durchgeführt haben, indem die Zeit wieder gewonnen wird, die im Zeit-Speicher 218 gehalten wird. Er kann auch die letzte Messung der Temperatur in dem Raum, die von dem Temperatur-Sensor 222 gemessen worden ist, wieder auffinden, wobei der Ausgang hiervon kontinuierlich durch ADC 224 digitalisiert und im Speicher 226 zum Wiederauffinden für den Fall, dass die Empfänger rückgesetzt werden, gespeichert wird.
  • Der Positionier-PC kann ferner Befehle an die Ultraschall-Empfänger über den „Bus für abgehende Daten" senden, um den Spitzen-Detektions-Algorithmus oder Schwellwerte, die von den Ultraschall-Empfängern benutzt werden, zu ändern.
  • Wenn der Positionier-PC die „PC Bereit"-Status-Leitung ansteuert, um anzuzeigen, dass er alle notwendigen Aktionen, die den jeweiligen Messungen zugeordnet sind, durch geführt hat, steuert der Matrix-Manager nicht die „Resultat Bereit"-Status-Leitung an und bereitet sich selbst für den nächsten Takt-Impuls vor.
  • Resultate aus den Empfänger werden über die stromaufwärts gelegene Netzwerk-Schnittstelle 228 empfangen. Ein Datenpfad-Auswählvorrichtungs-Schalter 230 (20) ermöglicht dem Positionier-PC, diese Resultate oder die digitalen Temperaturmessungen aus 226 wiederaufzufinden.
  • Die globalen Takt-Synchronisations-Netzwerk-Signale werden unverändert durch jeden Matrix-Manager der Reihe nach durchgelassen.
  • (5) Empfänger (22)
  • Der Empfänger nach 22 detektiert Ultraschall-Signale aus dem Wandler auf den mobilen Transpondern und wandelt sie in elektrische Signale um. Er verarbeitet diese Signale, um die Zeit zu bestimmen, zu der das empfangene akustische Signal zum ersten Mal den Spitzenwert erreicht hat. Empfänger werden in einer seriellen Kette mit sprossenartiger Schaltungsanordnung von Bauelementen an zwei Leitern mit einem Matrix-Manager durch zwei Netzwerke verbunden, nämlich ein stromaufwärts angeordnetes Netzwerk 232, das Informationen an den Matrix-Manager gibt und ein stromabwärts gelegenes Netzwerk 234, das Informationen aus dem Matrix-Manager führt. Jeder Empfänger hat eine Adresse, die unter denen, die mit dem gleichen Matrix-Manager verbunden sind, eindeutig ist, so dass sie von dem Positionier-PC, der ebenfalls mit diesem Matrix-Manager verbunden ist, abgefragt werden kann. Die Adresse kann beispielsweise durch Einstellen von Schaltern 235 auf den PCBs der Empfänger codiert sein.
  • Wenn ein Empfänger einen „Rücksetz"-Signal-Zustand auf dem stromabwärts gelegenen Netzwerk 234 detektiert, setzt er einen auf einer Leiterplatte angeordneten Zähler 236 und eine Spitzen-Detektions-Schaltung 238 zurück. Während der nächsten 20 ms wird der Zähler mit einer Frequenz von 20 kHz aktualisiert und die Spitzenwert- Detektions-Schaltung überwacht ein Signal aus einem 40 kHz Ultraschall-Wandler, das in 242 verstärkt, in 244 gleichgerichtet, in 246 geglättet und in 248 digitalisiert wird.
  • Wenn die Spitzenwert-Detektions-Schaltung anzeigt, dass das Signal das erste Mal den Spitzenwert erreicht hat, wird der Zähler 236 angehalten.
  • Schließt das 20 ms Fenster, bevor ein Spitzenwert detektiert wird, wird der Wert 0 im Zähler gebildet.
  • Nach einer Periode von 20 ms kann der Empfänger von dem Positionier-PC über den Matrix-Manager und das stromabwärts gelegene Netzwerk 234 abgefragt werden. Wenn eine Adressen-Vergleichsvorrichtung 250 in den Empfänger-Kopplungen zu der schaltercodierten Adresse 235 detektiert, dass der Empfänger abgefragt worden ist, wird der gespeicherte Wert im Zähler in den Positionier-PC über das stromaufwärts gelegene Netzwerk 232 und den Matrix-Manager zusammen mit einer Fehlerprüf-Information gesendet. Ankommende Informationen von anderen Empfängern an dem stromaufwärts gelegenen Netzwerk werden während dieser Periode blockiert.
  • Zusätzliche Leitungen an dem stromabwärts liegenden Netzwerk 234 können durch den Positionier-PC zur Änderung des Spitzen-Detektions-Algorithmus verwendet werden, der durch den Empfänger benutzt wird. Es können zwei Algorithmen benutzt werden.
    • – Anhalten des Zählers, wenn das Signal über einen bestimmten absoluten Schwellwert angestiegen ist und wenn das Signal zum ersten Mal den Spitzenwert erreicht. Dies ist der Vorgabe-Algorithmus.
    • – Anhalten des Zählers, wenn das Signal über einen bestimmten Schwellwert relativ zu dem bisher aufgetretenen niedrigsten Signalwert angestiegen ist. Dieser Algorithmus ist zweckmäßiger, wenn die Versetzung des Empfänger-Verstärkers einer Änderung ausgesetzt ist.
  • Die Schwellwert-Quelle kann eine Gruppe von Schaltern 252 am Empfänger-PCB oder ein Schwellwert-Speicher 254 sein. Die Schwellwert-Quelle kann wiederum durch den Positionier-PC geändert werden, indem Leitungen auf dem stromabwärts gelegenen Netzwerk benutzt werden. Um den Wert im Schwellwert-Speicher 254 einzustellen, setzt der Positionier-PC die Abfrage-Adresse an dem stromabwärts liegenden Netzwerk auf den neuen Wert und steuert dann weitere Leitungen an, so dass jeder der Empfänger den Wert der Abfrage-Adresse in einen temporären Schwellwert-Speicher 256 lädt. Der Positionier-PC setzt dann die Abfrage-Adresse an dem stromabwärts gelegenen Netzwerk auf die Adresse des Empfängers, dessen Schwellwert geändert werden muss und steuert weitere Leitungen des stromabwärts gelegenen Netzwerkes zur Übertragung des Wertes von dem temporären Schwellwert-Speicher 252 in den Schwellwert-Speicher 254 des jeweiligen Empfängers an.
  • (6) Mobiler Transponder (23)
  • Der in 23 dargestellte mobile Transponder kann mit Objekten verbunden werden, und erzeugt Ultraschall-Signale 258, mit deren Hilfe seine Position und möglicherweise seine Orientierung bestimmt werden kann.
  • Ankommende Funk-Nachrichten von einem Zonen-Manager werden von einem 418 MHz FM Funk-Sender-Empfänger 260 aufgenommen und von einem Nachrichten-Decodierer 262 decodiert. Der Nachrichten-Decodierer verwendet auch Fehler-Prüf-Informationen in den ankommenden Nachrichten, um zu bestimmen, ob Bit-Fehler in der Funk-Kopplung aufgetreten sind.
  • Nachdem die Nachricht empfangen worden ist, schaltet die Energiespar-Überwachungsschaltung 264 die Empfangsseite des Funk-Sender-Empfängers 160 ab.
  • Ein Nachrichten-Generator 266 ermöglicht, dass der mobile Transponder in Kontakt mit dem Zonen-Manager über die Übertragungsseite des Funk-Sender-Empfängers 260 kommt. Der Nachrichten-Generator wird von einem Registrier-Steuergerät 268 verwendet, das Versuche vornimmt, um den Zonen-Manager über das Vorhandensein des mobilen Transponders zu unterrichten und wird ferner aktiviert, wenn ein Benutzer einen der beiden Knöpfe 270, 271 auf dem Transponder drückt (falls eingesetzt).
  • Wenn eine gute Nachricht empfangen worden ist, vergleicht der Nachrichten-Decoder die Sender-Empfänger-Adresse, die in der ankommenden Nachricht enthalten ist, mit der in ROM 274 gespeicherten. Entsprechen sich die Adressen, gilt Folgendes:
    • 1. Ein Trigger-Signal wird an einen Impuls-Signal-Generator 276 gesendet, der einen Satz von Ultraschall-Wandlern 278 (um ein halbkugelförmiges Gehäuse herum angeordnet) mit 40 kHz über eine Zeitdauer von 50 μs antreibt, um den Ultraschall-Impuls 258 zu erzeugen.
    • 2. Ein Zähler in der Energiespar-Überwachungs-Schaltung wird mit dem Wert der Ruhezeit in der Nachricht (über die Leitung 280) geladen.
    • 3. Wenn das Abfall-Bit in der Nachricht gesetzt worden ist, wird ein Registrier-Steuergerät 282 auf der mobilen Vorrichtung darüber informiert, dass der Zonen-Manager diesen mobilen Sender-Empfänger nicht mehr adressiert. Das Registrier-Steuergerät beginnt dann mit Versuchen, sich bei dem Zonen-Manager zu melden. Wenn das Abfall-Bit nicht gesetzt ist, der mobile Sender-Empfänger jedoch versucht, sich bei dem Zonen-Manager zu meiden, wird das Registrier-Steuergerät 282 darüber informiert, dass die Registrier-Versuche erfolgreich waren und es braucht eine Meldung nicht nochmals zu versuchen.
    • 4. Wenn das Übertragungs-Bit in der Nachricht gesetzt worden ist, bereitet der mobile Transponder eine sofortige Übertragung seiner Adresse über seine Zweirichtungs-Funk-Schnittstelle (260) auf 208 vor.
    • 5. Der Ausgangs-Daten-Wert von acht Bits in der Nachricht wird an einen Daten-Port mit zehn Pfaden gesendet (der Port weist eine Erdungs-Leitung und eine Auswähl-Leitung auf, die anzeigt, wenn die Daten gültig sind.)
  • Wenn der Nachrichten-Doktor anzeigt, dass die ankommende Nachricht nicht für den laufenden Sender-Empfänger bestimmt ist, sondern dass das Registrier-Bestätigungs-Feld die Adresse des laufenden Sender-Empfängers enthält, wird das Registrier-Steuergerät 282 darüber informiert, dass der Zonen-Manager nunmehr diesen mobilen Transponder wahrgenommen hat, und dass keine weiteren Registrier-Versuche notwendig sind.
  • Nachdem die ankommende Nachricht decodiert worden ist, kann der mobile Transponder versuchen, ein Datenpaket zurück in den Zonen-Manager über die Übertragungsseite des 418 MHz Funk-Sender-Empfängers 260 zu senden. Dieses Verhalten kann durch eine Anzahl von Ereignissen verursacht werden:
    • 1. Das Übertragungs-Bit in der ankommenden Nachricht wurde gesetzt und die Sender-Empfänger-Adresse, die in der ankommenden Nachricht codiert ist, ist die gleiche wie die des mobilen Transponders.
    • 2. Ein Druckknopfschalter auf dem mobilen Transponder ist gedrückt worden.
    • 3. Das Registrier-Steuergerät 282 versucht, den mobilen Transponder mit dem Zonen-Manager in Deckung zu bringen und das Übertragungs-Bit der ankommenden Nachricht ist nicht gesetzt und das wahrscheinliche „geschlitzte ALOHA" Konkurrenz-Auflösungs-Protokoll (das von einem pseudowillkürlichen Zahlen-Generator angetrieben wird), zeigt an, dass der mobile Transponder versuchen soll, Daten in den Zonen-Manager in diesem Zeitkanal zu senden.
  • Wenn eines dieser Ereignisse auftritt, wartet ein Nachrichten-Generator eine 25 μs andauernde Umschalt-Zeit ab, bevor auf die Übertragungsseite des Funk-Sender- Empfängers 260 umgeschaltet wird und sendet (mit 40 kbps) eine 168 Bit umfassende Präambel, auf die eine Manchester-codierte Version des Pakets folgt, deren Format in Tabelle (B) gezeigt ist.
  • Ein zyklischer Redundanz-Prüf Code kann in dem Paket enthalten sein, um Verkettungsfehler oder Kollisionen mit Übertragungen aus anderen mobilen Sendern zu detektieren. Ein Standard CRC-8 Algorithmus wird verwendet, um diesen CRC zu generieren.
  • Nach der Übertragung der Präambel und des Paketes schaltet der Nachrichten-Generator die Übertragungssseite des Funk-Sender-Empfängers 260 ab.
  • Die Energie sparende Überwachungs-Schaltung 264 wird verwendet, um andere Teile des mobilen Sender-Empfängers auf Energieeinsparung zu steuern. Sie wird durch einen 32 kHz Taktgeber 284 angetrieben, der ihr selbst einen geringen Energieverbrauch ermöglicht. Die Hauptfunktion dieser Schaltung besteht darin, die Empfängerseite des Funk-Sender-Empfängers 260 alle 40 ms anzuschalten, damit die nächste ankommende Funk-Nachricht aus dem Zonen-Manager detektiert und decodiert werden kann. Wenn der Schlaf-Zähler nicht Null ist (und anzeigt, dass der mobile Transponder einen Schlaf-Zustand mit sogar noch geringerem Energieverbrauch einnehmen kann), fährt die Energiespar-Überwachungs-Schaltung 264 jedoch diesen Zähler noch einmal alle 40 ms zurück und aktiviert nur die Empfangs-Schaltung des mobilen Sender-Empfängers 260 einmal je acht Zeit-Kanäle, so dass das Aufwach-Bit periodisch geprüft werden kann). Die Energiespar-Überwachungs-Schaltung 264 steuert ferner einen 8 MHz Taktgeber 265, der durch den Nachrichten-Decoder 262 und den Nachrichten-Generator 266 verwendet wird.
  • Wenn der Nachrichten-Decoder 262 anzeigt, dass das Aktivierungs-Bit in der ankommenden Nachricht gesetzt war, setzt die Energiespar-Überwachungs-Schaltung 264 den Schlaf-Zähler 286 auf Null. Dieser Vorgang stellt sicher, dass der Übertrager jede an kommende Nachricht prüft, bis er instruiert worden ist, dass er dies nicht mehr fortsetzen braucht.
  • Wenn der Nachrichten-Decoder 266 anzeigt, dass ein Fehler an der Funk-Kopplung aufgetreten worden ist oder dass keine Nachricht empfangen worden ist, wenn eine Nachricht erwartet worden war, geht der mobile Transponder auf einen „Such"-Betrieb über. Bei diesem Betrieb schaltet die mit niedriger Energie arbeitende Überwachungs-Schaltung die Empfänger-Seite des 418 MHz Funk-Sender-Empfängers 260 etwa einmal je 80 Sekunden für eine Periode von gerade über einer Sekunde an und das Registrier-Steuergerät 282 wird informiert, dass es versuchen soll, sich beim Zonen-Manager zu meiden. Der „Such"-Betrieb ist auch der Vorgabe-Zustand des mobilen Transponders, wenn er zum ersten Mal eingeschaltet wird.
  • (7) Positionier-PC
  • Ein 200 MHz Pentium-pro IBM kompatibler PC mit einer 48 Leitungen aufweisenden parallelen digitalen IO-Karte kann verwendet werden, und die gleiche Hardware ist für alle dargestellten Pcs geeignet.
  • Jedem Matrix-Manager ist ein Positionier-PC 154, 168, 184 zugeordnet, der die Kompositionen von Mobil-Sender-Empfängern aus den Betriebszeit-Werten berechnet, die durch Empfänger 160, 1672 usw. bestimmt werden (deren überwachte Positionen im Speicher durch den Positionier-PC gespeichert werden). Er fragt den Matrix-Manager kontinuierlich ab, um zu bestimmen, ob die Empfänger getriggert worden sind und Resultate ergeben, die verarbeitet werden sollen. Wenn die Status-Leitung „Resultate bereit" durch den Matrix-Manager angesteuert wird, fragt der Positionier-PC (über den Matrix-Manager) jeden der n Empfänger, die mit dem Matrix-Manager verbunden sind, ab, findet einen Daten-Wert aus jedem wieder auf (zusammen mit einer Fehler-Prüf-Information) und hebt die Ansteuerung der „PC Bereit"-Status-Leitung wieder auf.
  • Für jeden Empfänger, der einen guten, von Null abweichenden Daten-Wert zurückführt (d. h. dass die Fehler-Prüf-Information einen guten Daten-Wert anzeigt, der, verschieden von Null anzeigt, dass ein Signal von dem Empfänger detektiert worden ist), wird dieser Daten-Wert zur Berechnung eines Sender-Empfänger-Abstandes verwendet. Der Positionier-PC fragt den Matrix-Manager, z. B. 166, 182 ab und bestimmt die momentane Temperatur t des Raumes (gemessen in °C). Es ist dann möglich, die Geschwindigkeit des Schalls im Raum c aus der Gleichung (14) zu berechnen.
  • Eine Eichung des Systems während der Installation ergibt einen Wert d für die festen Verzögerungen im System (z. B. die Zeit, die verstreicht, um die Funk-Nachricht durch den mobilen Transponder zu decodieren). Aus der Impuls-Laufzeit fi vom mobilen Transponder zum Empfänger i kann dann der entsprechende Transponder-Empfänger-Abstand li als li = cx(fi – d) berechnet werden.
  • Wenn ein mobiler Transponder die Koordinaten (u, v, w) besetzt und der Abstand von ihm zu einem Empfänger mit der Koordinate (x, y, 0) l ist, bedeutet dies, dass alle Empfänger in der Ebene der Decke liegen. Es läßt sich zeigen, dass l2 durch die Gleichung (15) gegeben ist.
  • Gleichung (1) kann als ein nichtlineares Modell angesehen werden, siehe Meyers R. Classical and Modern Regression with Applications, PWS-KENT 1990 und kann eine nichtlineare Regression benutzen, um die Werte von l, x und y für verschiedene Empfänger diesem Modell anzupassen. Dies gibt geschätzte Werte u ^, v und w ^ 2. Dies ermöglicht die Bestimmung einer besten Methode der kleinsten Quadrate für die Position des mobilen Transponders als Koordinate (u ^, v,
    Figure 00390001
    ), wobei die negative Quadratwurzel von w ^ 2 genommen wird, um den Transponder unterhalb der Decke zu befestigen. Eine Schattenlösung (u ^, v,
    Figure 00390002
    ) entspricht einer nicht möglichen Transmitter-Position oberhalb der Decke. Das nichtlineare Modell hat drei Freiheitsgrade und die Kenntnis mindestens dreier Transponder-Empfänger-Abstände ist deshalb erforderlich, um die Position des mobilen Transponders zu berechnen. Ferner kann das Modell nicht an die Daten angepasst werden, wenn alle Empfänger, die ein Signal detektiert haben, kolinear sind.
  • Reflektierte Signale von Objekten in der Umgebung können zu falschen Abstandsmessungen führen. Normalerweise erfolgt die erste Signalspitze, die durch einen Empfänger detektiert worden ist, aufgrund eines Impulses, der längs einer direkten Linie von dem Transponder wandert. Dieser Impuls kommt vor irgendwelchen reflektierten Impulsen an, die weitere Wege zurücklegen müssen. Der so von dem System gemessene Abstand ist der einer geraden Linie, die den Transponder und den Empfänger miteinander verbindet. Gelegentlich jedoch kann der direkte Pfad blockiert sein, und die erste empfangene Signalspitze ist durch einen reflektierten Impuls gegeben. In diesem Fall ist der gemessene Transponder-Empfänger-Abstand größer als der echte Abstand, was zu einer nicht exakten Schätzung der Position des Transponders führt.
  • Es sind zwei Techniken entwickelt worden, um ungenaue Abstands-Messungen zu identifizieren und zu eliminieren. Die erste Technik basiert darauf, dass die Differenz zweier Transponder-Empfänger-Abstände nicht größer sein kann als der Abstand zwischen den Empfängern. Wenn durch Vergleichen eines Paares von Messungen zwei Empfänger festgestellt werden, deren Resultate diesem Test nicht genügen, läßt sich feststellen, dass der größere der beiden Abstände ein Maß längs eines reflektierten Pfades sein muss (wobei berücksichtigt wird, dass Reflexionen den gemessenen Abstand nur vergrößern können) und dieses Resultat aus dem Datensatz ausgeschieden werden kann.
  • Zweitens wurde ein statistischer Test entwickelt, der auf der Beobachtung beruht, dass der Anteil von Empfängern, die nur reflektierte Signale detektieren, gering ist. Studentisierte Reste (studentized residuals) (Glantz, S., Slinker, B. Primar of Applied Regression and Analysis of Variance, McGraw-Hill 1990) ergeben ein Verfahren zum Identifizieren von Ausreißern in Datensätzen und können für jede der Abstandsmessungen während der nichtlinearen Regressions-Vorgänge berechnet werden. Eine unrichtige Messung wird als ein Ausreißer in dem vollen Satz von Messungen betrachtet und es ist wahrscheinlich, einen großen studentisierten Rest zu haben. Das Resultat mit dem größten positiven studentisierten Rest wird aus dem Satz der Abstandsmessungen entfernt (wiederum unter der Berücksichtigung, dass Reflexionen den gemessenen Abstand nur vergrößern können), bevor die nichtlineare Regression und die Reste neu berechnet werden.
  • Der statistische Test wird wiederholt, bis die Varianz der verbleibenden Messungen unter einen annehmbaren Schwellwert fällt (dabei wird angenommen, dass alle Ausreißer-Datenpunkte eliminiert worden sind) oder nur drei Messungen verbleiben. Eine End-Berechnung der Position des Übertragers erfolgt dann unter Verwendung dieser Datenwerte.
  • Aus der berechneten Position und den bekannten Lagen der Empfänger, die ein Signal aus dem mobilen Übertrager detektiert haben, ist es also möglich, den Wert θ zu schätzen, nämlich die Orientierung des mobilen Senders um eine vertikale Achse. Das verwendete Verfahren zur Durchführung dieser Schätzung ist bereits vorstehend beschrieben worden.
  • Der Positionier-PC findet dann (aus dem Matrix-Manager) den Zeitpunkt, zu dem die Messungen, die bei der Positions-Berechnung verwendet worden sind, gemacht wurden, wieder auf. Schließlich sendet er ein Ereignis der Form (x, y, z, θ, Zeit) an den Bereichs-Manager über ein CORBA-Schnittstelle, wobei die berechnete Position (x, y, z), die Orientierung (θ) und die Messzeit angezeigt wird, und informiert den Matrix-Manager, dass er für den nächsten Satz von Ablesungen bereit ist (durch Ansteuern der „PC Bereit"-Statusleitung).
  • Es sei darauf hingewiesen, dass der Positionier-PC 168, 184 Befehle an individuelle Empfänger (über den Matrix-Manager) senden kann, um den Spitzen-Detektions-Algorithmus, den sie benutzen, zu ändern, oder um den Schwellwert, den sie im Speicher speichern, zu ändern oder aber die Quelle des Schwellwertes zu ändern, die der Spitzen-Detektions-Algorithmus verwendet (entweder auf der Leiterplatte angeordnete Schalter oder Speicher).
  • (8) Bereichs-Manager (18)
  • Wie in 18 gezeigt, werden Daten aus den Planungs- und Positionier-PCs auf den Bereichs-Manager 186 übertragen, der u. a. einen Daten-Prozessor (z. B. einen PC) aufweist. Dieser sammelt Ereignisse der Form (Identifizierer, Zeit) von dem Zonen-Manager und Ereignisse der Form (x, y, z, θ, Zeit) von jedem Matrix-Manager.
  • Ein assoziativer Speicher im Bereichs-Manager verkettet Ereignisse unter Verwendung des Zeit-Parameters und erzeugt einen Strom von Ereignissen der Form (Identifizierer, x, y, z, θ, Zeit).
  • Es läßt sich feststellen, dass diese Ereignisse Identifizierungs-, Lage-, Orientierungs- und Zeit-Informationen enthalten und deshalb die Möglichkeit geben, die Position und die Orientierung (zu einem bestimmten Zeitpunkt) eines Transponders zu bestimmen.
  • Dieser Ereignisstrom (mit 288 in 1 dargestellt) kann an die Benutzer und Klienten-Anwendung weiter geleitet werden.
  • Energieeinsparung an den Empfänger-Sender-Einheiten
  • Eine Energieeinsparung kann in den Transpondern dadurch erzielt werden, dass der Empfänger in einen Ruhezustand oder einen Aus-Betriebzustand während der Zeit-Intervalle zwischen dem Adressieren geschaltet wird, und wenn die Frequenz, bei der eine bestimmte Transponder-Einheit adressiert werden soll, bekannt ist, kann dies in die Funk-Nachricht codiert werden, so dass nach dem Codieren der Nachricht der Empfänger-Abschnitt für diese Zeitperiode ausgeschaltet werden kann.
  • Steuersignale, die Funk-Transmitter benutzen
  • Zusätzliche Informationen in Form von Steuersignalen können in die Funk-Adressier-Signale codiert werden, die auf die Transponder-Einheiten übertragen werden, damit beispielsweise eine Sichtanzeige oder eine Roboter-Vorrichtung, die der Transponder-Einheit zugeordnet ist, gesteuert werden kann.
  • Bestimmung der Form
  • Elektrische Signale, die die Positionen einer Vielzahl von Sendern anzeigen, die an ausgewählten, strategischen Punkten auf einem Objekt positioniert sind, können abgeleitet und gespeichert und verarbeitet werden, z. B. durch Vergleichen mit gespeicherten elektrischen Signaldaten, oder verarbeitet werden mit Hilfe eines Algorithmus, um ein Entscheidungs-Signal zu erzeugen, das die Form des Objekts angibt. Dies kann ermöglichen, dass ein neues Objekt durch Bezugnahme auf diese Form identifiziert wird.
  • Sichtanzeige des überwachten Bereichs
  • Elektrische Signale, die die Position und/oder Orientierung eines Objektes anzeigen, dessen Position und Orientierung (in bezug auf den Bereich) durch Positions-Bestimmungs-Systeme festgestellt worden sind, können verwendet werden, um die Sichtanzeige einer graphischen Darstellung des Objekts auf einem TV- oder Rechner-Monitor zusammen mit graphischen Darstellungen anderer Objekte, die ebenfalls durch ihre Position (und Orientierung, falls gemessen) identifiziert werden, zu steuern.
  • Modifikationen nach der Erfindung
  • Die folgenden Änderungen an dem System, das in Verbindung mit den 1–23 beschrieben worden ist, werden zum Implementieren des Systems gemäß der Erfindung durchgeführt; wie weiter oben erläutert, wird dabei zugrunde gelegt, dass der Zeitkanal in dem beschriebenen Aufwärtsstrom sicher auf 20 ms reduziert werden kann, ohne dass die Betriebsweise des Systems beeinflusst wird.
  • Zuerst wird eine Versetzungsdauer von 10 ms angepasst (dies ist eine ziemlich konservative Versetzungsdauer). Der Taktgenerator wird so geladen, dass er Zeitkanäle von 30 ms signalisiert, was die Möglichkeit ergibt, zwei mobile Transponder in einer versetzten Folge zu adressieren. Auch werden die Empfänger so geändert, dass sie Signale über ein 30 ms Fenster aufnehmen.
  • Der Disponier-PC wählt zwei mobile Transponder aus, die während des nächsten Zeitkanals adressiert werden. Zu diesem Zweck wird der folgende Algorithmus verwendet:
    • 1. Die variable Größe a wird auf Null gesetzt.
    • 2. Wenn a Null ist, wird der vorhandene Disponier-Algorithmus so verwendet, dass die nächsten zwei mobilen Transponder für die Adressierung ausgewählt werden. Die Variable b wird auf die Adresse des ersten und die Variable c auf die Adresse des zweiten Transponders gesetzt. Wenn a verschieden von Null ist, wird die Variable b auf den Wert von a gesetzt, und der vorhandene Disponier-Algorithmus wird verwendet, um den nächsten mobilen Transponder zum Lokalisieren auszuwählen, wobei seine Adresse in die Variable c eingesetzt wird
    • 3. Wenn die letzte Positions-Information für die mobilen Transponder b und c vorschlägt, dass sie in getrennten Ultraschallräumen untergebracht sind, werden beide mobilen Transponder b und c in dem nächsten Zeitkanal lokalisiert (b zu Beginn des Zeitkanals, c 10 ms später) und die Variable a wird auf Null gesetzt. Andernfalls werden die mobilen Transponder mit Adressen b und Null im nächsten Zeitkanal lokalisiert (b zu Beginn des Zeitkanals, Adresse Null 10 ms später) und die Variable a wird auf den gleichen Wert wie c gesetzt.
    • 4. Übergehen auf Schritt 2.
  • Dieser Disponier-Algorithmus hat die Eigenschaft, dass die Lagequalität des Service-Bedarfs (LQoS) für jeden mobilen Transponder zumindest erfüllt ist, jedoch um einen Faktor zwei überschritten werden kann. Offensichtlich wird die Wahl der Adresse stark von den vorausgehenden Positionen der mobilen Transponder beeinflusst, um zu versuchen, mobile Transponder auszuwählen, die sich in unabhängigen Ultraschall-Räumen befinden. Zu diesem Zweck hält der Dsponier-PC eine 3D-Beschreibung aller Ultraschall-Räume gespeichert, damit die Möglichkeit besteht, zu bestimmen, wann zwei Punkte im gleichen Raum vorhanden sind. Es sei auch darauf verwiesen, dass die Ruhezeiten, die von dem Algorithmus für die beiden mobilen Transponder berechnet werden, durch einen Faktor zwei dividiert werden, so dass sichergestellt ist, dass sie konservative Schätzungen bleiben.
  • Das Format des Nachrichten-Pakets, das an die mobilen Transponder über den Zonen-Manager gesendet werden soll, wird so geändert, dass es die Tatsache reflektiert, dass sie nunmehr Informationen enthalten muss, die an zwei Adressen gesendet werden sollen. Ein geeignetes Format ist in Tabelle A als Anhang dargestellt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Registrierung von bis zu zwei mobilen Transpondern in dem vorausgehenden Zeitkanal unter Verwendung der beiden Registrier-Bestätigungsfelder anerkannt werden kann. Der Zonen-Manager wird so geändert, dass er dieses neue Paket-Format von dem Disponier-PC aufnimmt und an die mobilen Transponder überträgt. Nachdem das Paket von dem Zonen-Manager gesendet worden ist, findet der Disponier-PC die Zeit wieder auf, zu der das Paket von dem Zonen-Manager gesendet worden ist. Er gibt dann ein Ereignis in der Form (Identifiziervorrichtung 1, Identifiziervorrichtung 2, Zeitdauer) an den Gruppen-Manager über eine CORBA Schnittstelle weiter, zeigt die aus 16 Bits bestehenden Adressen der beiden mobilen Transponder, die in dem letzten Zeitkanal angeordnet sind, an und auch die Zeitdauer des Starts dieses Zeitkanals angezeigt werden.
  • Die mobilen Transponder werden so geändert, dass sie das Format und die Länge des neuen Paketes reflektieren. Da ein mobiler Transponder durch eine der Adressen getriggert werden kann, die in der von dem Zonen-Manager gesendeten Nachricht enthalten sind, wird die die Nachricht dekodierende Logik verändert. Wenn ein mobiler Transmitter durch eine der beiden Adressen getriggert wird, befasst sich diese Logik mit dem entsprechenden Abfall und überträgt Bits, Ruhedauer und Ausgangsdaten-Wert. Mobile Transponder, die versuchen, mit dem Zonen-Manager in Gleichlauf zu sein, prüfen ferner beide Registrierungs-Erkennungsfelder innerhalb der ankommenden Nachricht, um festzustellen, ob ihre Registrierung erfolgreich war.
  • Wenn ein mobiler Transponder durch die erste Adresse in der ankommenden Nachricht getriggert wird, treibt die Impulserzeugungsschaltung unmittelbar den Ultraschall-Wandler an, der mit einem 40 kHz-Signal über eine Zeitdauer von 50 μs eingestellt ist. Wenn ein mobiler Tansponder durch die zweite Adresse in der ankommenden Nachricht getrigger wird, wartet die Impuls-Erzeugungsschaltung exakt 10 ms, bevor der Ultraschall-Wandler, der mit einem 40 kHz-Signal für eine Zeitdauer von 50 μs gesetzt worden ist, beaufschlagt wird.
  • Der Nachrichten-Generator, der Daten-Pakete an den Zonen-Manager sendet, wird so geändert, dass er die Tatsache reflektiert, dass zwei mobile Transponder erforderlich werden können, um ihre Adresse an den Zonen-Manager im gleichen Zeitkanal zu überragen. Somit sind in jedem Zeitkanal zwei Gelegenheiten oder Übertragungs-Kanäle für einen mobilen Transponder vorgesehen, um den Zonen-Manager zu kontaktieren. Der erste Übertragungs-Kanal startet 25 μs nach dem Ende der ankommenden Funk-Nachricht und der zweite Übertragungs-Kanal startet 25 μs nach dem Ende des ersten Übertragungskanals. Wenn ein Übertragungs-Kanal verwendet wird, sendet der mobile Transponder (bei 40 kbps) eine 168 Bits umfassende Präambel, auf die eine Manchester-codierte Version folgt, die in der anliegenden Tabelle B dargestellt ist.
  • Die Länge des Übertragungs-Kanals ist die Zeitdauer, die notwendig ist, um die Präambel und das Manchester-codierte Paket zu senden. Wenn ein mobiler Transponder durch die erste Adresse in einer ankommenden Funk-Nachricht getriggert wird, und das entsprechende Übertragungs-Bit gesetzt ist, benutzt der mobile Transponder den ersten Übertragungs-Kanal, um seine Adresse an den Zonen-Manager zurück zu senden. Wird der mobile Transponder durch die zweite Adresse in der Nachricht getriggert und ist das entsprechende Übertragungs-Bit gesetzt, benutzt es den zweiten Übertragungs-Kanal, um seine Adresse in den Zonen-Manager zu senden. Jeder bewegliche Transponder, der versucht, mit dem Zonen-Manager registerhaltig zu sein oder der das Drücken eines Knopfes berichtet, kann die Adresse und den Zustand des Knopfes in einem beliebigen Übertragungs-Kanal übertragen, für den das entsprechende Übertragungs-Bit nicht gesetzt ist (d. h. für einen der getriggerten mobilen Transponder nicht reserviert ist). Der Zonen-Manager wird so geändert, dass Nachrichten, die in beiden Übertragungs-Kanälen gesendet werden, aufgenommen und an den Disponenten-PC geführt werden können.
  • Der Matrix-Manager wartet nun 12,95 ms, nachdem er ein Trigger-Signal aus dem Takt-Generator festgestellt hat, bevor er die zugeordneten Empfänger triggert (um der längeren Funk-Nachricht die Möglichkeit zu geben, dass sie an die mobilen Transponder gesendet wird). In getriggertem Zustand öffnet jeder Satz von Empfängern (einer pro Raum oder pro anderen isolierten Bereich) sein Empfangs-Fenster für die Dauer von 30 ms. Am Ende dieser Periode wählen die Positionier-PCs, die mit den Matrix-Managern verbunden sind, die Empfänger, um einerseits festzustellen, ob sie überhaupt Ultraschall-Signale ermittelt haben, und andererseits, wenn dies der Fall ist, um die Zeitdauer nach dem Trigger-Signal festzustellen, zu dem das ankommende Ultraschall-Signal zum ersten Mal einen Spitzenwert erreicht hat. Jeder Positionier-PC berechnet zwei Sätze von Übertrager-Empfänger-Abständen aus den gemessenen Signalen – ein Satz geht davon aus, dass der mobile Transponder zu Beginn des Zeitkanals getriggert worden ist, der andere geht davon aus, dass er 10 ms später getriggert worden ist. Die nichtlineare Regressions-Berechnung wird dann zweimal von dem Positionier-PC durchgeführt, wobei jeder der beiden Abstands-Sätze und die Positionen der Empfänger, die die Ultraschall-Signale detektiert haben, benutzt wird. Jede Regressions-Berechnung ergibt ein Resultat, entweder eine 3D-Position und Orientierung; wenn die Regression in eine Lösung konvergiert, oder einen Fehlerwert, wenn dies nicht zutrifft. Der Positionier-PC sendet dann ein Ereignis der Form (Resultat 1, Resultat 2, Zeitdauer) an den Gruppen-Manager über eine CORBA Schnittstelle, wobei die Resultate für die beiden nichtlinearen Regressions-Berechnungen für Signale angezeigt werden, die in dem letzten Zeitkanal deteketiert wurden, sowie den Zeitpunkt des Starts dieses Zeitkanals.
  • Der Bereichs-Manager muss die Informationsströme aus dem Disponier-PC und den Positionier-PCs kombinieren. Ein einfacher (obgleich nicht notwendigerweise optimaler) Algorithmus, der diese Aufgabe löst, wird nachstehend beschrieben.
  • Zunächst wird angenommen, dass für einen bestimmten Zeitkanal die Adressen aller mobilen Transponder gesammelt worden sind, die lokalisiert worden sind (x und y, wobei der mobile Transponder x 10 ms vor dem mobilen Transponder y positioniert ist), und auch die beiden Resultate aus jedem der n Positionier-PCs gesammelt worden sind (d. h. es wurde ein Datensatz r11, r12, r21, r22, ... rn1, rn2 gesammelt). Aus diesem Datensatz wird ein weiterer Datensatz s11, s12, s21, s22, ... sn1, sn2 konstruiert, wobei sijj = 1, wenn rij eine gute 3D-Position und Orientierung ist und sij = 0, wenn rij ein fehlerhafter Wert ist, der eine Nicht-Konvergenz des nichtlinearen Regressions-Modells anzeigt.
  • Wenn y nicht gleich Null ist (d. h. die zweite Adresse in der Nachricht nicht eine Scheinadresse war), wird geprüft, ob die beiden Signale in getrennten Ultraschall-Räumen detektiert worden sind. Damit dies echt ist, muss es möglich sein, i und j aufzufinden, derart, dass s11 = 1 oder s12 = 1 und sj1 = 1 oder sj2 = 1 und i = j ist, aber nicht möglich ist, k aufzufinden, derart, dass sk1 = 1 oder sk2 1 und k = i = j. Wenn dies nicht echt ist, müssen alle Resultate für diesen Zeitkanal gelöscht werden, weil eine Signal-Verzerrung aufgetreten sein kann.
  • Anschließend wird geprüft, ob nur ein guter Satz von Ultraschall-Signalen aus jeder Trigger-Zeit innerhalb des Zeitkanals identifiziert worden ist. Damit dies zutrifft, braucht nur ein i so beschaffen zu sein, dass si1 echt ist und höchstens ein j so, dass sj2 echt ist. Wird festgestellt, dass diese Aussage nicht echt ist, werden alle Resultate für diesen Zeitkanal zurückgewiesen, weil es nicht möglich ist, zu bestimmen, in welchem Ultraschall-Raum sich ein mobiler Transponder voraussichtlich befindet (obgleich das Einführen von Heuristiken in diesem Fall einen Fortschritt ergeben könnte). Wird festgestellt, dass die Annahme echt ist, ist es möglich, das Resultat ri1 dem mobilen Transponder mit der Adresse x und ein Resultat rj2 dem mobilen Transponder mit der Adresse y zuzuordnen. Der Bereichs-Manager kennt dann den Zeitpunkt, zu dem jeder mobile Transponder getriggert wurde, wie auch die Position und Orientierung der beweglichen Transponder zu diesen Zeitpunkten, und er kann diese Informationen in einen Ereignisstrom umformen, der zu Nutzern und Kundenanwendungen geführt wird.
  • Es ergibt sich, dass die vorstehende Implementierung in der Lage ist, zwei bewegliche Transponder in einer 30 ms andauernden Zeitperiode zu lokalisieren (unter der Annahme, dass zwei mobile Transponder in unterschiedlichen Ultraschall-Räumen vorhanden sind und dass das System korrekt arbeitet). Deshalb beträgt die mögliche Aggregat-Fortschalt-Geschwindigkeit etwa 66 Hz, anstelle der 50 Hz, die vorher möglich war. Ferner ist es möglich, höhere Lokalisierungsgeschwindigkeiten dadurch zu erzielen, dass mehr als zwei mobile Transponder in einer versetzten Folge vorgesehen sind.
  • Tabelle 1
    Figure 00500001
  • Tabelle 2
    Figure 00500002

Claims (10)

  1. System zur Bestimmung der Position eines jeden einer Mehrzahl von gekennzeichneten Objekten in einer spezifizierten Umgebung durch Bestimmung der Übertragungszeit von langsam fortschreitender Energie, die von einem Sender auf jedem gekennzeichneten Objekt an eine Mehrzahl von Empfängern übertragen wird, die an festen Stellen in der oder um die spezifizierte Umgebung herum positioniert sind, und durch Berechnen der tatsächlichen Entfernung des Übertragers von den Empfängern daraus, bei dem die Übertragung der langsam fortschreitenden Energie durch einen Burst von mit hoher Geschwindigkeit fortschreitender Energie aus einem Leit-Sender begonnen wird, derart, dass gesendete Bursts solcher Energie hoher Geschwindigkeit dazu veranlasst werden, in die Umgebung einzutreten, der Sender auf dem Objekt durch einen Empfänger gesteuert wird, der in der Lage ist, auf einen entsprechend codierten Burst dieser Energie hoher Geschwindigkeit zu antworten, jeder Burst so codiert ist, dass nur ein auf den Empfängern befestigtes Objekt durch jeden Burst getriggert wird, wobei jede Sender/Empfänger-Kombination als Transponder bezeichnet wird, um einen Burst von langsam fortschreitender Energie daraus einzuleiten, die spezielle Umgebung mindestens zwei Zonen aufweist, die im wesentlichen voneinander in bezug auf die langsam fortschreitende Energie isoliert sind, die Zeitpunkte, zu denen die Transponder auf Objekten getriggert werden, die bisher als in einer einem ersten Satz von Transpondern entsprechenden Zone befindlich verstanden werden, innerhalb gemeinsamer Zeitkanäle in bezug auf die Zeitpunkte versetzt sind, zu denen die Transponder auf Objekten getriggert werden, die bisher als in einer anderen Zone entsprechend einem anderen Satz von Transpondern befindlich verstanden werden, wobei jeder Zeitkanal eine ausreichende Länge hat, damit die Empfänger in der Lage sind, auf die langsam fortschreitende Energie anzusprechen, die durch die getriggerten Transponder sowohl in der ersten Zone als in der oder jeder anderen Zone übertragen wird, und ein Algorithmus angewendet wird, der die Konsistenz der Übergangszeiten der langsam fortschreitenden Energie verifi ziert, wenn sie auf die unterschiedlichen Sätze von Transpondern zurückgeführt wird.
  2. System nach Anspruch 1, bei dem die langsam fortschreitende Energie Ultraschallwellen und die Energie hoher Geschwindigkeit Funkwellen sind.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Ermöglichung der Unterscheidung zwischen Sätzen von Signalen aus unterschiedlichen mobilen Transpondern zunächst angenommen wird, dass zwei unterschiedliche Transponder sich in unterschiedlichen Ultraschall-Zonen befinden, die Trigger-Zeiten dieser zwei unterschiedlichen mobilen Transponder (einer von jedem der beiden Sätze) zueinander versetzt sind, das System in der Lage ist, Empfänger zu triggern, wenn der erste der beiden unterschiedlichen mobilen Transponder getriggert wird und der normale Zeitkanal für eine einzelne Zonenumgebung um (m – 1) × i erweitert wird, wobei m die Anzahl der mobilen Transponder, die in versetzter Folge getriggert werden, und i die Versetzungsdauer ist) erweitert wird.
  4. System nach Anspruch 3, bei dem eine nichtlineare Regressions-Berechnung angewendet wird, un die 3D-Positionen der mobilen Transponder zu bestimmen, wobei die Berechnung so ausgeführt wird, dass sie zu einer Lösung nur dann konvergiert, wenn ihr ein Satz von konsistenten Transponder/Empfänger-Abständen und Empfänger-Positionen gegeben wird.
  5. System nach Anspruch 4, bei dem dann, wenn ein erster Satz von n möglichen Trigger-Zeiten (Ablesungen) für mobile Transponder, t1, ... tn gegeben ist, eine erste Prüfung vorgenommen wird, um festzustellen, ob die Anzahl von Sätzen von Signalen, die in unabhängigen Ultraschall-Zonen detektiert worden sind, gleich der Anzahl von mobilen Transpondern ist, die getriggert wurden, und, wenn dies nicht der Fall ist, die Ablesungen unterdrückt werden.
  6. System nach Anspruch 5, bei dem für nicht unterdrückte Ablesungen und für jeden Satz von Signalen s1, ... sn ein Satz von möglichen entsprechenden Sender/Empfänger-Abständen für jede Triggerzeit d11, d12, ... dnn berechnet wird und die nichtlineare Regressions-Berechnung an jedem Satz von Sender/Empfänger-Abständen unter Verwendung eines Algorithmus durchgeführt wird, der die Positionen von Empfängern benutzt, die die entsprechenden Signale detektieren, um einen Satz von Resultaten r11, r12, ... rnn zu erhalten, wobei jeder Wert von rxy (wobei 1 ≤ x ≤ n und 1 ≤ y ≤ n) entweder eine 3D-Position ist, die anzeigt, dass der Satz von Signalen sx durch einen mobilen Transponder zum Zeitpunkt ty generiert worden sein könnte, oder ein Fehlerwert anzeigt, dass der Satz von Signalen sx nicht durch einen zum Zeitpunkt ty getriggerten mobilen Transponder generiert worden sein konnte.
  7. System nach Anspruch 6, bei dem unter der Voraussetzung, dass ein und nur ein Satz von Signalen mit jeder Trigger-Zeit konsistent ist, der mobile Transponder, der die Entstehung dieser Signale bewirkt, identifiziert wird, damit er in der Lage ist, eine 3D-Position jedem mobilen Transponder zuzuschreiben.
  8. System nach Anspruch 6, bei dem unter der Voraussetzung, dass mindestens ein Satz von Signalen mit den Trigger-Zeiten unvereinbar ist, mindestens ein weiterer heuristischer Wert den Resultaten zur Bestimmung von 3D-Positionen für die mobilen Sender aufgegeben wird.
  9. System nach Anspruch 8, bei dem der weitere aufgegebene heuristische Wert der ist, wenn ein Satz von Signalen mit zwei Trigger-Zeiten ra und rb konsistent ist, jedoch ein anderer Satz von Signalen mit einer Trigger-Zeit ta konsistent ist und kein weiterer Satz von Signalen mit einer Trigger-Zeit tb konsistent ist, der erste Satz von Signalen voraussichtlich durch einen zum Zeitpunkt tb getriggerten mobilen Transponder generiert wird.
  10. System nach Anspruch 9, bei dem Simulationen vorgenommen werden, um den aufgegebenen heuristische Wert oder die aufgegebenen heuristischen Werte zu validieren.
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