WO2008049565A1 - Konzept zur positionsbestimmung eines passiven transponders in einem funksystem - Google Patents

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WO2008049565A1 PCT/EP2007/009145 EP2007009145W WO2008049565A1 WO 2008049565 A1 WO2008049565 A1 WO 2008049565A1 EP 2007009145 W EP2007009145 W EP 2007009145W WO 2008049565 A1 WO2008049565 A1 WO 2008049565A1
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antennas
localization
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Dennis Fritsch
Gerd VOM BÖGEL
Thomas Ledermann
Harald WÖLFELSCHNEIDER
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • a multitude of tasks such as locating objects in one or more shelves, picking by industrial robots, fetching and delivering services of service robots or tracking objects in the material flow, requires knowledge of the position and orientation of the objects ahead. Due to the variety of possible applications, RFID technology is increasingly being used for object identification.
  • RFID is a radio-based, contactless identification method. RFID systems basically work in four different frequency ranges. Low (LF - Low Frequency; 30kHz - 600kHz), High Frequency (RF) Radio Frequency (3MHz - 30MHz), Ultra High Frequency (UHF), 600MHz - 2MHz , 5 GHz) and microwave frequency (> 2.5 GHz).
  • RFID technology has hitherto not been suitable for locating objects with respect to their position in a spatially resolving manner, ie with an accuracy of, for example, a few millimeters.
  • the advantage of RFID systems is, among other things, a significantly higher data capacity, insensitivity to environmental influences such as contamination, a significantly longer range and a possibility to read many RFID transponders simultaneously.
  • An RFID transponder is the actual label, which carries the information eg of a product and with a stationary or mobile read-write device or a transceiver communicates. Depending on the system configuration, this communication allows the reading and writing of the RFID transponder, which provides additional flexibility for an RFID system. For example, a subsequent change of product data is thus easily possible.
  • RFID systems Another advantage of RFID systems is the ability to use passive RFID transponders, ie transponders that do not require their own power supply and therefore can be built compact accordingly.
  • the expansion of RFID technology with the ability of spatially resolved object localization can enable a multitude of new applications, for example for handling technology.
  • identifying methods only the presence of an RFID transponder is detected.
  • the accuracy of this method thus corresponds to a reception area of the read / write device or the antennas coupled to the read / write device.
  • Such methods are used, for example, for tracking products in logistics processes. However, they are not suitable for handling processes.
  • Fig. 9 shows a typical structure of an RFID system.
  • a system typically consists of one or more readers or transceivers 10 and a plurality of transponders 11.
  • Both the reader 10 and the transponder 11 each have an antenna 12, 13, which significantly a range of communication between reader 10th and transponder 11 influenced. If the transponder 11 comes close to the antenna 12 of the reader 10, both (transponder and reader) exchange data. In addition to the data, the reading device 10 also transmits energy to the transponder 11.
  • an antenna coil for this, which is embodied, for example, as a frame or ferrite antenna.
  • the reader 10 To operate the transponder 11, the reader 10 first generates a high-frequency alternating magnetic field by means of its antenna 12.
  • the antenna 12 also comprises a large-area coil with several turns. If one now holds the transponder 11 in the vicinity of the reader antenna 12, the field of the reader generates an induction voltage in the coil of the transponder 11. This induction voltage is the same direction and serves to power the transponder 11. Parallel to an inductance of the transponder coil is in general switched a capacity. This creates a parallel resonant circuit. The resonant frequency of this resonant circuit corresponds to the transmission frequency of the RFID system. At the same time, the antenna coil of the reader 10 is brought into resonance by an additional capacitor in series or parallel connection.
  • a clock frequency is derived, which is then a memory chip or a microprocessor of the transponder 11 as a system clock available.
  • ASK amplitude shift keying
  • the reverse data transfer from the transponder 11 to the reader 10 exploits the characteristics of the transformer coupling between the reader antenna 12 and the transponder antenna 13.
  • the reader antenna 12 constitutes a primary coil and the transponder antenna 13 forms a secondary coil of a transformer formed by a reader antenna and a transponder antenna.
  • the antenna 12 of the reader 10 is turned off in time with the data. This also leads to the voltage drop across the transponder. Since this shutdown occurs only for a short period of time, it only leads to a short time Period occurs, it only leads to a brief drop in voltage at the transponder 11, the power supply remains guaranteed.
  • Matter or objects that are greater than half the wavelength of the electromagnetic wave emitted by the writing / reading device 10 reflect this electromagnetic wave. This reflection is particularly pronounced when an object is in resonance with the emitted electromagnetic wave.
  • the ability of reflection by the transponder antenna 13 is referred to as scrubstrahlquerites. Turning now a load on the transponder antenna 13 to modulate this remindstrahlquerites. This reflected and modulated signal can now be separated and demodulated at the reading device 10, for example by means of a directional coupler from the transmitted signal.
  • the object of the present invention is thus to provide an improved concept for the localization of objects or passive RFID transponders.
  • the finding of the present invention is that the position, direction and / or movement of a passive transponder can be determined by defining a measurement area by a plurality of reader antennas in whose reception area the passive transponder or an object is connected to the passive transponder Transponder is located.
  • a read / write device activates and identifies, for example, the RFID transponder to be located, and causes the RFID transponder to be located to begin transmitting a so-called localization signal.
  • the localization signal generates the transponder to be located, for example, itself or it reflects a beamed by the read-write device carrier signal with modulation of the localization signal, for example by load modulation or backscattering.
  • the localization signal is a periodic signal.
  • the various reader antennas or localization antennas whose antenna positions are known in space receive the radio signals of the passive transponder and feed it to a so-called localization receiver for processing or regeneration of the localization signal.
  • the Lokalisationsempfnatureer may for example be part of the read-write device.
  • run times, transit time differences, Intensities and, where appropriate, directions of the localization signal with respect to the individual localization antennas From this information, for example, a computer can determine the location of the transponder or the object to which the transponder is attached.
  • a primary quantity in the evaluation is a transit time difference that can be obtained from the various reception signals of the localization antennas.
  • the intensity and direction of the received signals can be included, for example, for a plausibility check.
  • the localization signal transmitted by the transponder is used according to the invention.
  • this signal In order to distinguish this signal from the carrier signal of the read / write device, it is necessary to make it distinguishable from the carrier signal in either the time or the frequency domain.
  • the read-write device interrupts its carrier signal periodically.
  • the transponder sends the localization signal.
  • This can be a signal with or without modulation (for example PM, FM, AM or variants).
  • the localization receiver for obtaining a suitable phase information of the received signal for each localization antenna no demodulation of the localization signal takes place.
  • the signal is evaluated directly after filtering and amplification, in which the phase position of the signals is determined to each other.
  • a position determination of the passive transponder can now be achieved according to a second aspect of the present invention in that the transponder generates a signal which differs from the irradiated carrier signal in a frequency.
  • the sideband is formed, for example, by mixing the localization signal to be transmitted in the High frequency range.
  • the sideband signal thus has the same bandwidth and amplitude statistics as the modulating localization signal.
  • the sideband signal can be isolated in the localization receiver from the carrier signal, and then the transponder position can be calculated via the relative phase angles of the sideband signal received at the different localization antennas.
  • a position determination of the passive transponder can be achieved in that the transponder modulates a harmonic signal (for example a rectangle or sine) onto the irradiated carrier signal.
  • a harmonic signal for example a rectangle or sine
  • filtering, amplification and demodulation take place.
  • the position of the transponder can then be calculated via the relative phase angles of the modulation signal received at the different localization antennas.
  • the localization signal is a pseudo random bit sequence signal (PRBS) generated by the transponder, which is modulated onto the irradiated carrier signal. For example, cross-correlation with frequency-shifted PRBS signals in the signal conditioning of the localization receiver, the transit time differences and thus the location of the RFID transponder can be determined.
  • PRBS pseudo random bit sequence signal
  • inventive concept offers the possibility for new services and thus a basis for the emergence of new applications.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of an RFID system according to the invention for explaining the procedure according to the invention for localizing an object location at which an object which is provided with a passive transponder is located;
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an apparatus for providing information about an object location according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a localization signal according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 4 is a schematic representation of a single-sideband modulated localization signal in the frequency domain according to an embodiment of the present invention
  • 5 shows a schematic representation of a feedback shift register for generating frequency-shifted pseudo-random-bit sequences as localization signals according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a passive transponder for use in locating an object on which an object is located, to which the passive transponder is attached, in accordance with FIG.
  • Fig. 7 is a schematic block diagram of a UHF RFID system for determining the position of a passive
  • FIG. 8 shows a schematic block diagram of an HF RFID system according to the invention for determining the position of a passive HF transponder in the HF frequency range according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary structure of an RFID system for determining the position of a passive transponder according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a system consists of at least one read / write device or transceiver 100 and one or a plurality of transponders 11Oa-c to be located.
  • the transceiver 100 is for this purpose coupled to a plurality of localization antennas 102a-d.
  • the transponders 110a-c are each located at locations in a receiving area of the localization antennas 102a-d located at various known antenna locations. A measuring area is thus defined by the antennas 102a-d between which an RFID transponder 110c to be located is located.
  • the read / write device 100 activates and identifies the RFID transponders 110a to 110c and causes only the RFID transponder 110c to be located to start transmitting the localization signal or a localization sequence.
  • the transponder 110c to be located generates this localization signal itself or it reflects a carrier signal irradiated by the read / write device 100 with a modulation of the carrier signal with the localization signal, for example by load modulation.
  • the localization signal is a periodic signal.
  • the localization antennas 102a-d receive time-shifted replicas of the radio signal of the transponder 110c and feed them, for example via optical waveguides or coaxial cables, to a localization receiver not explicitly shown in FIG. 1 for processing or regeneration of the localization signal.
  • the Lokalisationsempf briefly can, for example, in the Write-reader 100 are located. Runtime differences, intensities and possibly directions of the replica of the localization signal can be determined in this localization receiver.
  • a computer (not shown) can determine the location of the transponder 110c to be located or of the object to which the transponder 110c to be located is attached.
  • the primary variable in the evaluation is a transit time difference that can be obtained from the received signals of the antennas 102a-d.
  • the received signal intensity and direction may also be included for a plausibility check.
  • the RFID system for determining the position of a passive transponder according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 has the capability of a
  • Self-calibration for example, by alternately one of the localization antennas 102a-d is operated as a transmitting antenna, and thereby times can be determined to and within the individual receive paths.
  • three receiving antennas are generally necessary.
  • three different relative phase positions or transit time differences relative to one of the four received signals and thus the three local coordinates of the transponder 110c to be located can be determined in three-dimensional space. If a signal transit time of the transponder 110c to be localized to one of the receiving antennas is known, three receiving antennas for determining the position in the three-dimensional space are already sufficient in this special case. In general, three antennas are also sufficient for a two-dimensional position determination.
  • a localization signal transmitted by the transponder 110c is used according to the invention.
  • this localization signal is used in order to distinguish this localization signal from the carrier signal of the read / write device 100, it is necessary to make it distinguishable from the carrier signal either in the time or in the frequency domain, as will be explained in more detail below with reference to FIGS.
  • Fig. 2 shows an inventive device for providing information about an object location at which an object provided with a passive RFID transponder is located.
  • the device 200 is for this purpose coupled to a plurality of antennas 102a-d.
  • the device 200 has a receiving device 210 for obtaining its own phase information of a signal for each of the antennas 102a-d.
  • the receiving device 210 is coupled to a combination device 220 for combining the phase information of the received signals.
  • the combination device 220 is furthermore connected to a location determination device 230 for calculating the information about the object location.
  • radio signals of a transponder to be located can be received via the receiving antennas 102a to 102d.
  • the different received signals of the localization antennas 102a-d have different transit times and thus different phase positions relative to one another.
  • the received signals can be processed in the receiving device 210 such that the relative phase angles of the received signals of the localization antennas 102a-d can subsequently be determined in the combination device 220.
  • the receiving device 210 may have, for example, a reception filter, an amplifier and / or a demodulator.
  • the receiving device 210 of the device 200 may receive a localization signal of the transponder when the read / write device interrupts its carrier signal periodically, as will be explained in greater detail below with reference to FIG.
  • a localization signal Si oc (t) sent by the transponder 110c to be located is used.
  • the localization signal si oc (t) may correspond to the carrier signal s c (t), for example, or the localization signal may be modulated onto the carrier signal.
  • Part (a) of FIG. 3 shows a carrier signal s c (t) periodically interrupted by the read / write device. While the read / write device transmits in the periods to to ti, t 2 to t 3 and t 4 to ts respectively, the transponder 110c transmits the localization signal si oc (t) in the periods ti to t 2 and t3 to t 4 , etc.
  • This localization signal si oc (t) may be a signal with or without modulation.
  • a first received signal ri (t) is received in the time intervals in which the localization signal si oc (t) is transmitted by the transponder 110.
  • a second receiving antenna, for example 102b which is coupled to receiving device 210 of device 200, a received signal r 2 (t), which is shifted in time or phase relative to the received signal r x (t), is received due to a different distance from transponder 110c , This relationship is shown in parts (b) and (c) of FIG. 3.
  • the unmodulated localization signal Si oc (t) is received at the first receiving antenna 102a at times ti and t 3 and t 5 , it becomes at the second receiving antenna 102b at times ti + ⁇ t, t 3 + ⁇ t ts +, respectively ⁇ t received.
  • the reception nale ri (t) and r 2 (t) can be forwarded by the receiving device 210 after a filtering and after amplification directly, ie without demodulation, to the combination device 220 to a relative phase ⁇ of the two received signals ri (t) and r 2 (t).
  • the combination device 220 can have, for example, a phase detector.
  • the transponder 110c to be localized can generate, for example by sideband modulation or an oscillator, a sideband different from the incident carrier signal s c (t) from the frequency f c .
  • This relationship is shown in FIG.
  • This sideband signal can then be isolated in the receiver 210 from the carrier signal s c (t), and the transponder position is calculated from the relative phase angles of the sideband received and demodulated by the various antennas 102a-d.
  • the receiving device 210 may comprise, for example, a mixer for mixing a received signal of an antenna with the carrier signal s c (t) and a filter for selecting the desired mixed product.
  • the read / write device Since a continuous power supply of the transponder 110c to be localized should be ensured throughout, the read / write device generates, for example, a permanent electromagnetic field. Due to the fact that the field strength of the electromagnetic field decreases quadratically with the distance from read / write device 100 to transponder 110c and this distance must be traveled in both directions - from read / write device 100 to transponder 110c and back - the electromagnetic field should be right be powerful.
  • the carrier power to the read-write device 100 would overshadow all the answers of the transponder 110c and thus also make the localization signal unreadable.
  • a UHF transponder 110c can not respond with the carrier frequency f c , but in a sideband.
  • the transponder 110c having a frequency of, for example, fi oc modulates the carrier signal, it generates sidebands fi oc below and above the carrier signal s c (t) lie. These can be evaluated by blanking the carrier signal s c (t) in the receiving device 210 of the device 200 for providing information about an object location.
  • the object position can be calculated via the relative phase angles of one of the sidebands received by the different antennas 102a-d.
  • the localization signal is a harmonic signal generated by the transponder 110c, for example a rectangular or sinusoidal signal which is modulated onto the irradiated carrier signal s c (t).
  • the receiving device 210 may include a filter, an amplifier, and a demodulator to receive the localization signal Si oc (t).
  • the localization signal si oc (t) is for example a PRBS signal, which is modulated onto the irradiated carrier signal s c (t).
  • a PRBS signal can be generated by the transponder 110c, for example with a feedback shift register as shown in FIG.
  • FIG. 5 shows an m-stage, feedback shift register 500, wherein output signals of a plurality of shift register stages, of which only two are provided with the reference symbols 502a and 502b for the sake of clarity, are added to a modulo-2 adder 510 and applied to an input of the Shift register 500 are returned.
  • the shift register 500 Via a connection 520, the shift register 500 is supplied with a clock signal Sc k (t).
  • a minimum number of feedback branches is two, wherein the shift register stage m must be included in principle.
  • the clock signal s c ik (t) has a clock frequency f c i k .
  • m sequences are so-called m sequences.
  • the transponder position can then be calculated by the location determining device 230, which may be a computer or PC, for example, via the relative phase angles of the modulation signal or the PRBS signal si oc (t) of the different receiving antennas determined by the combination device 220.
  • the relative phase angles of the modulation or localization signal can be obtained, for example, by a cross-correlation of time-shifted localization signals.
  • PRBS signals which are generated by means of m-stage, feedback shift registers
  • this can be achieved particularly easily by, for example, driving a second, identical shift register with a frequency-shifted or phase-shifted clock signal S 0 Ik (t).
  • S 0 Ik (t) a frequency-shifted or phase-shifted clock signal
  • FIGS. 2 to 5 an apparatus for providing information about an object location according to an embodiment of the present invention, will now be described with reference to FIG Transponders 110 according to an embodiment of the present invention for use in localization will be described.
  • FIG. 6 shows a transponder 110 according to an exemplary embodiment of the present invention, which has a receiver 600 which is coupled to an evaluator 610 for evaluating a received signal. Furthermore, the transponder 110 has a signal generator 620, which is likewise coupled to the evaluator 610.
  • the receiver 600 for receiving a received signal has, for example, a parallel resonant circuit consisting of a coil and a capacitor.
  • An electromagnetic field of the read / write device 100 may generate a voltage in the coil of the receiver 600. This can be rectified and used for voltage or power supply of the passive transponder 110.
  • the evaluator 610 may include a microcontroller to determine if the passive transponder 110 is identified.
  • the receiver 600 can furthermore have a device for demodulating identification sequences sent by the read / write device 100 and making them available to the evaluator 610.
  • the evaluator 610 detects an identification of the transponder 110, it activates, for example, the signal generator 620 for generating the localization signal Si oc (t), which has a periodic signal component, as described above with reference to FIGS already described.
  • the signal generator 620 may have, for example, a local oscillator in order to be able to generate a sideband different from the carrier signal in a frequency.
  • the signal generator 620 may comprise, for example, a PLL (Phase Locked Loop) in order to generate a localization signal corresponding to the carrier signal.
  • the signal generator 620 according to an embodiment of the present invention may include a feedback shift register for generating a PRBS signal.
  • a period Ti oc of the localization signal Si oc (t) depends inter alia on the measurement area defined by the localization antennas 102a-d. Typically, distances between the localization antennas 102a-d coupled to the random access reader 100 and transponders to be located will not exceed 10 meters.
  • period durations Ti oc should be selected below 16.67 ns, which corresponds to a frequency fi oc of the localization signal Sio c (t) greater than 6 MHz.
  • a required accuracy flows into the selection of the period Ti oc of the localization signal.
  • an environment can be checked by, for example, switching a localization antenna in turn as the transmitting antenna and registering, storing and evaluating the corresponding reception patterns of the remaining localization antennas.
  • Electromagnetic waves pass through many materials (e.g., cardboard, wood, plastics) that are commonly used in logistics. However, they are partially dampened. Thus, in many cases, a direct signal propagation without line of sight is possible, which does not work, for example, with optical reading.
  • RFID systems according to embodiments of the present invention for spatially resolving object localization, referred to below as RFOL (Radio Frequency Object Localization), will be described.
  • 7 shows a schematic block diagram of an RFOL system for a frequency range around 868 MHz (UHF) in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a UHF RFID transponder 110 having a local oscillator 620. Further, Fig. 7 shows a modified according to the invention read-write device or a transmitting / receiving device 100 for providing information about the location of the UHF transponder 110.
  • the transmitting / receiving device 100 has a PC 230, which via an interface Sl with an RFOL control unit 700 is coupled.
  • the RFOL control unit 700 is further connected to a conventional UHF read-write device 10.
  • the RFOL control unit 700 has a control line for controlling a local oscillator 710.
  • the local oscillator 710 is connected to an optical waveguide coupling module 720 and an input of a phase detector 220.
  • the optical waveguide coupling module 720 is connected via an optical waveguide to an optical waveguide decoupling module 730, which is coupled on the output side to a transmitting front-end module 740.
  • the transmit front-end module 740 is further connected to a localization antenna 102. Furthermore, the transmit front-end module 740 is coupled to the conventional UHF read-write device 10.
  • the transmitting / receiving device 100 further has a receiving device 210, which is connected to a demodulator 750 and a further optical fiber coupling module 760.
  • the optical waveguide coupling-in module 760 is coupled via an optical waveguide to an optical waveguide outcoupling module 770, which on the output side is further connected to an intermediate frequency reprocessing module 780.
  • An output of the intermediate frequency conditioning module 780 is connected to an input of the phase detector 220.
  • An RFOL antenna unit 790 which comprises the optical waveguide decoupling module 730, the transmission front end module 740, the reception device 210, the demodulator 750 and the optical waveguide coupling module 760, in the UHF RFID system illustrated in FIG. used to receive n receive signals from the UHF is used to obtain n receive signals of the UHF transponder 110.
  • the phase detector 220 has n inputs to provide, at an output n-1, phase values corresponding to the relative phase angles of the received signals to the RFOL controller 700.
  • the RFOL controller 700 may service the interface Sl to the PC 230.
  • the PC 230 serves as a host.
  • the interface S1 can be, for example, an Ethernet interface.
  • a sequence of the localization of the transponder 110 can be initiated.
  • the RFOL control unit 700 processes all steps of the localization procedure according to the invention and supplies the n-1 output values of the phase detector 220 to S 1.
  • the PC 230 can also retrieve each step of the inventive approach to localization via the interface Sl.
  • the RFOL control unit 700 serves an interface to the conventional read / write device 10. This interface can be used to connect both an HF and a UHF read / write device. A physical basis of the interface can be, for example, RS232 or Ethernet. In the RFOL control unit 700, for example, "ID read” (group support bulk read), "user data write” and “read”, "field on and off” commands can be implemented. To operate the phase detector 220, commands to start and stop the phase detector and to read the results from various memory areas may be implemented.
  • the RFOL control unit 700 controls the n antenna units 790.
  • a switch between reception and calibration mode and a readout of an AGC setting of the reception device 210 may count.
  • calibration mode for example, alternately one of the n Antenna units 790 operated as a transmitter, which run times can be determined to and within the n receive paths.
  • the RFOL control unit 700 can switch on the local oscillator 710 via a control line, which has, for example, an oscillation signal with a frequency of 20 MHz at its output.
  • This signal is forwarded to the transmission front end module 740 via the optical waveguide coupling module 720, the optical waveguide and the optical waveguide decoupling module 730.
  • the local oscillator signal can be mixed with the carrier signal of the conventional read / write device 10 and transmitted via the antenna 102.
  • the signal emitted by the antenna 102 corresponds to a signal generated by the UHF transponder 110.
  • the UHF transponder 110 generates with the oscillator 620 a sinusoidal signal which is different in frequency from the irradiated carrier signal and modulates this, for example by means of load modulation, onto the carrier signal.
  • This sinusoidal signal is isolated from the 868 MHz carrier signal in the receiving device 210 and the demodulator 750 of the transceiver 100, and the transponder position is finally calculated by means of the phase detector 220 via the relative phase angles of the received sideband or sine signal.
  • FIG 8 shows a schematic block diagram of an RFOL system for a frequency range around 13.56 MHz (HF) according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitting / receiving device 100 has a PC 230, which has an interface Sl with an RFOL control unit 700 is coupled.
  • the RFOL control unit 700 is further provided with a nem conventional RF read-write device 10 interconnected.
  • the RFOL controller 700 includes a control line for controlling a transmit front-end module 740.
  • the RF read-write device 10 is connected to an optical waveguide coupling module 720 and an input of a phase detector 220.
  • the optical waveguide coupling module 720 is connected via an optical waveguide to an optical waveguide decoupling module 730, which is coupled on the output side to the transmitting front-end module 740.
  • the transmit front-end module 740 is further connected to a localization antenna 102.
  • the transmitting / receiving device 100 further has a receiving device 210, which is connected to a further optical fiber coupling module 760.
  • the optical waveguide coupling module 760 is coupled via an optical waveguide to an optical waveguide decoupling module 770, which is also connected on the output side to a high-frequency processing module 880.
  • An output of the radio frequency conditioning module 880 is connected to an input of the phase detector 220.
  • An RFOL RF antenna unit 890 which comprises the optical fiber coupling-out module 730, the transmission front end module 740, the reception device 210 and the optical fiber coupling module 760, is n-shaped in the case of the HF RFID system illustrated in FIG used to receive n Empfangssig- signals of the RF transponder 110. Accordingly, the phase detector 220 has n inputs to provide phase values corresponding to the relative phase angles to the RFOL controller 700 at an output n-1.
  • the RFOL control unit 700 controls the n RF antenna units 890.
  • one of the n RF antenna units 890 is alternately operated as a transmitter, whereby transit times to and within the n reception paths can be determined.
  • the RFOL control unit 700 can switch on the measuring transmitter 740 via a control line in order to receive an RF signal with a frequency of 13.56 MHz of the conventional RF read-write device 10 send.
  • This signal is forwarded via the optical waveguide coupling module 720, the optical waveguide and the optical waveguide decoupling module 730 to the transmission front end module 740.
  • the signal emitted by the antenna 102 corresponds to a signal generated by the RF RFID transponder 110.
  • the RF RFID transponder 110 may emit an unmodulated carrier signal for a certain duration upon receipt of a write command from the RF read / write device 10.
  • VCO Voltage Controlled Oscillator
  • ADC Analog-Digital Converter
  • Objects to be located are made available on unmixed pallets. For example, a robot grabs one of these objects. For this, however, the exact position and orientation of this object must be known.
  • Another application is, for example, in the so-called "handle in the box.”
  • the objects to be gripped lie in disorder in a box and are to be gripped, for example, in a further step with other objects to be mounted Application for example in the localization and gripping of objects by a household robot.
  • the inventive scheme can also be implemented in software.
  • the implementation can take place on a digital storage medium, in particular a floppy disk or a CD with electronically readable control signals, which can interact with a programmable computer system and / or microcontroller such that the corresponding method is carried out.
  • the invention thus also consists in a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention, when the computer program product runs on a computer and / or microcontroller.
  • the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer and / or microcontroller.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich eine Objekt, das mit einem passiven Transponder (110) versehen ist, befindet, wobei sich der Ort in einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen (102) befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit einer Empfangseinrichtung (210) zum Erhalten einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede Antenne(102), wobei die Phaseninformation auf eine Phase eines Signalanteils in einem Antennensignal hinweist, den der passive Transponder (110) als Reaktion auf eine Lokalisationsaktivierung erzeugt hat, einer Kombinationseinrichtung (220) zum Kombinieren der Phaseninformationen der Empfangssignale, um relative Phasenlagen der Empfangssignale zu erhalten und einer Ortsbestimmungseinrichtung (230) zum Berechnen der Information über den Objekt-Ort aus den relativen Phasenlagen.

Description

Konzept zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders in einem Funksystem
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders in einem Funksystem, insbesondere in einem RFID-System (RFID = Radio Frequency Identification) .
Eine Vielzahl von Aufgaben, wie beispielsweise Auffinden von Objekten in einem oder mehreren Regalen, Kommissionie- ren durch Industrieroboter, Hol- und Bringdienste von Ser- vicerobotern oder eine Verfolgung von Objekten im Material- fluss, setzt eine Kenntnis von Position und Orientierung von den Objekten voraus. Für die Objektidentifikation gelangt die RFID-Technologie aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in zunehmenden Maße zum Einsatz.
Bei RFID handelt es sich um ein funkbasiertes, kontaktloses Identifikationsverfahren. RFID-Systeme arbeiten grundsätzlich in vier unterschiedlichen Frequenzbereichen. Niedrig- (LF - Low Frequency; 30 kHz - 600 kHz), Hoch- (HF - High Frequency, bzw. RF - Radio Frequency; 3 MHz - 30 MHz), Ultrahoch- (UHF - Ultra High Frequency; 600 MHz - 2,5 GHz) und Mikrowellenfrequenz (> 2,5 GHz).
Die RFID-Technologie ist bisher nicht geeignet, Objekte hinsichtlich ihrer Lage ortsauflösend, d.h. mit einer Genauigkeit von beispielsweise wenigen Millimetern, zu lokalisieren. Der Vorteil von RFID-Systemen zum Beispiel gegenüber Barcodesystemen ist unter anderem eine deutlich höhere Datenkapazität, Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse wie Verschmutzung, eine deutlich höhere Reichweite und eine Möglichkeit, viele RFID-Transponder gleichzeitig auszulesen. Ein RFID-Transponder ist dabei das eigentliche Etikett, welches die Information z.B. einer Ware trägt und mit einem stationären oder mobilen Schreib-Lesegerät bzw. einer Sende-/Empfangsvorrichtung kommuniziert. Diese Kommunikation erlaubt je nach Systemaufbau das Lesen und Beschreiben des RFID-Transponders, wodurch eine zusätzliche Flexibili- tat eines RFID-Systems gegeben ist. Beispielsweise ist eine nachträgliche Änderungen von Produktdaten somit einfach möglich. Ein weiterer Vorteil von RFID-Systemen ist die Möglichkeit, passive RFID-Transponder einzusetzen, d.h. Transponder, die ohne eigene Energieversorgung auskommen und daher entsprechend kompakt aufgebaut werden können. Die Erweiterung der RFID-Technologie um die Fähigkeit der ortsauflösenden Objektlokalisation kann eine Vielzahl an neuen Anwendungen beispielsweise für die Handhabungstechnik ermöglichen.
Beim Einsatz von RFID-Transpondern zur Lokalisation von Objekten wird zwischen identifizierenden und ortsauflösenden Verfahren unterschieden.
Bei identifizierenden Verfahren wird lediglich die Anwesenheit eines RFID-Transponders erfasst. Die Genauigkeit dieses Verfahrens entspricht damit einem Empfangsbereich des Schreib-Lesegeräts bzw. der mit dem Schreib-Lesegerät gekoppelten Antennen. Solche Verfahren werden beispielsweise zur Verfolgung von Produkten in Logistikprozessen verwendet. Für Handhabungsprozesse sind sie jedoch nicht geeignet.
Für ortsauflösende Verfahren, bei denen eine relativ exakte Position eines RFID-Transponders im Raum ermittelt wird, werden bisher batteriebetriebene Transponder verwendet. Aus Kostengründen und aufgrund der Baugröße werden diese jedoch nur in Einzelfällen eingesetzt. Zudem eignen sich diese Verfahren nur für große Reichweiten bzw. Entfernungen und erreichen nicht die für die Handhabungstechnik benötigte Genauigkeit. Batteriebetriebene RFID-Transponder zur Lokalisierung werden nur im geringen Umfang eingesetzt, weil sie sehr teuer sind und eine komplette Infrastruktur benö- tigen. In der Regel werden sie auch nur zum Zweck der Lokalisation eingesetzt und verbleiben nur temporär an einem zu lokalisierenden Objekt.
Andere verfügbare Lokalisationsverfahren basieren zumeist auf Auswertesystemen mit optischen 2-D- oder 3-D-Sensoren, die jedoch einigen Grenzen unterliegen. Zu nennen sind hier insbesondere hohe Investitions- und Wartungskosten, Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen (z.B. Staub, in- stabile Lichtverhältnisse) und der Aufwand zur Anpassung der Auswertealgorithmen an die zu lokalisierenden Objekte („Einlernen") .
Fig. 9 zeigt einen typischen Aufbau eines RFID-Systems. Solch ein System besteht typischerweise aus einem oder mehreren Lesegeräten bzw. Sende-/Empfangsvorrichtungen 10 und einer Vielzahl von Transpondern 11. Sowohl das Lesegerät 10 als auch der Transponder 11 besitzen jeweils eine Antenne 12, 13, die maßgeblich eine Reichweite der Kommunikation zwischen Lesegerät 10 und Transponder 11 beeinflusst. Gelangt der Transponder 11 in die Nähe der Antenne 12 des Lesegeräts 10, so tauschen beide (Transponder und Lesegerät) Daten aus. Das Lesegerät 10 überträgt neben den Daten auch Energie zum Transponder 11. Im Innern des Transponders 11 befindet sich dafür eine Antennenspule, die beispielsweise als Rahmen- oder Ferritantenne ausgeführt ist. Zum Betrieb des Transponders 11 erzeugt das Lesegerät 10 zunächst mittels seiner Antenne 12 ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld. Die Antenne 12 umfasst ebenfalls eine großflä- chige Spule mit mehreren Windungen. Hält man nun den Transponder 11 in die Nähe der Lesegerätantenne 12, so erzeugt das Feld des Lesegeräts eine Induktionsspannung in der Spule des Transponders 11. Diese Induktionsspannung wird gleich gerichtet und dient zur Spannungsversorgung des Transponders 11. Parallel zu einer Induktivität der Transponderspule ist im Allgemeinen eine Kapazität geschaltet. So entsteht ein Parallelschwingkreis. Die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises entspricht der Sendefrequenz des RFID-Systems. Gleichzeitig wird auch die Antennenspule des Lesegeräts 10 durch einen zusätzlichen Kondensator in Reihen- oder Parallelschaltung in eine Resonanz gebracht.
Aus der, in dem Transponder 11 induzierten Wechselspannung wird zusätzlich eine Taktfrequenz abgeleitet, welche einen Speicherchip oder einen Mikroprozessor des Transponders 11 dann als Systemtakt zur Verfügung steht. Die Datenübertragung vom Lesegerät 10 zum Transponder 11 erfolgt im ein- fachsten Fall durch eine sog. Amplitudentastung (ASK = Amplitude Shift Keying) , bei der das hochfrequente magnetische Wechselfeld ein- und ausgeschaltet wird. Die umgekehrte Datenübertragung vom Transponder 11 zum Lesegerät 10, nutzt die Eigenschaften der transformatorischen Kopplung zwischen der Lesegerätantenne 12 und der Transponderantenne 13 aus. Dabei stellt die Lesegerätantenne 12 eine primäre Spule und die Transponderantenne 13 eine sekundäre Spule eines aus Lesegerätantenne und Transponderantenne gebildeten Transformators .
Dieses Prinzip funktioniert nur im Nachfeld der Lesegerätantenne 12, wobei hier bekanntlich der Betrag der Feldstärke im Bezug auf den Abstand des Transponders 11 zum Lesegerät 10 eine l/r3-Abhängigkeit aufweist (r = Radius) . Be- lastet man nun die Antenne 13 des Transponders 11 unterschiedlich, beispielsweise durch ein Ein- und Ausschalten eines zusätzlichen Lastwiderstandes im Transponder 11 im Takt der zu übertragenden Daten, ändert sich eine Rückwirkung des sekundärseitigen Transponderschwingkreises auf die primäre Lesegerätantenne 12. Diese Änderung kann am Lesegerät 10 detektiert werden. Dieses Verfahren der Modulation mittels eines Umschaltens einer Last im Transpon- derschwingkreis nennt man Lastmodulation. Sie ist die Basis der Datenübertragung vom Transponder 11 zum Lesegerät 10. Zur Datenübertragung vom Lesegerät 10 zum Transponder 11 wird die Antenne 12 des Lesegeräts 10 im Takt der Daten abgeschaltet. Dies führt ebenfalls zum Abfall der Spannung am Transponder. Da dieses Abschalten aber nur für einen kurzen Zeitraum erfolgt, führt es lediglich zu einem kurzen Zeitraum erfolgt, führt es lediglich zu einem kurzen Spannungsabfall am Transponder 11, die Energieversorgung bleibt jedoch weiterhin gewährleistet.
Befindet sich der Transponder 11 im Fernfeld der Lesegerätantenne 12 (Abstand größer als λ/(2π), λ = Wellenlänge), ist eine transformatorische Kopplung ausgeschlossen. Dies trifft für viele RFID-Systeme ab einer Trägerfrequenz von etwa 433 MHz zu. Insbesondere dann, wenn größere Entfernun- gen (> Im) zwischen Transponder 11 und Lesegerät 10 überbrückt werden sollen. Dabei werden derzeit gerade für größere Reichweiten aktive oder halbaktive Transponder eingesetzt, da ab etwa 8 m Entfernung vom Lesegerät 10 die vom Lesegerät abgestrahlte Energie nicht mehr zur Versorgung des Transponders 11 ausreicht. Eine Batterie sorgt dabei lediglich für eine Energieversorgung der Schaltkreise in einem halbaktiven Transponder und wird nicht zur eigentlichen Datenübertragung eingesetzt. Die Datenübertragung basiert auf folgendem Prinzip. Materie bzw. Objekte, die grö- ßer als die halbe Wellenlänge der vom Schreib-Lesegerät 10 ausgestrahlten elektromagnetischen Welle sind, reflektieren diese elektromagnetische Welle. Diese Reflexion ist insbesondere dann ausgeprägt, wenn sich ein Objekt in Resonanz zur ausgestrahlten elektromagnetischen Welle befindet. Die Fähigkeit der Reflexion durch die Transponderantenne 13 wird als Rückstrahlquerschnitt bezeichnet. Schaltet man nun eine Last an der Transponderantenne 13 um, moduliert man diesen Rückstrahlquerschnitt. Dieses reflektierte und modulierte Signal kann nun am Lesegerät 10 beispielsweise mittels eines Richtkopplers vom ausgesendeten Signal getrennt und demoduliert werden.
Wie bereits beschrieben, basieren derzeitige Lokalisations- verfahren für die Handhabungstechnik zumeinst auf optischen 2-D- oder 3-D-Sensoren mit einem Auswertesystem, oder sie basieren auf dem Einsatz von batteriebetriebenen, d.h. aktiven Transpondern. Solche Lokalisationsverfahren ziehen hohe Investitions- und Wartungskosten, Empfindlichkeit ge- genüber Umweltbedingungen und einen großen Aufwand zur Anpassung der Auswertealgorithmen nach sich. Die Anforderungen an Systeme zur Lokalisation von Objekten werden von diesen Verfahren in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Robust- heit, Taktzeit und Objektunabhängigkeit für eine Vielzahl von Aufgaben der Handhabungstechnik nicht erfüllt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Konzept zur Lokalisierung von Objekten bzw. passiven RFID-Transpondern zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, einen Transponder gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren gemäß Anspruch 18 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Position, Richtung und/oder Bewegung eines passiven Transponders bestimmt werden kann, indem ein Messareal durch eine Mehrzahl von Lesegerätantennen definiert wird, in deren Empfangsbereich sich der passive Transponder bzw. ein Objekt, an dem der passive Transponder angebracht ist, befindet. Ein Schreib-Lesegerät aktiviert und identifiziert dazu beispielsweise den zu lokalisierenden RFID-Transponder und veranlasst, dass der zu lokalisierende RFID-Transponder beginnt, ein sogenanntes Lokalisationssignal zu senden. Das Lokalisationssignal erzeugt der zu lokalisierende Transponder beispielsweise selbst oder er reflektiert ein vom Schreib-Lesegerät eingestrahltes Trägersignal mit Aufmodulation des Lokalisationssignals beispielsweise durch Last- modulation oder durch Backscattering. Dabei ist das Lokalisationssignal ein periodisches Signal. Die verschiedenen Lesegerätantennen bzw. Lokalisationsantennen, deren Antennenpositionen im Raum bekannt sind, empfangen die Funksignale des passiven Transponders und führen sie einem sog. Lokalisationsempfänger zur Aufbereitung bzw. Regeneration des Lokalisationssignals zu. Der Lokalisationsempfänger kann beispielsweise teil des Schreib-Lesegeräts sein. Erfindungsgemäß werden dort Laufzeiten, Laufzeitdifferenzen, Intensitäten und gegebenenfalls Richtungen des Lokalisati- onssignals bzgl. der einzelnen Lokalisationsantennen bestimmt. Aus diesen Informationen kann beispielsweise ein Rechner den Ort des Transponders bzw. des Objekts an dem der Transponder befestigt ist bestimmen. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist eine primäre Größe bei der Auswertung eine Laufzeitdifferenz, die aus den verschiedenen Empfangssignalen der Lokalisationsantennen gewonnen werden kann. Intensität und Richtung der Empfangs- Signale können beispielsweise für eine Plausibilitätsprü- fung mit einbezogen werden.
Zur Bestimmung der relativen Laufzeiten der Empfangssignale der verschiedenen Lokalisationsantennen wird erfindungsge- maß das von dem Transponder gesendete Lokalisationssignal herangezogen. Um dieses Signal von dem Trägersignal des Schreib-Lesegeräts zu unterscheiden können, ist es notwendig, es entweder im Zeit- oder im Frequenzbereich von dem Trägersignal unterscheidbar zu machen.
Diese Unterscheidung wird bei einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass das Schreib- Lese-Gerät sein Trägersignal periodisch unterbricht. In den Pausen sendet der Transponder das Lokalisationssignal. Die- ses kann ein Signal mit oder ohne Modulation (z.B. PM, FM, AM oder Varianten) sein. In dem Lokalisationsempfänger zum Erhalten einer geeigneten Phaseninformation des Empfangssignals für jede Lokalisationsantenne findet dabei keine Demodulation des Lokalisationssignals statt. Das Signal wird nach Filterung und Verstärkung direkt ausgewertet, in dem die Phasenlage der Signale zueinander bestimmt wird.
Eine Positionsbestimmung des passiven Transponders kann nun gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung da- durch erreicht werden, dass der Transponder ein vom eingestrahlten Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Signal erzeugt. Das Seitenband entsteht beispielsweise durch Mischung des zu übertragenden Lokalisationssignals in den Hochfrequenzbereich. Das Seitenband-Signal weist somit die gleiche Bandbreite und Amplitudenstatistik auf wie das modulierende Lokalisationssignals. Das Seitenband-Signal kann in dem Lokalisationsempfänger von dem Trägersignal isoliert werden, und anschließend die Transponderposition über die relativen Phasenlagen des an den verschiedenen Lokalisati- onsantennen empfangenen Seitenband-Signals berechnet werden.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Positionsbestimmung des passiven Transponders dadurch erreicht werden, dass der Transponder ein harmonisches Signal (beispielsweise ein Rechteck oder Sinus) auf das eingestrahlte Trägersignal aufmoduliert. In einer Signalaufbe- reitung des Lokalisationsempfängers findet schließlich eine Filterung, Verstärkung und Demodulation statt. Die Position des Transponders kann anschließend über die relativen Phasenlagen des an den verschiedenen Lokalisationsantennen empfangenen Modulationssignals berechnet werden. Das Loka- lisationssignal ist dabei ein von dem Transponder erzeugtes Pseudo-Random-Bit-Sequence-Signal (PRBS), das auf das eingestrahlte Trägersignal aufmoduliert wird. Beispielsweise durch eine Kreuzkorrelation mit frequenzverschobenen PRBS- Signalen in der Signalaufbereitung des Lokalisationsempfän- gers können die Laufzeitdifferenzen und damit der Ort des RFID-Transponders ermittelt werden.
Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass herkömmliche RFID-Transponder eingesetzt werden können. Lediglich ein Mikrochip des RFID- Transponders kann erfindungsgemäß modifiziert werden, um das Lokalisationssignal zu erzeugen. Damit besteht mit dem erfindungsgemäßen Konzept neben der Möglichkeit der reinen Identifizierung eines mit einer Sende-/Empfangsvorrichtung gekoppelten Transponders zusätzlich die Möglichkeit zur Positionsbestimmung, zur Bestimmung einer Orientierung und die Möglichkeit zur Bestimmung einer Bewegung des passiven Transponders. Dabei ist es möglich, lediglich die Sende- Empfangsvorrichtung bzw. das Schreib-Lesegerät entsprechend zu modifizieren, so dass zur Lokalisierung herkömmliche RFID-Transponder verwendet werden können.
Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass bei einer Positionsbestimmung eines RFID-Transponders bzw. eines mit einem RFID- Transponder versehenen Objektes nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise keine Sichtverbindung zwischen den Lokalisa- tionsantennen und dem Transponder notwendig ist.
Weiterhin bietet das erfindungsgemäße Konzept die Möglichkeit für neue Serviceleistungen und dadurch eine Grundlage für die Entstehung neuer Anwendungsbereiche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen RFID-Systems zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Lokalisation eines Objekt-Ortes, an dem sich ein Objekt, das mit einem passiven Transponder versehen ist, befindet;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Liefern einer Information über ein Objekt-Ort gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Lokalisati- onssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines einseiten- bandmodulierten Lokalisationssignals im Frequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 eine schematische Darstellung eines rückgekoppelten Schieberegisters zur Erzeugung frequenzverschobener Pseudo-Random-Bit-Sequenzen als Lokali- sationssignale gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 schematische Darstellung eines passiven Transpon- ders zur Verwendung zur Lokalisierung eines Or- tes, an dem sich ein Objekt befindet, an dem der passive Transponder angebracht ist, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein schematischen Blockschaltbild eines UHF-RFID- Systems zur Positionsbestimmung eines passiven
UHF-Transponders im UHF-Frequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ein schematischen Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen HF-RFID-Systems zur Positionsbestimmung eines passiven HF-Transponders im HF- Frequenzbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 einen typischen Aufbau eines konventionellen RFID-Systems.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleich oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, in den nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander aus- tauschbar sind. Im nachfolgenden wird der Begriff „Signal für Ströme oder Spannungen gleichermaßen verwendet, es sei denn, es ist explizit etwas anderes angegeben.
Fig. 1 zeigt einen exemplarischen Aufbau eines RFID-Systems zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Solch ein System besteht wenigstens aus einem Schreib-Lesegerät bzw. einer Sende-/Empfangsvorrichtung 100 und aus einem o- der einer Mehrzahl von zu lokalisierenden Transpondern llOa-c. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 100 ist dazu mit einer Mehrzahl von Lokalisationsantennen 102a-d gekoppelt.
Die Transponder 110a-c befinden sich jeweils an Orten in einem Empfangsbereich der Lokalisationsantennen 102a-d, die an verschiedenen bekannten Antennenpositionen angeordnet sind. Ein Messareal wird also durch die Antennen 102a-d definiert, zwischen in dem sich ein zu lokalisierender RFID- Transponder 110c befindet. Das Schreib-Lesegerät 100 akti- viert und identifiziert die RFID-Transponder 110a bis 110c und veranlasst, dass nur der zu lokalisierende RFID- Transponder 110c beginnt, das Lokalisationssignal bzw. eine Lokalisationssequenz zu senden. Wie es im Nachfolgenden noch näher beschrieben wird, erzeugt der zu lokalisierende Transponder 110c dieses Lokalisationssignal selbst oder er reflektiert ein von dem Schreib-Lesegerät 100 eingestrahltes Trägersignal mit einer Modulation des Trägersignals mit dem Lokalisationssignal, beispielsweise durch Lastmodulation. Dabei ist das Lokalisationssignal ein periodisches Sig- nal.
Die Lokalisationsantennen 102a-d, deren Positionen im Raum bekannt sind, empfangen zeitverschobene Replika des Funksignals des Transponders 110c und führen sie beispielsweise über Lichtwellenleiter oder Koaxialkabel einem in Fig. 1 nicht explizit dargestellten Lokalisationsempfänger zur Aufbereitung bzw. Regeneration des Lokalisationssignals zu. Der Lokalisationsempfänger kann sich beispielsweise in dem Schreib-Lesegerät 100 befinden. In diesem Lokalisationsemp- fänger können Laufzeitdifferenzen, Intensitäten und gegebenenfalls Richtungen der Replika des Lokalisationssignals bestimmt werden. Anhand dieser Informationen kann bei- spielsweise ein nicht gezeigter Rechner den Ort des zu lokalisierenden Transponders 110c bzw. des Objektes, an dem der zu lokalisierende Transponder 110c angebracht ist bestimmen. Dabei ist die primäre Größe bei der Auswertung eine Laufzeitdifferenz, die aus den Empfangssignalen der Antennen 102a-d gewonnen werden kann. Empfangssignalintensität und -richtung können ggf. zusätzlich für eine Plausi- bilitätsprüfung mit einbezogen werden.
Das in Fig. 1 gezeigte RFID-System zur Positionsbestimmung eines passiven Transponders gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt die Fähigkeit einer
Selbstkalibration, indem beispielsweise wechselweise eine der Lokalisationsantennen 102a-d als Sendeantenne betrieben wird, und hierdurch Laufzeiten zu und innerhalb der einzel- nen Empfangspfade ermittelt werden können.
Für eine Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum mittels Auswertung von Signallaufzeitdifferenzen, sind im allgemeinen vier Empfangsantennen notwendig. Mittels der vier von den Empfangsantennen empfangenen Empfangssignale mit unterschiedlichen Phasenlagen können drei unterschiedliche relative Phasenlagen bzw. Laufzeitdifferenzen bezogen auf eines der vier Empfangssignale und damit die drei Ortskoordinaten des zu lokalisierenden Transponders 110c im dreidi- mensionalen Raum ermittelt werden. Ist eine Signallaufzeit des zu lokalisierenden Transponders 110c zu einer der Empfangsantennen bekannt, so sind in diesem speziellen Fall bereits drei Empfangsantennen zur Positionsbestimmung in dem dreidimensionalen Raum ausreichend. Zu einer zweidimen- sionalen Positionsbestimmung genügen im allgemeinen ebenfalls drei Antennen. Zur Bestimmung relativer Signallaufzeiten von dem Transpon- der 110c zu den Antennen 102a-d wird erfindungsgemäß ein von dem Transponder 110c gesendetes Lokalisationssignal herangezogen. Um dieses Lokalisationssignal von dem Träger- signal des Schreib-Lesegeräts 100 zu unterscheiden, ist es notwendig, es entweder im Zeit- oder im Frequenzbereich von dem Trägersignal unterscheidbar zu machen, wie es im Nachfolgenden anhand der Figuren 3 bis 5 noch näher erläutert wird.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich ein Objekt, dass mit einem passiven RFID-Transponder versehen ist, befindet. Die Vorrichtung 200 ist dazu mit einer Mehr- zahl von Antennen 102a-d gekoppelt. Ferner weist die Vorrichtung 200 eine Empfangseinrichtung 210 zum Erhalten einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede der Antennen 102a-d auf. Die Empfangseinrichtung 210 ist aus- gangsseitig mit einer Kombinationseinrichtung 220 zum Kom- binieren der Phaseninformationen der Empfangssignale gekoppelt. Die Kombinationseinrichtung 220 ist weiterhin mit einer Ortsbestimmungseinrichtung 230 zum Berechnen der Information über den Objekt-Ort verschaltet.
Wie im Vorhergehendem bereits beschrieben wurde, können ü- ber die Empfangsantennen 102a bis 102d Funksignale eines zu lokalisierenden Transponders empfangen werden. Durch unterschiedliche Entfernungen der einzelnen Antennen 102a-d zu einem zu lokalisierenden Transponder weisen die verschiede- nen Empfangssignale der Lokalisationsantennen 102a-d unterschiedliche Laufzeiten und damit unterschiedliche Phasenlagen zueinander auf. Die Empfangssignale können in der Empfangseinrichtung 210 derart aufbereitet werden, dass anschließend in der Kombinationseinrichtung 220 die relativen Phasenlagen der Empfangssignale der Lokalisationsantennen 102a-d bestimmbar sind. Dazu kann die Empfangseinrichtung 210 beispielsweise ein Empfangsfilter einen Verstärker und/oder einen Demodulator aufweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Empfangseinrichtung 210 der Vorrichtung 200 ein Lokalisationssignal des Transponders empfangen, wenn das Schreib-Lesegerät sein Trägersignal periodisch unterbricht, wie es nachfolgend anhand von Fig. 3 näher erläutert wird.
Zur Bestimmung der relativen Laufzeiten wird ein von dem zu lokalisierenden Transponder 110c gesendetes Lokalisierungs- signal Sioc(t) herangezogen. Um dieses Signal von dem Trägersignal sc(t) unterscheiden zu können, ist es notwendig, es beispielsweise im Zeitbereich unterscheidbar zu machen. Dabei kann das Lokalisationssignal sioc(t) beispielsweise dem Trägersignal sc(t) entsprechen oder das Lokalisations- signal kann dem Trägersignal aufmoduliert sein.
Teil (a) von Fig. 3 zeigt ein von dem Schreib-Lesegerät periodisch unterbrochenes Trägersignal sc(t). Während das Schreib-Lesegerät jeweils in den Zeiträumen to bis ti, t2 bis t3 und t4 bis ts sendet, sendet der Transponder 110c das Lokalisationssignal sioc(t) in den Zeiträumen ti bis t2 und t3 bis t4 usw. Dieses Lokalisationssignal sioc(t) kann ein Signal mit oder ohne Modulation sein.
An einer ersten Empfangsantenne, z.B. 102a, wird in den Zeitintervallen, in denen das Lokalisationssignal sioc(t) von dem Transponder 110 gesendet wird, ein erstes Empfangssignal ri(t) empfangen. An einer zweiten Empfangsantenne, z.B. 102b, welche mit Empfangseinrichtung 210 der Vorrich- tung 200 gekoppelt ist, wird aufgrund einer unterschiedlichen Entfernung zu dem Transponder 110c ein zu dem Empfangssignal rx(t) zeit- bzw. phasenverschobenes Empfangssignal r2(t) empfangen. Dieser Zusammenhang ist in den Teilen (b) und (c) der Fig. 3 dargestellt. Während das unmodu- lierte Lokalisationssignal Sioc(t) an der ersten Empfangsantenne 102a zu den Zeitpunkten ti und t3 und t5 empfangen wird, wird es an der zweiten Empfangsantenne 102b jeweils zu den Zeiten ti+Δt, t3+Δt ts+Δt empfangen. Die Empfangssig- nale ri(t) und r2(t) können von der Empfangseinrichtung 210 nach einer Filterung und nach einer Verstärkung direkt, d.h. ohne Demodulation, an die Kombinationseinrichtung 220 weitergeleitet werden, um eine relative Phasenlage ΔΦ der beiden Empfangssignale ri(t) und r2(t) zu erhalten. Dazu kann die Kombinationseinrichtung 220 beispielsweise einen Phasendetektor aufweisen.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der zu lokalisierende Transponder 110c z.B. per Einseiten- bandmodulation oder einem Oszillator ein von dem eingestrahlten Trägersignal sc(t) von der Frequenz fc verschiedenes Seitenband erzeugen. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 4 dargestellt. Dieses Seitenband-Signal kann dann in der Empfangseinrichtung 210 von dem Trägersignal sc(t) isoliert werden, und die Transponderposition wird über die relativen Phasenlagen des von den verschiedenen Antennen 102a-d empfangenen und demodulierten Seitenbandes berechnet. Zur Isolation des Seitenbandes kann die Empfangseinrichtung 210 beispielsweise einen Mischer aufweisen, um ein Empfangssignal einer Antenne mit dem Trägersignal sc(t) zu mischen und ein Filter, um das gewünschte Mischprodukt auszuwählen.
Da eine durchgehende Energieversorgung des zu lokalisieren- den Transponders 110c durchgehend gewährleistet sein sollte, erzeugt das Schreib-Lesegerät beispielsweise ein dauerhaftes elektromagnetisches Feld. Aufgrund der Tatsache, dass die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes quadratisch mit der Entfernung von Schreib-Lesegerät 100 zu Transponder 110c abnimmt und diese Entfernung in beide Richtungen - von Schreib-Lesegerät 100 zum Transponder 110c und zurück - zurückgelegt werden muss, sollte das elektromagnetische Feld recht leistungsstark sein. Würde der Transponder 110c auf der Trägerfreqeunz fc antworten, würde die Trägerleistung an dem Schreib-Lese-Gerät 100 sämtliche Antworten des Transponders 110c überstrahlen und damit auch das Lokalisationssignal unlesbar machen. Daher kann beispielsweise ein UHF-Transponder 110c nicht mit der Trägerfrequenz fc antworten, sondern in einem Seitenband. Indem der Transponder 110c mit einer Frequenz von beispielsweise fioc das Trägersignal moduliert, erzeugt er Seitenbänder, welche fioc unterhalb und oberhalb des Trägersignals sc(t) liegen. Diese können durch eine Ausblendung des Trägersignals sc(t) in der Empfangseinrichtung 210 der Vorrichtung 200 zum Liefern einer Information über ein Objekt-Ort ausgewertet werden. Die Objektlage kann schließlich über die relative Phasenlagen eines der von den verschiedenen Antennen 102a-d empfangenen Seitenbänder berechnet werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er- findung ist das Lokalisationssignal ein von dem Transponder 110c erzeugtes harmonisches Signal, beispielsweise ein Rechteck- oder Sinussignal, das auf das eingestrahlte Trägersignal sc(t) aufmoduliert wird. Demzufolge kann bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Emp- fangseinrichtung 210 ein Filter, einen Verstärker und einen Demodulator aufweisen, um das Lokalisationssignal Sioc(t) empfangen zu können. Das Lokalisationssignal sioc(t) ist beispielsweise ein PRBS-Signal, welches auf das eingestrahlte Trägersignal sc(t) aufmoduliert wird. Ein PRBS- Signal kann von dem Transponder 110c beispielsweise mit einem rückgekoppelten Schieberegister gemäß der Darstellung in Fig. 5 erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt ein m-stufiges, rückgekoppeltes Schieberegis- ter 500, wobei Ausgangssignale mehrerer Schieberegisterstufen, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei mit den Bezugszeichen 502a und 502b versehen sind, mit einem Modulo-2-Addierer 510 addiert und auf einen Eingang des Schieberegisters 500 zurückgeführt werden. Über einen An- Schluss 520 wird das Schieberegister 500 mit einem Taktsignal Scik (t) versorgt. Eine minimale Anzahl von Rückkopplungszweigen beträgt dabei zwei, wobei die Schieberegisterstufe m grundsätzlich eingeschlossen sein muss. Das Taktsignal scik(t) weist eine Taktfrequenz fcik auf. Ein so erzeugtes PRBS-Signal Sioc(t) ist periodisch mit einer maximalen Sequenzlänge von lm = 2m-l. Diese maximale Sequenzlänge lm kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn ganz bestimmte Stufen des Schieberegisters rückgeführt werden. Man spricht dann von sog. m- Sequenzen.
In der Empfangseinrichtung 210 der Vorrichtung 200 findet beispielsweise eine Filterung, eine Verstärkung und eine Demodulation des auf das Trägersignal sc(t) aufmodulierten Lokalisationssignals Sioc(t) statt. Die Tranponderposition kann danach von der Ortsbestimmungseinrichtung 230, die beispielsweise ein Rechner bzw. PC sein kann, über die von der Kombinationseinrichtung 220 ermittelten relativen Phasenlagen des Modulationssignals bzw. des PRBS-Signals sioc (t) der verschiedenen Empfangsantennen berechnet werden. Die relativen Phasenlagen des Modulations- bzw. Lokalisationssignals können beispielsweise durch eine Kreuzkorrelation zeitverschobener Lokalisationssignale erhalten werden. In dem Fall von PRBS-Signalen, die mittels m-stufigen, rückgekoppelten Schieberegistern erzeugt werden, kann dies besonders einfach erreicht werden, indem beispielsweise ein zweites, identisch beschaltetes Schieberegister mit einem frequenzverschobenen oder phasenbverschobenen Taktsignal S0Ik (t) angesteuert wird. Man erhält dann eine zyklische, kontinuierliche zeitliche Verschiebung der PRBS-Signale ge- geneinander. Dies kann weit weniger Aufwand als eine steuerbare zeitliche Speicherung und (normalerweise zeitdiskrete) Verzögerung einer Signalfolge im Pico- bis Nanosekun- denbereich bedeuten.
Nachdem im Vorhergehenden anhand der Figuren 2 bis 5 eine Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, soll nun anhand von Fig. 6 ein Transponder 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Verwendung zur Lokalisierung beschrieben werden.
Fig. 6 zeigt einen Transponder 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der einen Empfänger 600 aufweist, der mit einem Auswerter 610 zum Auswerten eines Empfangssignals gekoppelt ist. Ferner weist der Transponder 110 einen Signalgenerator 620 auf, der eben- falls mit dem Auswerter 610 gekoppelt ist.
Der Empfänger 600 zum Empfangen eines Empfangssignals weist beispielsweise einen Parallelschwingkreis bestehend aus einer Spule und einem Kondensator auf. Ein elektromagneti- sches Feld des Schreib-Lesegeräts 100 kann eine Spannung in der Spule des Empfängers 600 erzeugen. Diese kann gleichgerichtet werden und zur Spannungs- bzw. Energieversorgung des passiven Transponders 110 dienen. Der Auswerter 610 kann beispielsweise einen Mikrokontroller aufweisen, um festzustellen, ob der passive Transponder 110 identifiziert ist. Dazu kann der Empfänger 600 ferner eine Einrichtung aufweisen, um von dem Schreib-Lesegerät 100 ausgesendete Identifikationssequenzen zu demodulieren und dem Auswerter 610 zur Verfügung zu stellen. Für den Fall, dass der Aus- werter 610 eine Identifikation des Transponders 110 feststellt, aktiviert er beispielsweise den Signalgenerator 620 zur Erzeugung des Lokalisationssignals Sioc(t), das einen periodischen Signalanteil aufweist, wie es im Vorhergehenden anhand der Fig. 3 - 5 bereits beschrieben wurde. Dabei kann der Signalgenerator 620 beispielsweise ein Lokaloszillator aufweisen, um ein von dem Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Seitenband erzeugen zu können. Ferner kann der Signalgenerator 620 beispielsweise eine PLL (PLL = Phase Locked Loop) umfassen, um ein dem Trägersignal ent- sprechendes Lokalisationssignal zu erzeugen. Ebenso kann der Signalgenerator 620 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein rückgekoppeltes Schieberegister aufweisen, um ein PRBS-Signal erzeugen zu können. Eine Periodendauer Tioc des Lokalisationssignals Sioc(t) hängt unter anderem von dem durch die Lokalisationsantennen 102a-d definierten Messareal ab. Typischerweise werden Ab- stände zwischen den Lokalisationsantennen 102a-d, die mit dem Schreib-Lesegerät 100 gekoppelt sind, und zu lokalisierenden Transpondern nicht größer als 10 Meter. Eine Laufzeit td eines Signals im Freiraum über eine Strecke d = 10m beträgt ca. td = d/c = 33 ns, wobei c die Lichtgeschwindig- keit bedeutet. Durch das Faltungsprinzip in Korrelationsempfängern sollte die Periodendauer Tioc der Lokalisations- signale für eine ungestörte Auswertung die halbe Signallaufzeit, d.h. td/2 = 16.67 ns, nicht überschreiten (Jam- ming zweier Pulse bei einer Faltung) . Somit sollten für das Lokalisationssignal Periodendauern Tioc unter 16.67 ns gewählt werden, was einer Frequenz fioc des Lokalisationssignals Sioc (t) größer als 6 MHz entspricht.
Weiterhin fließt eine geforderte Genauigkeit (Ortsauflö- sung) in die Auswahl der Periodendauer Tioc des Lokalisationssignals ein. Um eine Genauigkeit von beispielsweise einem Zentimeter zu erreichen, sollten Zeitdifferenzen td von 33 Picosekunden (eine Picosekunde = 10~12 Sekunden) gemessen werden können, was einer Phasendifferenz von
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entspricht. Typische Werte für eine Auflösung eines Phasen- analysators bzw. Phasendetektors sind 10 Bit, also 1024 Stufen. Demnach sollte auch hierbei eine Periodendauer Tioc des Lokalisationssignals Sioc(t) von maximal 33 ps * 1024/2 = 16.67 ns gewählt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann für eine Erhöhung des Messbereichs bzw. der Ortsauflösung mit mehreren Lokalisationsfrequenzen fioc des Lokalisationssignals Sioc (t) gearbeitet werden.
Abhängig von den Umgebungsbedingungen ist zu erwarten, dass Sendesignale eines RFID-Transponders nicht nur auf direktem Weg zu einer der mit dem Schreib-Lesegerät gekoppelten Lo- kalisationsantennen gelangen, sondern auch beispielsweise durch Reflexionen zeitverschobene Echos die Lokalisations- antenne erreichen. Eine reine Zeitmessung über Phasenverschiebungen liefert dann fehlerhafte Informationen über den Ort des Transponders . Deterministische Ansätze, z.B. eine Veränderung der Lokalisierungsfrequenzen fioc zur Unterdrückung von Mehrfachwegen, sind wegen der zu geringen, relativen Frequenzänderungen nicht ausreichend. Daher kann für eine Lokalisierungsumgebung erfindungsgemäß ein charakte- ristisches Muster aus Transonderpositionen und den resultierenden Phasenverschiebungen, Intensitäten und Polarisationen (ggf- bei verschiedenen Lokalisierungsfrequenzen) erstellt werden, mit dessen Hilfe eine Verbesserung der Genauigkeit erfolgen kann. Neben einer Grundcharakterisierung eines Aufbaus mit seinen Antennen, Leitungen etc. kann eine Umgebung überprüft werden, indem beispielsweise reihum eine Lokalisationsantenne als Sendeantenne geschaltet wird und die entsprechenden Empfangsmuster der verbleibenden Lokali- sationsantennen registriert, gespeichert und bewertet wer- den.
Bei einer Positionsbestimmung eines RFID-Transponders bzw. mit einem RFID-Transponder versehenen Objektes ist nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise keine Sichtverbindung zwi- sehen den Lokalisationsantennen und dem Transponder notwendig. Elektromagnetische Wellen treten durch viele Materialien hindurch (z.B. Pappe, Holz, Kunststoffe), die in der Logistik häufig verwendet werden. Dabei werden sie jedoch teilweise gedämpft. Somit ist in vielen Fällen eine direkte Signalausbreitung ohne Sichtverbindung möglich, was beispielsweise mit optischen Leseverfahren nicht funktioniert.
Abschließend sollen bezugnehmend auf die Figuren 7 und 8 RFID-Systeme gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zur ortsauflösenden Objektlokalisation, im Folgenden RFOL (RFOL = Radio Frequency Object Localization) genannt, beschrieben werden. Fig. 7 zeigt ein Schematisehes Blockschaltbild eines RFOL- Systems für einen Frequenzbereich um 868 MHz (UHF) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt einen UHF-RFID-Transponder 110, der einen Lokaloszillator 620 aufweist. Ferner zeigt Fig. 7 ein erfindungsgemäß modifiziertes Schreib-Lesgerät bzw. eine Sende- /Empfangsvorrichtung 100 zum Liefern einer Information über den Ort des UHF-Transponders 110. Die Sende- /Empfangsvorrichtung 100 weist einen PC 230 auf, der über eine Schnittstelle Sl mit einer RFOL-Steuereinheit 700 gekoppelt ist. Die RFOL-Steuereinheit 700 ist ferner mit einem herkömmlichen UHF-Schreib-Lesegerät 10 verschaltet. Die RFOL-Steuereinheit 700 weist eine Steuerleitung zum Steuern eines Lokaloszillators 710 auf. Der Lokaloszillator 710 ist mit einem Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720 und einem Eingang eines Phasendetektors 220 verschaltet. Das Licht- wellenleitereinkoppelmodul 720 ist über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730 ver- schaltet, welches ausgangsseitig mit einem Sende-Frontend- Modul 740 gekoppelt ist. Das Sende-Frontend-Modul 740 ist ferner mit einer Lokalistionsantenne 102 verschaltet. Des Weiteren ist das Sende-Frontend-Modul 740 mit dem herkömmlichen UHF-Schreib-Lese-Gerät 10 gekoppelt. Die Sende- /Empfangsvorrichtung 100 weist ferner eine Empfangseinrichtung 210 auf, die mit einem Demodulator 750 und einem weiteren Lichtwellenleiter Einkoppelmodul 760 verschaltet ist. Das Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 ist über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 770 gekoppelt, das ausgangsseitig ferner mit einem Zwischenfrequenz-Aufbereitungsmodul 780 verschaltet ist. Ein Ausgang des Zwischenfrequenz-Aufbereitungsmoduls 780 ist mit einem Eingang des Phasendetektors 220 verbunden. Eine RFOL-Antenneneinheit 790, welche das Lichtwellenleiteraus- koppelmodul 730, das Sendefrontend-Modul 740, die Empfangseinrichtung 210, den Demodulator 750 und das Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 umfasst, wird bei dem in Fig. 7 dargestellten UHF-RFID-System in n-facher Ausführung verwendet, um n Empfangssignale des UHF- wendet, um n Empfangssignale des UHF-Transponders 110 zu erhalten. Dementsprechend weist der Phasendetektor 220 n Eingänge auf, um an einem Ausgang n-1 Phasenwerte, die den relativen Phasenlagen der Empfangssignale entsprechen, für die RFOL-Steuereinheit 700 bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die RFOL-Steuereinheit 700 die Schnittstelle Sl zum PC 230 bedienen. Der PC 230 dient dabei als Host. Die Schnitt- stelle Sl kann beispielsweise eine Ethernet-Schnittstelle sein. Über die Schnittstelle Sl kann ein Ablauf der Lokalisierung des Transponders 110 initiierbar sein. Nach der I- nitiierung arbeitet die RFOL-Steuereinheit 700 sämtliche Schritte der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Lokali- sierung ab und liefert die n-1 Ausgabewerte des Phasendetektors 220 an Sl. Der PC 230 kann zudem jeden einzelnen Schritt der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zur Lokalisierung über die Schnittstelle Sl abrufen.
Weiterhin bedient die RFOL-Steuereinheit 700 eine Schnittstelle zu dem herkömmlichen Schreib-Lesegerät 10. Über diese Schnittstelle kann sowohl ein HF- als auch ein UHF- Schreib-Lesegerät angebunden werden. Eine physikalische Basis der Schnittstelle kann beispielsweise RS232 oder Ether- net sein. In der RFOL-Steuereinheit 700 können beispielsweise Befehle „ID-Lesen" (Pulk-Lesung mit Gruppenunterstützung) , „User-Daten schreiben" und „-Lesen", „Feld ein- und ausschalten" implementiert werden. Um den Phasendetektor 220 zu bedienen, können Befehle zum Starten und Stoppen des Phasendetektors sowie zum Auslesen der Ergebnisse aus verschiedenen Speicherbereichen implementiert werden.
Des weiteren steuert gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die RFOL-Steuereinheit 700 die n Anten- neneinheiten 790. Dazu kann beispielsweise ein Umschalten zwischen Empfangs- und Kalibriermodus und ein Auslesen einer AGC-Einstellung der Empfangseinrichtung 210 zählen. Im Kalibriermodus wird beispielsweise wechselweise eine der n Antenneneinheiten 790 als Sender betrieben, wodurch Laufzeiten zu und innerhalb der n Empfangspfade ermittelt werden können. Dazu kann die RFOL-Steuereinheit 700 über eine Steuerleitung den Lokaloszillator 710 einschalten, der an seinem Ausgang beispielsweise ein Schwingungssignal mit einer Frequenz von 20 MHz aufweist. Dieses Signal wird über das Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720, den Lichtwellenleiter und das Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730 zu dem Sendefrontendmodul 740 weitergeleitet. In dem Sendefront- endmodul 740 kann das Lokaloszillatorsignal mit dem Trägersignal des herkömmlichen Schreib-Lesegeräts 10 gemischt und über die Antenne 102 ausgesendet werden. Damit entspricht in dem Kalibriermodus das von der Antenne 102 ausgesendete Signal einem von dem UHF-Transponder 110 erzeugten Signal.
Der UHF-Transponder 110 erzeugt mit dem Oszillator 620 ein vom eingestrahlten Trägersignal in der Frequenz verschiedenes Sinussignal und moduliert dieses beispielsweise mittels Lastmodulation auf das Trägersignal. Dieses Sinussignal wird in der Empfangseinrichtung 210 und dem Demodulator 750 der Sende-/Empfangsvorrichtung 100 von dem 868 MHz Trägersignal isoliert, und die Transponderposition wird schließlich mittels des Phasendetektors 220 über die relativen Phasenlagen des empfangenen Seitenbandes bzw. Sinussignals berechnet.
Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines RFOL- Systems für einen Frequenzbereich um 13.56 MHz (HF) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen HF-Transponder 110, der eine PLL 620 (PLL = Phase Locked Loop) aufweist. Ferner zeigt Fig. 8 ein erfindungsgemäß modifiziertes Schreib-Lesgerät bzw. eine Sende-/Empfangsvorrichtung 100 zum Liefern einer Informati- on über den Ort des Transponders 110. Die Sende- /Empfangsvorrichtung 100 weist einen PC 230 auf, der über eine Schnittstelle Sl mit einer RFOL-Steuereinheit 700 gekoppelt ist. Die RFOL-Steuereinheit 700 ist ferner mit ei- nem herkömmlichen HF-Schreib-Lesegerät 10 verschaltet. Die RFOL-Steuereinheit 700 weist eine Steuerleitung zum Steuern eines Sende-Frontend-Moduls 740 auf. Das HF-Schreib- Lesegerät 10 ist mit einem Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720 und einem Eingang eines Phasedetektors 220 verschaltet. Das Lichtwellenleitereinkoppelmodul 720 ist über einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 730 verschaltet, welches ausgangsseitig mit dem Sende- Frontend-Modul 740 gekoppelt ist. Das Sende-Frontend-Modul 740 ist ferner mit einer Lokalistionsantenne 102 verschaltet. Die Sende-/Empfangsvorrichtung 100 weist ferner eine Empfangseinrichtung 210 auf, die mit einem weiteren Lichtwellenleiter Einkoppelmodul 760 verschaltet ist. Das Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 ist über einen Lichtwellen- leiter mit einem Lichtwellenleiterauskoppelmodul 770 gekoppelt, das Ausgangsseitig ferner mit einem Hochfrequenz- Aufbereitungsmodul 880 verschaltet ist. Ein Ausgang des Hochfrequenz -Aufbereitungsmoduls 880 ist mit einem Eingang des Phasendetektors 220 verbunden. Eine RFOL-HF- Antenneneinheit 890, welche das Lichtwellenleiterauskoppel- modul 730, das Sendefrontend-Modul 740, die Empfangseinrichtung 210 und das Lichtwellenleiter-Einkoppelmodul 760 umfasst, wird bei dem in Fig. 8 dargestellten HF-RFID- System in n-facher Ausführung verwendet, um n Empfangssig- nale des HF-Transponders 110 zu erhalten. Dementsprechend weist der Phasendetektor 220 n Eingänge auf, um an einem Ausgang n-1 Phasenwerte, die den relativen Phasenlagen entsprechen, für die RFOL-Steuereinheit 700 bereitzustellen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung steuert die RFOL-Steuereinheit 700 die n HF- Antenneneinheiten 890. Im Kalibriermodus wird beispielsweise wechselweise eine der n HF-Antenneneinheiten 890 als Sender betrieben, wodurch Laufzeiten zu und innerhalb der n Empfangspfade ermittelt werden können. Dazu kann die RFOL- Steuereinheit 700 über eine Steuerleitung den Messsender 740 einschalten, um ein HF-Signal mit einer Frequenz von 13.56 MHz des herkömmlichen HF-Schreib-Lesegeräts 10 zu senden. Dieses Signal wird über das Lichtwellenleiterein- koppelmodul 720, den Lichtwellenleiter und das Lichtwellen- leiterauskoppelmodul 730 zu dem Sendefrontendmodul 740 weitergeleitet. Damit entspricht in dem Kalibriermodus das von der Antenne 102 ausgesendete Signal einem von dem HF-RFID- Transponder 110 erzeugten Signal.
Der HF-RFID-Transponder 110 kann ein unmoduliertes Trägersignal für eine bestimmte Dauer nach Erhalt eines Schreib- befehls von dem HF-Schreib-Lesegerät 10 abstrahlen. Dazu kann sich die PLL 620 auf das HF-Trägersignal des HF- Schreib-Lesegeräts 10 synchronisieren, wobei beispielsweise ein Stellwert eines VCO (VCO = Voltage Controlled Oscilla- tor) über einen ADC (ADC = Analog-Digital-Converter) einge- lesen werden kann. Nach Abschalten des HF-Trägers durch das HF-Schreib-Lesegerät 10 kann der Transponder 110 seinen VCO mit dem zuvor eingelesenen Stellwert auf die HF- Trägerfrequenz, beispielsweise 13.56 MHz, einstellen und das Signal über eine Antenne des Tranponders 110 abstahlen. Dieses Signal kann von der Empfangseinrichtung 210 der Sen- de-/Empfangsvorrichtung 100 empfangen werden, und die Transponderposition kann schließlich mittels des Phasendetektors 220 über die relativen Phasenlagen des empfangenen Signals berechnet werden.
Konkrete Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Konzepts liegen beispielsweise im automatisierten Kommissionieren. Zu lokalisierende Objekte werden dabei auf sortenreinen Paletten zur Verfügung gestellt. Ein Roboter greift bei- spielsweise eines dieser Objekte. Dazu muss jedoch die genaue Position und Orientierung dieses Objektes bekannt sein. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit liegt beispielsweise bei dem sog. „Griff in die Kiste". Dabei liegen die zu greifenden Objekte ungeordnet in einer Kiste und sollen gegriffen werden, um beispielsweise in einem weiteren Schritt mit anderen Objekten montiert zu werden. Im Bereich der Servicerobotik liegt eine Anwendung beispielsweise in der Lokalisierung und dem Greifen von Gegenständen durch einen Haushaltsroboter.
Mit derzeitig verfügbaren RFID-Systemen kann nur eine „zeilbasierte Ortung" gemacht werden, d.h., dass der Ort an dem die Anwesenheit des Objekts erkannt wird, die Zelle, also der gesamte Lesebereich eines Schreib-Lese-Geräts ist. Bei UHF-Systemen kann das der gesamte Raum vor dem Schreib- Lese-Geräts sein, also eine Größe von etwa 5 m x 5 m x 8 m. Aufgrund dieser Ungenauigkeit kann nicht wirklich von einer Lokalisierung gesprochen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Konzept kann eine Auflösung von wenigen Zentimetern realisiert werden, um die im Vorhergehenden angesprochenen Anwendungsszenarien zu ermöglichen.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfol- gen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Pro- grammcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens rea- lisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich eine Objekt, das mit einem passiven Transponder (110) versehen ist, befindet, wobei sich der Ort in einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen (102) befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit folgenden Merkmalen:
einer Empfangseinrichtung (210) zum Erhalten einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede Antenne (102), wobei die Phaseninformation auf eine Phase ei- nes Signalanteils in einem Antennensignal hinweist, den der passive Transponder (110) als Reaktion auf eine Lokalisationsaktivierung erzeugt hat;
einer Kombinationseinrichtung (220) zum Kombinieren der Phaseninformationen der Empfangssignale, um relative Phasenlagen der Empfangssignale zu erhalten; und
einer Ortsbestimmungseinrichtung (230) zum Berechnen der Information über den Objekt-Ort aus den relativen Phasenlagen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um die Phaseninformation aus einem periodisch unterbrochenen HF-Signal zu erhalten, das der passive Transponder (110) als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung erzeugt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um ein per Einseiten- bandmodulation oder mittels eines Oszillators ein von einem Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung von dem Trägersignal zu isolieren.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um ein von dem Transponder erzeugtes periodisches Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung, welches auf ein Trägersignal aufmoduliert ist, von dem Trägersignal zu isolieren.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kombinations- einrichtung (220) ausgebildet ist, um eine relative
Phasenlage durch Bilden einer Differenz einer ersten Phaseninformation eines ersten Empfangssignals einer ersten Antenne und einer zweiten Phaseninformation eines zweiten Empfangssignals einer zweiten Antenne zu erzeugen.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Empfangseinrichtung (210) ausgebildet ist, um Phaseninformationen von Signalen von periodischen Signalanteilen zu erhal- ten, deren Frequenz variiert werden kann.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Ortsbestimmungseinrichtung (230) ausgebildet ist, um aus den relativen Phasenlagen relative Laufzeiten der Empfangs- signale zu ermitteln.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Selbstkalibrationsfunktionalität aufweist, wobei wechselweise eine Antenne der Antennen zum Empfangen der Transpondersignale als Sendeantenne betrieben werden kann, um Signallaufzeiten von der Sendeantenne zu den anderen Antennen und Signallaufzeiten innerhalb der mit den anderen Antennen gekoppelten Empfangseinrichtungen (210) ermitteln zu können.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner eine Signalintensitätsbestimmungseinrichung zur Ermittlung von Intensitäten der mit den Antennen empfangenen Signale aufweist.
10. Passiver Transponder (110) zur Verwendung zur Lokali- sierung eines Ortes, an dem sich ein Objekt befindet, and dem der passive Transponder (110) angebracht ist, wobei sich der Ort von einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen (102) befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit folgenden Merkmalen:
einem Empfänger (600) zum Empfangen eines Empfangssignals, und zum Extrahieren von Energie aus dem Empfangssignal;
einem Auswerter (610) zum Auswerten des Empfangssignals, und um festzustellen, ob der passive Transponder (610) identifiziert ist; und
einem Signalgenerator (620) zur Erzeugung eines Signals, das einen periodischen Signalanteil aufweist.
11. Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um den periodi- sehen Signalanteil so zu erzeugen, dass er zu einem periodischen Signalanteil eines passiven HF- Transponders (110) identisch ist, der ebenfalls in Reichweite der Antennen (102) angeordnet ist und der eine andere Identität hat.
12. Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um ein periodisches Signal zu erzeugen, das eine Phaseninformation aufweist, die für eine Lokalisierung des HF- Transponders herangezogen werden kann.
13. Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Transponder (110) eine Einrichtung zur Speicherung der mit dem Empfänger aus dem Empfangssignal extrahierten Energie aufweist, um während einer Unterbrechung des periodischen Empfangssignals und im Fall einer Identifikation des HF-Transponders ein Signal mit einem pe- riodischen Signalanteil zu senden.
14. Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um ein von dem Empfangssignal in einer Frequenz verschiedenes Signal zu erzeugen.
15. Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um ein Signal mit einem periodischen Signalanteil auf das von dem Emp- fänger empfangene Empfangssignal aufzumodulieren.
16. Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ferner eine Einrichtung zum Erzeugen einer periodischen Pseudo-Random-Bit-Sequenz auf- weist.
17. Passiver Transponder gemäß Anspruch 10, wobei der Signalgenerator (620) ausgebildet ist, um eine Frequenz des periodischen Signalanteils des erzeugten Signals zu variieren.
18. Verfahren zum Liefern einer Information über einen Objekt-Ort, an dem sich ein Objekt, das mit einem passiven Transponder (110) versehen ist, befindet, wobei sich der Ort in einem Empfangsbereich von wenigstens drei Antennen (102) befindet, die an verschiedenen Antennenpositionen angeordnet sind, mit folgenden Schritten:
Empfangen einer eigenen Phaseninformation eines Signals für jede Antenne (102), wobei die Phaseninformation auf eine Phase eines Signalanteils in einem Antennensignal hinweist, den der passive Transponder (110) als Reaktion auf eine Lokalisationsaktivierung erzeugt hat;
Kombinieren der Phaseninformationen der Empfangssigna- Ie, um relative Phasenlagen der Empfangssignale zu erhalten; und
Berechnen der Information über den Objekt-Ort aus den relativen Phasenlagen.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, dass die Phaseninformation aus einem periodisch unterbrochenen HF-Signal erhalten werden kann, das der passive Transponder (110) als Re- aktion auf die Lokalisationsaktivierung erzeugt.
20. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, dass ein per Einseitenband- modulation oder mittels eines Oszillators ein von ei- nem Trägersignal in einer Frequenz verschiedenes Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung von dem Trägersignal isoliert werden kann.
21. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, das ein von dem Transponder erzeugtes periodisches Signal als Reaktion auf die Lokalisationsaktivierung, welches auf ein Trägersignal aufmoduliert ist, von dem Trägersignal isoliert werden kann.
22. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Kombinierens derart erfolgt, das eine relative Phasenlage durch Bilden einer Differenz einer ersten Phaseninformation eines ersten Empfangssignals einer ersten Antenne und einer zweiten Phaseninformation eines zweiten Empfangssignals einer zweiten Antenne erzeugt werden kann.
23. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Empfangens derart erfolgt, dass Phaseninformationen von Signalen von periodischen Signalanteilen erhalten werden können, deren Frequenz variiert werden kann.
24. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Schritt des Be- rechnens derart erfolgt, dass aus den relativen Phasenlagen relative Laufzeiten der Empfangssignale ermittelt werden können.
25. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Verfahren ferner einen Schritt der Selbstkalibration aufweist, wobei wechselweise eine Antenne der Antennen zum Empfangen der Transpondersignale als Sendeantenne betrieben werden kann, um Signallaufzeiten von der Sendeantenne zu den anderen Antennen und Signallaufzeiten innerhalb der mit den anderen Antennen gekoppelten Empfangseinrichtungen (210) ermitteln zu können.
26. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Verfahren ferner einen Schritt der Signalintensitätsbestimmung zur Ermittlung von Intensitäten der mit den Antennen empfangenen Signale aufweist .
27. Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 18 bis 26, wenn das Computer-Programm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.
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