WO2017144292A1 - Markierungsvorrichtung zur lokalisierung eines objekts - Google Patents

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WO2017144292A1
WO2017144292A1 PCT/EP2017/053003 EP2017053003W WO2017144292A1 WO 2017144292 A1 WO2017144292 A1 WO 2017144292A1 EP 2017053003 W EP2017053003 W EP 2017053003W WO 2017144292 A1 WO2017144292 A1 WO 2017144292A1
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WO
WIPO (PCT)
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marking device
receiver
mhz
terrestrial
data stream
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/053003
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Donis
Nicolas Houis
Jens Koenig
Claudio Seitz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2017144292A1 publication Critical patent/WO2017144292A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S1/00—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/02—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using radio waves
    • G01S1/04—Details
    • G01S1/045—Receivers

Definitions

  • Marking device for locating an object
  • the present invention relates to a marking device for locating an object, which is particularly useful on construction sites, as well as a system for locating an object with this marking device.
  • each object to be tracked is provided with an RFID transponder.
  • the transponder is coupled to a GPS module and can therefore, when requested, return the current position of the object.
  • the US 2015 301 155 AI describes a method for locating an object, in which one and the same signal of a transmitter connected to the object detected by multiple receivers and from this back to the position of the object is calculated.
  • the US 2014 240 143 AI discloses to determine the position of the object with GPS and send out from the object with sub-1 GHz radio.
  • DE 694 16 006 T2 discloses the control of implements by means of GPS.
  • DE 60 2004 004 246 T2 describes general state of the art for transferring status data from a vehicle.
  • a marking device for localizing an object to which the marking device is connected has been developed.
  • This marking device comprises at least one localization module, which is designed to determine the position of the marking device in a plane and / or in space, and at least one transmitter, which is designed to have a carrier signal, which has a frequency of at most 1 GHz to modulate a data stream containing the determined position.
  • the localization module has at least one receiver for beacon signals from at least three terrestrial transmitters and one
  • Evaluation unit wherein the evaluation unit is adapted to determine the position of the marking device from the beacon signals.
  • a GPS signal is much more susceptible to being shielded by obstacles due to the low transmit power of the satellites. This is particularly true at a construction site where the marking device may be located, for example, at the bottom of an excavation that is surrounded by high neighboring buildings.
  • GPS satellites can only be received when the satellite passes over the visible part of the sky. Accordingly, all receivable satellites will be relatively close to each other, which suffers the accuracy of the position determination.
  • Beacon signals at the location of the marking device significantly less electrical energy than the positioning by means of GPS.
  • Marking device in a particularly advantageous embodiment of the invention, for example via an energy harvesting device, the mechanical
  • batteries are used to supply energy to the marking device, they last much longer than if the marking device had to supply a GPS receiver. Ideally, the battery is like that
  • the marking device may alternatively or in combination thereto, for example, also from the object to which it is connected with energy be supplied. This is particularly advantageous when this object is about a work machine or a power generator. There is then more energy available than an energy harvesting device can supply batteries or rechargeable batteries at the price that an intervention in the object itself is required.
  • An energy-autonomous marking device can be fastened, for example, mechanically or magnetically in a detachable manner to the object.
  • One and the same marking device can then optionally be used to locate different objects.
  • the marking device can advantageously spend most of its time in a passive standby mode and have a receiver via which it can be switched to the active transmission mode on the basis of a specific search request.
  • the search query can be made via a local stationary construction site network in the sub-1 GHz range.
  • the radio transmission in the sub-1 GHz range offers the advantage over previous solutions based on Bluetooth or WLAN of a much larger range, which can reach up to more than 10 km in the open field. Typical construction site sizes of up to a few square kilometers can thus be reliably covered.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is the
  • Evaluation unit designed to determine from the signal strength of at least one beacon signal, and / or from the duration of this beacon signal from the terrestrial transmitter to the receiver, the distance between the terrestrial transmitter and the receiver.
  • the signal strength already provides a first approximation for the distance.
  • the distance can be determined more accurately. Will only be the term Depending on the environment and frequency, the distance measurement can be influenced by multipath propagation and reflections. Ideally, therefore, the evaluation of the signal strength is combined with the evaluation of the transit time.
  • the duration of the beacon signal can be determined, for example, by means of an airtime encoded in the beacon signal, provided that the terrestrial transmitter on the one hand and the marking device on the other hand have sufficient accuracy
  • the evaluation unit is designed to use a known temporal modulation structure of the beacon signal for determining the propagation time of the beacon signal. Synchronized clocks are not required.
  • the evaluation unit is designed to evaluate wireless signals emitted by WLAN access points as terrestrial transmitters as beacon signals.
  • Localization module can, for example, an additional
  • Receiving module for WLAN radio signals have. These radio signals are almost ubiquitous in built-up environments. The range of WLAN wireless signals in the 2.4 GHz band and especially in the 5 GHz band is shorter than in the sub 1 GHz band. However, a signal strength that is significantly lower than the minimum required for establishing a connection with the WLAN network is sufficient for use as a beacon signal.
  • the evaluation unit is coupled to a database which contains the known locations of the terrestrial transmitters.
  • the database can be any suitable database which contains the known locations of the terrestrial transmitters.
  • the database can be used to improve the relative accuracy with which the localization module determines the position.
  • the position can also be calibrated in absolute coordinates.
  • an interface for introducing additional user data is provided in the data stream.
  • this payload may come from one or more sensors, for example, an acceleration sensor, a position sensor, a temperature sensor, a pressure sensor or a humidity sensor.
  • an acceleration sensor for example, an acceleration sensor, a position sensor, a temperature sensor, a pressure sensor or a humidity sensor.
  • the sensors can also be used by the marking device itself.
  • the signal of an acceleration sensor can be evaluated in such a way that the marking device only becomes active in order to save energy and emits a radio signal when the object is being moved.
  • the marking device can be equipped with additional functions. It can, for example, have an LCD or ePaper display for displaying the determined position or the further user data supplied by the sensors. It can also have, for example, a Bluetooth, WLAN or N FC unit. You can continue with a recipient for one
  • GNSS satellite positioning system
  • GPS GPS, Baidou, Galileo or GLONASS.
  • the invention also relates to a system for locating at least one object.
  • This system comprises at least one
  • Marking device which is connected to the object, at least three terrestrial transmitters, which are designed to
  • the position of the object within a plane can be uniquely determined.
  • At least four terrestrial transmitters are provided. Then an unambiguous determination of the position is possible even in three-dimensional space.
  • the construction work on a construction site is usually not only in one plane.
  • the geometric arrangement of the terrestrial transmitters to each other is arbitrary.
  • the only boundary condition is that the beacon signals of at least three, or at least four, terrestrial transmitters should be receivable in the entire area in which the object is to be located.
  • the covered area can be increased and, on the other hand, the accuracy of positioning can be increased. To increase the range of terrestrial transmitters, these can
  • At least one terrestrial transmitter is advantageously designed to transmit the beacon signal with a modulated or unmodulated carrier frequency of at most 1000 MHz, preferably between 150 MHz and 1000 MHz and very particularly preferably between 800 MHz and 100 MHz. Below 1000 MHz, the range is typically several kilometers.
  • the range above 150 MHz is on the one hand distinguished in that at low-end transmitter and receiver modules that cover frequencies up to 1000 MHz, the lowest possible frequency begins at about 150 MHz.
  • the beacon signal but also much lower frequencies can be selected, for example, to further increase its range or to avoid reflections and multipath propagation.
  • the ISM bands in the shortwave range between 13.553 MHz and 13.576 MHz or between 6.765 MHz and 6.795 MHz, or also appropriately allocated frequencies between 3 MHz and 5 MHz.
  • a receiver for the data stream transmitted by the transmitter of the marking device can for example be combined with the terrestrial transmitter and / or arranged in its vicinity. One and the same location can then be used for both functions and the cabling effort is minimized.
  • a further translating transmitting unit can be integrated into this combination in order to forward the data stream, for example, to an external processing unit or cloud.
  • a software solution can be implemented which determines, for example, the position and possibly the vectorial direction of movement of the object from the data stream and, if necessary, by sensor data fusion with additional information.
  • the terrestrial transmitter is mounted at a higher location, such as a crane or crane jib, it can be advantageously combined with a camera or a stereo camera so that the construction site can also be optically detected and a representation of the localized objects in a construction plan view is possible.
  • the camera or stereo camera can optionally also be combined with a laser distance sensor for the three-dimensional detection of the construction site.
  • the receiver for the data stream is designed as a mobile device, which in turn has a localization module according to the invention.
  • Construction workers who search for the object on site can then compare their own position relative to the terrestrial transmitters directly with the determined position of the marking device and is then guided unerring to the object, if the position determination is not calibrated in absolute coordinates.
  • the mobile device can also display further data from the data stream, such as the additional user data of sensors, on a display.
  • the mobile device may be further configured to provide control commands to the
  • the object may be, for example, a construction machine or a construction machine part, a garment, a tool or a building material.
  • the object may be an accessory for an excavator, such as a grave bucket, a grapple or a deep hole drill.
  • an excavator such as a grave bucket, a grapple or a deep hole drill.
  • Such accessories are typically stored on a large construction site and used by various excavators, so it is a typical problem for the excavator driver to find the right grave bucket on the jobsite. Instead of sending a construction worker on the search, the position of the grave spoon can then be displayed on a display in the excavator cockpit or on the smartphone of the excavator driver. If the object is a garment, the position of
  • a building material may be, for example, a concrete slab, a pipe or an intermediate product which is placed on the
  • a tool may be, for example, a portable power tool, a power generator or a compressed air generator.
  • Hazardous areas such as in explosive or collapse-endangered areas of a construction site, possible. This location also allows automated monitoring and the introduction of measures for personal protection or to avoid property damage.
  • the marking unit, the terrestrial transmitter and / or the receiver for the data stream are advantageously each accommodated in a robust and optionally watertight housing, for example according to one or more of the standards IP6K6K, IP6K7, IP6K8, IP6K9K according to DIN 40 050 part 9 or MIL STD 810.
  • the system is particularly suitable for use on construction sites, but is not limited to this use. It can, for example, in the field of logistics, such as packaging, containers, containers or as
  • Figure 1 embodiment of the system 100 on a construction site 200
  • Figure 2 embodiment of a marking device.
  • a terrestrial transmitter 51 is installed on the boom of the crane 201, which emits a beacon signal 61.
  • a further terrestrial transmitter 53 is installed, which emits a beacon signal 63.
  • Two other terrestrial transmitters 52 and 54 which emit beacon signals 62 and 64, respectively, are distributed elsewhere on site 200.
  • Each object to be tracked 21-24 is connected to a marking device 1, each having a localization module 3.
  • Localization module 3 determines the position 11 of each
  • the transmitter 4 not shown in FIG. 1 in the marking device 4 modulates a carrier signal 41 with a
  • Data stream 42 which contains the position 11, and emits this signal 41, 42 from.
  • the receiver 9 for the data stream 42 is part of a mobile device 91.
  • the mobile device 91 in turn has a localization module 3 and shows on its display 94 the comparison between that of its own Localization module 3 detected position IIa and the decoded from the data stream 42 position 11 of the searched object 21-24.
  • the user of the mobile device 91 thus becomes unerringly to the respective object 21-24
  • the data stream 42 is forwarded via a GSM / U MTS module 92 as a mobile radio signal 93.
  • each object 21-24 can be spanned by the coordinate directions x, y and z
  • FIG. 1 shows the detailed structure of one with an object 2, 21-24
  • the marking device 1 is powered by an energy harvesting device 8 with energy. With this energy, the localization module 3 and the transmitter 4 are operated.
  • the localization module 3 has a receiver 31 for the beacon signals 61-64 of the terrestrial transmitters 51-54.
  • the evaluation unit 32 determines the position 11 of these beacon signals 61-64 in conjunction with the known positions of the terrestrial transmitters 51-54 retrieved from a database 33
  • the transmitter 4 modulates a carrier signal 41 in the sub-1 GHz range with a data stream 42 which contains the position 11 of the marking device 1. Via an interface 43 in the data stream 42 additionally further user data 7 are encoded, which were obtained from an acceleration sensor 71, a position sensor 72, a temperature sensor 73, a pressure sensor 74 and a humidity sensor 75 on the object 2, 21-24.
  • the carrier signal 41 modulated with the data stream 42 is emitted as a radio signal 41, 42 from the transmitter 4. It can be received by the receiver 9 and further evaluated.

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Abstract

Markierungsvorrichtung (1) zur Lokalisierung eines Objekts (2), mit dem die Markierungsvorrichtung (1) verbunden ist, umfassend mindestens ein Lokalisierungsmodul (3), das dazu ausgebildet ist, die Position (11) der Markierungsvorrichtung (1) in einer Ebene und/oder im Raum zu ermitteln, sowie mindestens einen Sender (4), der dazu ausgebildet ist, ein Trägersignal (41), welches eine Frequenz von höchstens 1 GHz aufweist, mit einem Datenstrom (42) zu modulieren, der die ermittelte Position (11) enthält, wobei das Lokalisierungsmodul (3) mindestens einen Empfänger (31) für Bakensignale (61- 64) von mindestens drei terrestrischen Sendern (51-54) sowie eine Auswerteeinheit (32) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, aus den Bakensignalen (61-64) die Position (11) der Markierungsvorrichtung (1) zu ermitteln. System (100) zur Lokalisierung mindestens eines Objekts (2) mit der Markierungsvorrichtung (1), einem Empfänger (9) für den Datenstrom (42) und mindestens drei terrestrischen Sendern (51-54). Verwendung der Markierungsvorrichtung (1) und/oder des Systems (100) auf einer Baustelle (200).

Description

Beschreibung
Titel:
Markierungsvorrichtung zur Lokalisierung eines Objekts
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Markierungsvorrichtung zur Lokalisierung eines Objekts, die insbesondere auf Baustellen verwendbar ist, sowie ein System zur Lokalisierung eines Objekts mit dieser Markierungsvorrichtung.
Stand der Technik
Auf Baustellen ist es auf Grund beengter Platzverhältnisse nicht immer möglich, jedem Gegenstand einen festen Lagerplatz zuzuweisen. Bei häufig verwendeten Gegenständen, und insbesondere bei Verbrauchsmaterialien, ist eine kontinuierliche Buchführung, was sich wo befindet, nicht praktikabel. Im Ergebnis wird auf Baustellen sehr viel Arbeitszeit damit verbracht, Gegenstände und Materialien zu suchen.
Aus der DE 10 2004 055 033 AI ist ein System zur Verfolgung von Objekten auf Baustellen bekannt, bei dem jedes zu verfolgende Objekt mit einem RFID- Transponder versehen ist. Der Transponder ist mit einem GPS-Modul gekoppelt und kann somit, wenn er abgefragt wird, die aktuelle Position des Objekts zurückmelden.
Die US 2015 301 155 AI beschreibt ein Verfahren zur Lokalisierung eines Objekts, bei der ein und dasselbe Signal eines mit dem Objekt verbundenen Senders von mehreren Empfängern erfasst und hieraus auf die Position des Objekts zurückgerechnet wird.
Die US 2014 240 143 AI offenbart, die Position des Objekts mit GPS zu bestimmen und vom Objekt aus mit Sub-1 GHz-Funk auszusenden. Die DE 694 16 006 T2 offenbart die Steuerung von Arbeitsgeräten mit Hilfe von GPS. Die DE 60 2004 004 246 T2 beschreibt allgemeinen Stand der Technik zur Übergabe von Zustandsdaten von einem Fahrzeug aus.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Markierungsvorrichtung zur Lokalisierung eines Objekts, mit dem die Markierungsvorrichtung verbunden ist, entwickelt. Diese Markierungsvorrichtung umfasst mindestens ein Lokalisierungsmodul, das dazu ausgebildet ist, die Position der Markierungsvorrichtung in einer Ebene und/oder im Raum zu ermitteln, sowie mindestens einen Sender, der dazu ausgebildet ist, ein Trägersignal, welches eine Frequenz von höchstens 1 GHz aufweist, mit einem Datenstrom zu modulieren, der die ermittelte Position enthält.
Die Modulation des Trägersignals mit dem Datenstrom kann auf beliebige Weise erfolgen. Es können beispielsweise die Amplitude, die Phase oder auch die Frequenz des Trägersignals einzeln oder in Kombination in Abhängigkeit des Datenstroms moduliert werden. Die Wahl des Modulationsverfahrens richtet sich zum Einen nach der Entfernung, in der das vom Sender abgestrahlte Funksignal noch empfangbar sein soll, und zum Anderen nach der für den Datenstrom benötigten Übertragungsbandbreite.
Erfindungsgemäß weist das Lokalisierungsmodul mindestens einen Empfänger für Bakensignale von mindestens drei terrestrischen Sendern sowie eine
Auswerteeinheit auf, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, aus den Bakensignalen die Position der Markierungsvorrichtung zu ermitteln.
Die Nutzung terrestrischer Sender an Stelle von GPS oder anderen
satellitengestützten Systemen ist zunächst einmal ein zusätzlicher Aufwand und somit ein scheinbarer Nachteil gegenüber dem bisherigen Stand der Technik. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass dieser Nachteil in zweierlei Hinsicht überkompensiert wird. Zum Einen lassen sich terrestrische Bakensignale mit einer passenden Frequenz und Signalstärke zur Verfügung stellen, dass auch teilweise fertiggestellte Bauten, Baumaschinen und andere Hindernisse auf der Funkstrecke zum
Lokalisierungsmodul überwunden werden. Wenn die terrestrischen Sender auf der Baustelle selbst installiert sind, können auch beispielsweise Nachbargebäude die Positionsbestimmung nicht beeinflussen. Hingegen ist ein GPS-Signal auf Grund der geringen Sendeleistung der Satelliten deutlich anfälliger dafür, durch Hindernisse abgeschirmt zu werden. Dies gilt im Besonderen auf einer Baustelle, wo sich die Markierungsvorrichtung beispielsweise am Grund einer Baugrube befinden kann, die von hohen Nachbargebäuden umstellt ist. Das Signal eines
GPS-Satelliten kann dann in der Regel nur empfangen werden, wenn der Satellit über den frei sichtbaren Teil des Himmels hinwegzieht. Dementsprechend werden auch alle empfangbaren Satelliten vergleichsweise nah beieinander liegen, worunter die Genauigkeit der Positionsbestimmung leidet.
Zum Anderen erfordert die Positionsbestimmung mittels terrestrischer
Bakensignale am Ort der Markierungsvorrichtung wesentlich weniger elektrische Energie als die Positionsbestimmung mittels GPS. Somit lässt sich die
Markierungsvorrichtung in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise über eine Energieerntevorrichtung, die mechanische
Energie, Wärmeenergie und/oder Licht aus der Umgebung der
Markierungsvorrichtung in elektrische Energie umwandelt, mit Energie versorgen. Energieerntevorrichtungen sind wartungsfrei, so dass die Positionsbestimmung nicht wegen eines versäumten Batteriewechsels an der Markierungseinrichtung ausfallen kann. Dafür liefern sie wesentlich geringere elektrische Leistungen als
Batterien.
Sofern zur Energieversorgung der Markierungsvorrichtung Batterien zum Einsatz kommen, halten diese deutlich länger als wenn die Markierungsvorrichtung einen GPS-Empfänger versorgen müsste. Idealerweise ist die Batterie so
dimensioniert, dass sie für die Lebensdauer der Markierungsvorrichtung nicht ausgetauscht oder aufgeladen werden muss.
Die Markierungsvorrichtung kann alternativ oder auch in Kombination hierzu beispielsweise auch von dem Objekt, mit dem sie verbunden ist, mit Energie versorgt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dieses Objekt etwa eine Arbeitsmaschine oder ein Stromgenerator ist. Es steht dann mehr Energie zur Verfügung als eine Energieerntevorrichtung, Batterien bzw. Akkus liefern können, um den Preis, dass ein Eingriff in das Objekt selbst erforderlich ist.
Eine energieautarke Markierungsvorrichtung kann beispielsweise mechanisch oder magnetisch in lösbarer Weise am Objekt befestigt sein. Ein und dieselbe Markierungsvorrichtung kann dann wahlweise zur Lokalisierung verschiedener Objekte verwendet werden.
Zwecks Energieeinsparung kann die Markierungsvorrichtung vorteilhaft die meiste Zeit in einem passiven Standby-Modus verweilen und einen Empfänger aufweisen, über den sie auf eine konkrete Suchanfrage hin in den aktiven Sendemodus geschaltet werden kann. Die Suchanfrage kann beispielsweise über ein lokales stationäres Baustellennetz im Sub-1 GHz-Bereich gestellt werden.
Die Funkübertragung im Sub-1 GHz-Bereich bietet gegenüber bisherigen Lösungen auf der Basis von Bluetooth oder WLAN den Vorteil einer deutlich größeren Reichweite, die im Freifeld bis über 10 km erreichen kann. Typische Baustellengrößen von bis zu einigen Quadratkilometern können damit zuverlässig abgedeckt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Auswerteeinheit dazu ausgebildet, aus der Signalstärke mindestens eines Bakensignals, und/oder aus der Laufzeit dieses Bakensignals vom terrestrischen Sender bis zum Empfänger, die Entfernung zwischen dem terrestrischen Sender und dem Empfänger zu ermitteln.
Dabei liefert die Signalstärke bereits eine erste Näherung für die Entfernung. Insbesondere auf einer Baustelle gibt es jedoch viele abschirmende Materialien, die das Signal schwächen können. Diese Abschwächung hat wiederum keinen Einfluss auf die Laufzeit des Bakensignals, so dass über die Laufzeit die
Entfernung genauer ermittelt werden kann. Wird ausschließlich die Laufzeit ausgewertet, kann je nach Umgebung und Frequenz die Entfernungsmessung durch Mehrwegeausbreitung und Reflexionen beeinflusst werden. Idealerweise wird daher die Auswertung der Signalstärke mit der Auswertung der Laufzeit kombiniert.
Die Laufzeit des Bakensignals kann beispielsweise über eine in das Bakensignal einkodierte Sendezeit ermittelt werden, sofern der terrestrische Sender einerseits und die Markierungsvorrichtung andererseits über hinreichend genau
synchronisierte Uhren verfügen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, zur Ermittlung der Laufzeit des Bakensignals eine bekannte zeitliche Modulationsstruktur des Bakensignals heranzuziehen. Synchronisierte Uhren sind dann nicht erforderlich.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, von WLAN-Zugangspunkten als terrestrische Sender abgestrahlte Funksignale als Bakensignale auszuwerten. Das
Lokalisierungsmodul kann hierfür beispielsweise ein zusätzliches
Empfangsmodul für WLAN-Funksignale aufweisen. Diese Funksignale sind in bebauten Umgebungen nahezu ubiquitär vorhanden. Die Reichweite von WLAN- Funksignalen im 2,4-GHz-Band und insbesondere im 5-GHz-Band ist kürzer als im Sub-1 GHz-Band. Jedoch reicht für eine Nutzung als Bakensignal bereits eine Signalstärke aus, die deutlich geringer ist als das für einen Verbindungsaufbau mit dem WLAN- Netzwerk benötigte Minimum.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit mit einer Datenbank gekoppelt, die die bekannten Standorte der terrestrischen Sender enthält. Die Datenbank kann insbesondere
Ortskoordinaten enthalten. Mit Hilfe der Datenbank kann zum Einen die relative Genauigkeit verbessert werden, mit der das Lokalisierungsmodul die Position ermittelt. Zum Anderen kann die Position auch in absoluten Koordinaten geeicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schnittstelle zur Einbringung weiterer Nutzdaten in den Datenstrom vorgesehen. Diese Nutzdaten können beispielsweise von einem oder mehreren Sensoren stammen, beispielsweise von einem Beschleunigungssensor, einem Lagesensor, einem Temperatursensor, einem Drucksensor oder einem Feuchtesensor. Auf diese Weise können über ein und dasselbe Funksignal sowohl die Position des Objekts als auch Informationen über den aktuellen Zustand des Objekts übermittelt werden.
Die Sensoren können auch von der Markierungsvorrichtung selbst genutzt werden. Beispielsweise kann das Signal eines Beschleunigungssensors dahingehend ausgewertet werden, dass die Markierungsvorrichtung zwecks Energieeinsparung nur dann aktiv wird und ein Funksignal aussendet, wenn das Objekt bewegt wird.
Die Markierungsvorrichtung kann mit weiteren zusätzlichen Funktionen ausgestattet sein. Sie kann beispielsweise ein LCD- oder ePaper-Display zur Anzeige der ermittelten Position oder der von den Sensoren gelieferten weiteren Nutzdaten aufweisen. Sie kann auch beispielsweise eine Bluetooth-, WLAN- oder N FC-Einheit besitzen. Sie kann weiterhin mit einem Empfänger für ein
satellitengestütztes Ortungssystem, GNSS, wie etwa GPS, Baidou, Galileo oder GLONASS, ausgestattet sein.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein System zur Lokalisierung mindestens eines Objekts. Dieses System umfassend mindestens eine
Markierungsvorrichtung gemäß der Erfindung, welche mit dem Objekt verbunden ist, mindestens drei terrestrische Sender, die dazu ausgebildet sind,
Bakensignale an das Lokalisierungsmodul der Markierungsvorrichtung zu übermitteln, sowie mindestens einen Empfänger für den Datenstrom der
Markierungsvorrichtung. Aus den Bakensignalen mindestens dreier terrestrischer Sender lässt sich die Position des Objekts innerhalb einer Ebene eindeutig bestimmen. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung sind mindestens vier terrestrische Sender vorgesehen. Dann ist eine eindeutige Bestimmung der Position auch im dreidimensionalen Raum möglich. Gerade die Bautätigkeit auf einer Baustelle spielt sich in aller Regel nicht nur in einer Ebene ab. Die geometrische Anordnung der terrestrischen Sender zueinander ist beliebig. Einzige Randbedingung ist, dass im gesamten Bereich, in dem das Objekt lokalisiert werden soll, die Bakensignale von mindestens drei, bzw. mindestens vier, terrestrischen Sendern empfangbar sein sollten. Mit zusätzlichen terrestrischen Sendern lässt sich zum Einen der abgedeckte Bereich vergrößern und zum Anderen die Genauigkeit der Positionsbestimmung steigern. Um die Reichweite der terrestrischen Sender zu vergrößern, können diese
beispielsweise an höher gelegenen Orten, wie beispielsweise an Kränen, Kranauslegern, Türmen, oder an oder in Baumaschinen, angeordnet sein.
Vorteilhaft ist mindestens ein terrestrischer Sender dazu ausgebildet, das Bakensignal mit einer modulierten oder unmodulierten Trägerfrequenz von höchstens 1000 MHz, bevorzugt zwischen 150 MHz und 1000 MHz und ganz besonders bevorzugt zwischen 800 MHz und 100 MHz, auszusenden. Unterhalb 1000 MHz beträgt die Reichweite typischerweise mehrere Kilometer.
Der Bereich ab 150 MHz ist zum Einen dahingehend ausgezeichnet, dass bei günstigen Sender- und Empfängermodulen, die Frequenzen bis 1000 MHz abdecken, die tiefste mögliche Frequenz bei etwa 150 MHz beginnt. Zum
Anderen liegt dann der Wirkungsgrad der Antennen, der durch das Verhältnis zwischen der durch die Anwendung vorgegebenen Antennengröße und der Wellenlänge vorgegeben ist, in einem vorteilhaften Bereich.
Im Bereich zwischen 800 und 1000 MHz wird der Wirkungsgrad insbesondere kleiner Antennen auf Grund der kürzeren Wellenlänge noch besser. Zugleich steht in diesem Frequenzbereich zum Einen eine höhere Bandbreite für den Datenstrom zur Verfügung, und zum Anderen gibt es regulierte Frequenzbänder, in denen die relative Frequenzbelegungsdauer beschränkt ist. Im Unterschied zu den ISM-Bändern kann das Signal also nicht durch andere Dauersender überdeckt werden.
Für das Bakensignal können aber auch wesentlich tiefere Frequenzen gewählt werden, um beispielsweise dessen Reichweite noch weiter zu vergrößern oder um Reflexionen und Mehrwegeausbreitung zu vermeiden. Beispielsweise können hierfür die ISM-Bänder im Kurzwellenbereich zwischen 13,553 MHz und 13,576 MHz bzw. zwischen 6,765 MHz und 6,795 MHz, oder auch entsprechend zugeteilte Frequenzen zwischen 3 MHz und 5 MHz, genutzt werden.
Ein Empfänger für den vom Sender der Markierungsvorrichtung übermittelten Datenstrom kann beispielsweise mit dem terrestrischen Sender kombiniert und/oder in dessen Nähe angeordnet sein. Ein und derselbe Standort kann dann für beide Funktionen genutzt werden, und der Verkabelungsaufwand wird minimiert. Vorteilhaft kann in diese Kombination noch eine weitere übersetzende Sendeeinheit integriert sein, um den Datenstrom beispielsweise an eine externe Recheneinheit oder Cloud weiterzuleiten. In der Recheneinheit oder Cloud kann beispielsweise eine Softwarelösung implementiert sein, die aus dem Datenstrom und ggfs. durch Sensordatenfusion mit zusätzlichen Informationen beispielsweise die Position und ggfs. vektorielle Bewegungsrichtung des Objekts ermittelt.
Ist der terrestrische Sender an einem höher gelegenen Ort angebracht, wie beispielsweise an einem Kran oder Kranausleger, kann er vorteilhaft mit einer Kamera oder einer Stereokamera kombiniert sein, damit die Baustelle auch optisch erfasst werden kann und eine Darstellung der lokalisierten Objekte in einer Baustellen-Draufsicht möglich ist. Die Kamera oder Stereokamera kann optional zur dreidimensionalen Erfassung der Baustelle auch mit einem Laser- Abstandssensor kombiniert sein.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Empfänger für den Datenstrom als mobiles Gerät ausgebildet, welches seinerseits ein Lokalisierungsmodul gemäß der Erfindung aufweist. Ein
Bauarbeiter, der das Objekt vor Ort sucht, kann dann die eigene Position relativ zu den terrestrischen Sendern unmittelbar mit der ermittelten Position der Markierungseinrichtung vergleichen und wird auch dann zielsicher zu dem Objekt geführt, wenn die Positionsbestimmung nicht in absoluten Koordinaten geeicht ist. Das mobile Gerät kann auch weitere Daten aus dem Datenstrom, etwa die zusätzlichen Nutzdaten von Sensoren, auf einem Display anzeigen. Das mobile Gerät kann weiterhin dazu ausgebildet sein, Steuerbefehle an die
Markierungseinrichtung zu senden, beispielsweise, um diese zwecks
Energieeinsparung oder Vermeidung von Funkstörungen befristet auszuschalten. Das Objekt kann beispielsweise eine Baumaschine oder ein Baumaschinenteil, ein Kleidungsstück, ein Werkzeug oder ein Baumaterial sein. Beispielsweise kann das Objekt ein Zubehörteil für einen Bagger sein, etwa ein Grablöffel, ein Greifer oder ein Tieflochbohrer. Derartige Zubehörteile werden typischerweise auf einer Großbaustelle verteilt gelagert und von verschiedenen Baggern genutzt, so dass es ein typisches Problem für den Baggerfahrer ist, den richtigen Grablöffel auf der Baustelle zu finden. Statt einen Bauarbeiter auf die Suche zu schicken, kann die Position des Grablöffels dann etwa auf einer Anzeige im Bagger-Cockpit oder auf dem Smartphone des Baggerfahrers dargestellt werden. Wenn das Objekt ein Kleidungsstück ist, kann auch die Position von
Bauarbeitern verfolgt werden, so dass Arbeitsvorgänge und der Fortschritt von Arbeitsabläufen erfasst werden können. Ein Baumaterial kann beispielsweise eine Betonplatte, ein Rohr oder ein Zwischenerzeugnis sein, das auf der
Baustelle bewegt wird. Ein Werkzeug kann beispielsweise ein transportables Elektrowerkzeug, ein Stromgenerator oder ein Druckluftgenerator sein.
Ebenso ist die Ortung von Personen und Gegenständen in besonderen
Gefahrenbereichen, wie zum Beispiel in explosions- oder einsturzgefährdeten Bereichen einer Baustelle, möglich. Diese Ortung erlaubt auch die automatisierte Überwachung und das Einleiten von Maßnahmen zum Personenschutz oder zur Vermeidung von Sachschäden.
Die Markierungseinheit, der terrestrische Sender und/oder der Empfänger für den Datenstrom sind vorteilhaft jeweils in einem robusten und ggfs. wasserdichten Gehäuse untergebracht, etwa nach einem oder mehreren der Standards IP6K6K, IP6K7, IP6K8, IP6K9K nach DIN 40 050 Teil 9 oder auch MIL STD 810.
Das System ist für die Anwendung auf Baustellen besonders geeignet, jedoch nicht auf diese Verwendung beschränkt. Es kann beispielsweise auch im Bereich der Logistik, etwa bei Verpackungen, Containern, Gebinden oder als
Beilegsensor in Schüttgut verwendet werden. Auch andere Außenanwendungen, etwa auf Logistikhöfen, Veranstaltungen wie beispielsweise Konzerten oder auch auf Flughäfen, sind möglich. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 Ausführungsbeispiel des Systems 100 auf einer Baustelle 200;
Figur 2 Ausführungsbeispiel einer Markierungsvorrichtung 1.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Systems 100, das auf einer Baustelle 200 installiert ist. Die Baustelle 200 umfasst unter anderem einen Kran 201, einen Baucontainer 202 und eine Abraumhalde 203. Auf der Baustelle 200 ist beispielhaft die Position 11 eines Grablöffels als Baumaschinenteil 21, eines Bauhelms als Kleidungsstück 22, eines Schraubenschlüssels als Werkzeug 23 und eines Holzstapels als Baumaterial 24 zu überwachen.
Zu diesem Zweck ist auf dem Ausleger des Krans 201 ein terrestrischer Sender 51 installiert, der ein Bakensignal 61 abstrahlt. Auf dem Dach des Baucontainers 202 ist ein weiterer terrestrischer Sender 53 installiert, der ein Bakensignal 63 abstrahlt. Zwei weitere terrestrische Sender 52 und 54, die Bakensignale 62 bzw. 64 abstrahlen, sind an anderen Orten auf der Baustelle 200 verteilt.
Jedes zu verfolgende Objekt 21-24 ist mit einer Markierungseinrichtung 1 verbunden, die jeweils ein Lokalisierungsmodul 3 aufweist. Das
Lokalisierungsmodul 3 ermittelt jeweils die Position 11 der
Markierungseinrichtung 1. Der in Figur 1 jeweils nicht eingezeichnete Sender 4 in der Markierungseinrichtung 4 moduliert ein Trägersignal 41 mit einem
Datenstrom 42, der die Position 11 enthält, und strahlt dieses Signal 41, 42 ab.
Der Empfänger 9 für den Datenstrom 42 ist Teil eines mobilen Geräts 91. Das mobile Gerät 91 verfügt seinerseits über ein Lokalisierungsmodul 3 und zeigt auf seinem Display 94 den Vergleich zwischen der von dem eigenen Lokalisierungsmodul 3 ermittelten Position IIa und der aus dem Datenstrom 42 dekodierten Position 11 des gesuchten Objekts 21-24 an. Der Benutzer des mobilen Geräts 91 wird also zielsicher zu dem jeweiligen Objekt 21-24
hingeführt, ohne dass die Positionsbestimmung in absoluten Koordinaten geeicht sein muss. Zusätzlich wird der Datenstrom 42 über ein GSM/U MTS-Modul 92 als Mobilfunksignal 93 weitergesendet.
Mit den vier terrestrischen Sendern 51-54 kann die Position eines jeden Objekts 21-24 im durch die Koordinatenrichtungen x, y und z aufgespannten
dreidimensionalen Raum eindeutig bestimmt werden.
Figur 2 zeigt den detaillierten Aufbau einer mit einem Objekt 2, 21-24
verbundenen Markierungsvorrichtung 1. Die Markierungsvorrichtung 1 wird über eine Energieerntevorrichtung 8 mit Energie versorgt. Mit dieser Energie werden das Lokalisierungsmodul 3 und der Sender 4 betrieben. Das Lokalisierungsmodul 3 weist einen Empfänger 31 für die Bakensignale 61-64 der terrestrischen Sender 51-54 auf. Die Auswerteeinheit 32 ermittelt aus diesen Bakensignalen 61-64 in Verbindung mit den aus einer Datenbank 33 abgerufenen bekannten Positionen der terrestrischen Sender 51-54 die Position 11 der
Markierungsvorrichtung 1.
Der Sender 4 moduliert ein Trägersignal 41 im Sub-1 GHz-Bereich mit einem Datenstrom 42, der die Position 11 der Markierungsvorrichtung 1 enthält. Über eine Schnittstelle 43 werden in den Datenstrom 42 zusätzlich weitere Nutzdaten 7 einkodiert, die von einem Beschleunigungsensor 71, einem Lagesensor 72, einem Temperatursensor 73, einem Drucksensor 74 und einem Feuchtesensor 75 am Objekt 2, 21-24 gewonnen wurden. Das mit dem Datenstrom 42 modulierte Trägersignal 41 wird als Funksignal 41, 42 vom Sender 4 abgestrahlt. Es kann vom Empfänger 9 empfangen und weiter ausgewertet werden.

Claims

Ansprüche
1. Markierungsvorrichtung (1) zur Lokalisierung eines Objekts (2), mit dem die Markierungsvorrichtung (1) verbunden ist, umfassend mindestens ein Lokalisierungsmodul (3), das dazu ausgebildet ist, die Position (11) der
Markierungsvorrichtung (1) in einer Ebene und/oder im Raum zu ermitteln, sowie mindestens einen Sender (4), der dazu ausgebildet ist, ein Trägersignal (41), welches eine Frequenz von höchstens 1 GHz aufweist, mit einem Datenstrom (42) zu modulieren, der die ermittelte Position (11) enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lokalisierungsmodul (3) mindestens einen Empfänger (31) für Bakensignale (61-64) von mindestens drei terrestrischen Sendern (51-54) sowie eine
Auswerteeinheit (32) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, aus den Bakensignalen (61-64) die Position (11) der Markierungsvorrichtung (1) zu ermitteln.
2. Markierungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, aus der Signalstärke mindestens eines Bakensignals (61-64), und/oder aus der Laufzeit dieses Bakensignals (61-64) vom terrestrischen Sender (51-54) bis zum
Empfänger (31), die Entfernung zwischen dem terrestrischen Sender (51-54) und dem Empfänger (31) zu ermitteln.
3. Markierungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung der Laufzeit des Bakensignals (61-64) eine bekannte zeitliche Modulationsstruktur dieses Bakensignals (61-64) heranzuziehen.
4. Markierungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, von WLAN-Zugangspunkten als terrestrische Sender (51-54) abgestrahlte
Funksignale als Bakensignale (61-64) auszuwerten.
5. Markierungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (32) mit einer Datenbank (33) gekoppelt ist, die die bekannten Standorte der terrestrischen Sender (51-54) enthält.
6. Markierungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (43) zur Einbringung weiterer
Nutzdaten (7) in den Datenstrom (42) vorgesehen ist.
7. Markierungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (71-75) zur Gewinnung der weiteren Nutzdaten (7) vorgesehen ist.
8. Markierungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sensor (71-75) ein Beschleunigungssensor (71), ein Lagesensor (72), ein Temperatursensor (73), ein Drucksensor (74) oder ein Feuchtesensor (75) ist.
9. Markierungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieversorgung der Markierungsvorrichtung (1) eine Energieerntevorrichtung (8) vorgesehen ist, die mechanische Energie, Wärmeenergie und/oder Licht aus der Umgebung der Markierungsvorrichtung (1) in elektrische Energie umwandelt.
10. System (100) zur Lokalisierung mindestens eines Objekts (2), umfassend mindestens eine Markierungsvorrichtung (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, die mit dem Objekt (2) verbunden ist, mindestens drei terrestrische Sender (51-54), die dazu ausgebildet sind, Bakensignale (61-64) an das Lokalisierungsmodul (3) der Markierungsvorrichtung (1) zu übermitteln, sowie mindestens einen Empfänger (9) für den Datenstrom (42) der
Markierungsvorrichtung (1).
11. System (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier terrestrische Sender (51-54) vorgesehen sind.
12. System (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein terrestrischer Sender (51-54) dazu ausgebildet ist, das Bakensignal (61-64) mit einer modulierten oder
unmodulierten Trägerfrequenz von höchstens 1000 MHz, bevorzugt zwischen 150 MHz und 1000 MHz und ganz besonders bevorzugt zwischen 800 MHz und 100 MHz, auszusenden.
13. System (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (9) für den Datenstrom (42) als mobiles Gerät (91) ausgebildet ist, wobei dieses mobile Gerät (91) seinerseits ein Lokalisierungsmodul (3) gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs 1 aufweist.
14. Verwendung einer Markierungsvorrichtung (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9 und/oder eines Systems (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13 auf einer Baustelle (200), wobei mindestens eine Baumaschine oder ein Baumaschinenteil (21), mindestens ein Kleidungsstück (22), mindestens ein Werkzeug (23) und/oder mindestens ein Baumaterial (24) als Objekt (2) gewählt wird.
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