WO2018065087A1 - Locating method, associated device and use of software - Google Patents

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WO2018065087A1
WO2018065087A1 PCT/EP2017/001134 EP2017001134W WO2018065087A1 WO 2018065087 A1 WO2018065087 A1 WO 2018065087A1 EP 2017001134 W EP2017001134 W EP 2017001134W WO 2018065087 A1 WO2018065087 A1 WO 2018065087A1
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WO
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transmitter
receiver
calculation unit
receivers
signals
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/001134
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German (de)
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Inventor
Johannes WENDEBERG
Joan Bordoy Andreu
Fabian HÖFLINGER
Original Assignee
Pyramid Computer Gmbh
Telocate GmbH
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Publication date
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    • 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
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    • G—PHYSICS
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    • G01S5/30—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location

Definitions

  • the invention relates to a method for locating a transmitter relative to at least one stationary receiver, wherein the transmitter emits sound wave packets, each transporting a uniform identifier, wherein the at least one stationary receiver receives acoustic signals caused by the sound wave packets, wherein the identifier is taken from the signals wherein the at least one receiver generates time stamps representing the respective time of receipt of an acoustic signal in the at least one receiver, wherein the at least one receiver transmits the time stamp and the associated identifier to a computing unit, and wherein the calculating unit derives from the time stamps the current position of the transmitter calculated.
  • Another class of indoor location systems uses sound waves to locate moving targets.
  • systems are known in which stationarily installed transmitters permanently emit inaudible human ultrasonic waves, which are detected by a mobile receiver.
  • the position of the receiver relative to the transmitters is determined by measuring the distances between the individual transmitters and the mobile receiver by means of TOF (time of flight) measurements.
  • TOF time of flight
  • the transmitters must be synchronized with the receiver, which typically requires the replacement of an additional electromagnetic RF signal between the receiver and at least one of the transmitters, thus significantly increasing the complexity of the system and the requirements for the mobile receiver.
  • a contrary approach is to equip the mobile target, such as a portable electronic device, with an ultrasound transmitter and use stationary installed receivers that detect acoustic signals caused by sound waves emitted by the transmitter.
  • a great advantage of this approach is that localization of the device can only be done on the basis of sound waves, so that the exchange of electromagnetic waves can be dispensed with.
  • a major disadvantage of the TDOA approach with stationary receivers and a mobile transmitter is the high number of receivers that have to be installed in a building: for example, with this technology, the 2D position of a mobile transmitter within a room of the building. At least three stationary receivers must be present, with a direct line of sight (LOS), so that sound signals from the transmitter can be routed directly to each of the three receivers. Since objects in the room can mask a LOS connection between the sender and one of the receivers, in practice the receivers often have to be designed redundantly, which further increases the necessary number of receivers for a robust system. Another challenge in these systems is to distinguish LOS signals usable for localization from unusable none-line-of-sight (NLOS) signals.
  • NLOS none-line-of-sight
  • a prior art localization method which forms the starting point of the present invention, provides that a plurality of receivers are stationarily installed to receive acoustic signals from a transmitter.
  • the transmitter emits sound wave packets, with each of these sound wave packets carrying a uniform identifier. Uniformly, it can be understood here that different sound wave packets of the transmitter always carry one and the same identifier.
  • the transport of the identifier can be technically achieved, for example, by the transmitter coding the identifier in each of the sound wave packets. This can be done, for example, with the aid of frequency modulation methods known from the prior art.
  • Using the identifier makes it possible, among other things, that several stations can be located with a set of stationary receivers, as acoustic signals of different countries Sen ⁇ aid of a respective identifier can be distinguished from each other.
  • each of the stationary receivers continuously detects audible signals coming from the transmitter Sender emitted sound wave packets are caused. Furthermore, the identifier is taken from each of the received signals.
  • each of the receivers may have a decoding device to extract the identifier from the signals. Subsequently, the individual receiver transmits the identifier to a calculation unit.
  • the identifier can be transmitted together with the received signal to a downstream unit, for example a calculation unit, wherein the downstream unit extracts the identifier from the signals.
  • This system is, for example, ideally suited for navigating in a building with the aid of a smart phone, because the loudspeakers of conventional smart phones are able to serve as transmitters according to the invention and to emit sound waves with frequencies in the range of 18-21 kHz.
  • receivers are stationarily installed on a ceiling of a room, typically at approximately the same height, often to prevent the detection of echoes.
  • receivers are stationarily installed on a ceiling of a room, typically at approximately the same height, often to prevent the detection of echoes.
  • such an application preferred arrangement of the receiver has the disadvantage that the accuracy and resolution in the determination of the z-coordinate of the transmitter compared to those of the x and y coordinates is reduced.
  • time stamps representing the reception times of NLOS signals be used to calculate the current position of the device.
  • the Emp ⁇ catch points in time of, in particular one or more times reflect reflected acoustic signals.
  • the "use of time stamps that reproduce reception times of NLOS signals” can be understood here in particular as meaning that the calculation unit not only processes such time stamps, but that such time stamps flow directly into the calculation of the current position of the transmitter and thus the calculated position directly influence.
  • each NLOS signal may be assigned a "virtual receiver" located on an axis corresponding to the original direction of propagation of the signal as it is transmitted from the transmitter, thus enhancing the utilization of an increased number of real and virtual receivers the accuracy in the location determination, since more data can be taken into account for the calculation of the position of the transmitter, in particular, unlike methods known in the prior art, a location determination becomes possible even in those situations in which there is no LOS connection to one of the receivers If only one 2D position of the transmitter is required, then the localization method according to the invention already provides reliable position data of the receiver with a single stationary receiver A significant advantage of the present invention in comparison with statization methods known from the prior art ionic receivers is thus that with the same number of receivers, the
  • the invention has recognized that in the prior art there are hardware which Provides sufficient computing power to perform the necessary arithmetic operations in real time and that the invention can be implemented in particular with embedded systems.
  • the calculation unit generates tuples by random selection of time stamps. In this case it is sufficient for a 2D determination if tuples are generated from at least three time stamps; For a 3D position determination, it is accordingly sufficient if tuples are generated from at least four time stamps.
  • a stored calculation rule to a respective one of these tuples, estimated values of a transmission time tO of a sound wave packet are calculated.
  • classes can be formed from the calculated estimated values on the basis of a statistical estimator t0 * for the emission time t0, the statistical estimator being calculated continuously from estimated values t0 of the most heavily populated class.
  • the current position of the transmitter can then be calculated, for example, from the current statistical estimator t0 *, a selection of n time stamps, which may correspond, for example, to the currently most populated class, and from local positions of the receivers.
  • the formation of tuples as well as the computational operations described in this section can advantageously be performed directly by the computation unit. For example, for the statistical estimator t0 *, a median value of a most populated class can be used.
  • the calculation rule is a quadratic equation.
  • the calculation rule can be based on the assumption for example, that all the receivers are arranged in a common plane, said common plane may be parallel to a floor below the receiver insbeson ⁇ particular.
  • receiver arrangements can also be used and / or taken into account, in which the receivers are arranged, for example, in a vertically extending common plane. Such arrangements have in common that they allow a particularly efficient use of NLOS signals for the calculation of the spatial position of the transmitter.
  • the computational effort can be further reduced if, for example, at most three timestamps or at most four timestamps are taken into account by the calculation rule. Because such an approach is already sufficient to allow using the method according to the invention, a 2D or 3D localization of the transmitter.
  • the method may be designed such that a single one of the tuples used to calculate the location of the transmitter has at most three, preferably at most four, time stamps.
  • the location determination can thus be carried out by the device itself.
  • the at least one receiver or the at least two stationary receivers can transmit the time stamp, the associated identifier and / or a respective unique receiver identifier wirelessly to the device.
  • a method of locating a transmitter relative to at least two stationary receivers in which transmitter transmits sound wave packets each carrying a unique identifier, the at least two stationary receivers receiving acoustic signals caused by the sonic wave packets, the identifier being the signals is removed, said at least two receiver time stamp generated ⁇ Center, representing the respective reception timing of a akusti ⁇ rule signal in the respective receiver, wherein the at least two receivers transmit the time stamp and the associated identifier to a calculation unit, and wherein the calculation unit from the timestamps calculates the current position of the transmitter, and wherein according to the invention timestamps are used to calculate the current position of the device, the reception times of NLOS signals play.
  • the at least one receiver or the at least two receivers transmit a respective unique receiver identifier to a computing unit, in particular together with each transmitted time stamp.
  • a computing unit in particular together with each transmitted time stamp.
  • the calculation unit can assign received time stamps to the individual receivers, as a result of which, in particular, the time stamps of several receivers can be utilized for calculating the spatial position of the transmitter.
  • the receiver identifier can also be estimated from measured data.
  • the calculation can also be based on the assumption that the transmitter and the receiver are / are located in a parallelepipedic space, in particular with rectangular walls.
  • the assumption may thus relate to the relative or absolute position of a reflection plane with respect to the transmitter and / or with respect to at least one of the receivers and / or with respect to a further reflection plane.
  • the relative position of at least one receiver to one or the reflection plane can be taken into account in the calculation. All of these assumptions can be based on known information or estimated information in accordance with the invention.
  • a further preferred embodiment according to the invention provides that at least one spatial position of a receiver is estimated by the calculation unit. According to the invention, this estimation can take place by means of an initial calibration method.
  • the advantage here is that the cost of installing the receiver can be kept low because the exact location positions of the receiver does not have to be determined consuming. Rather, each time the localization method is used again, the calculation unit may perform an initial calibration during which the location positions are obtained by estimation.
  • a TDOA algorithm is used to estimate the position of a receiver. Because this requires in particular no synchronization between the transmitter and the / the receiver (s). Furthermore, timestamps generated by NLOS signals may be used to estimate the position of the receiver during an initial calibration procedure.
  • equal height can be understood in particular as meaning that the receivers are arranged at heights above the ground, which can not be differentiated within the scope of the measuring accuracy of the method 2, since a simple quadratic equation can be used for the calculation of the spatial position, as already described above, so that the computational outlay for the localization of the transmitter can be kept low, which is particularly advantageous if the method according to the invention is based on a portable electronic device with limited computing capacity, such as a smart phone, to be executed.
  • the device comprises at least two stationary receivers and a calculation unit for calculating the position of the transmitter relative to the at least two stationary receivers, that each of the at least two receivers for receiving acoustic signals produced by the sound wave packets, for taking out an identifier is set up from a received acoustic signal and for generating time stamps, wherein the time stamps reproduce the respective time of reception of an acoustic signal in the respective receiver, that the at least two receivers are set up for data transmission to the calculation unit and that the calculation unit is set up such that it Uses NLOS signals to calculate the position of the transmitter.
  • the invention provides for the solution of the problem mentioned above, the use of software on a portable ⁇ ble electronic device.
  • This software is for the application of one of the methods of the invention discussed herein, and is characterized in that it is adapted to drive a transmitter of the apparatus to transmit sound wave packets and to provide them with an identifier, and that it is set to a Be ⁇ output the calculated unit of position of the device graphically or acoustically.

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Abstract

The invention relates to a locating method for determining the position of a mobile transmitter (1) relative to at least one stationary receiver (2), in particular inside a building. According to the invention, in order to increase accuracy in determining location, acoustic signals (4) which are received by the at least one receiver and have been generated by sound waves (3) reflected by objects are used to calculate the position of the transmitter. By means of this approach, the robustness in locating the transmitter can be increased in particular in situations in which there are no or only an insufficient number of direct line-of-sight connections (7) between the transmitter and the stationary receivers used for determining position.

Description

Lokalisierungsverfahren, zugehörige Vorrichtung und Verwendung einer Software  Localization method, associated device and use of software
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens einem stationären Empfänger, wobei der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei der mindestens eine stationäre Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfängt, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei der mindestens eine Empfänger Zeitstempel generiert, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, wobei der mindestens eine Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit überträgt und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet. The invention relates to a method for locating a transmitter relative to at least one stationary receiver, wherein the transmitter emits sound wave packets, each transporting a uniform identifier, wherein the at least one stationary receiver receives acoustic signals caused by the sound wave packets, wherein the identifier is taken from the signals wherein the at least one receiver generates time stamps representing the respective time of receipt of an acoustic signal in the at least one receiver, wherein the at least one receiver transmits the time stamp and the associated identifier to a computing unit, and wherein the calculating unit derives from the time stamps the current position of the transmitter calculated.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders, sowie die Verwendung einer Software auf einem tragbaren elektronischen Gerät zur Anwendung eines Lokalisierungsverfahrens . Furthermore, the invention relates to a device for locating a transmitter, as well as the use of software on a portable electronic device for applying a localization method.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl an Verfahren bekannt, mit denen Personen oder sonstige bewegliche Objekte innerhalb von Gebäuden lokalisiert werden können. Satellitenunterstützte Lokalisierungssysteme, wie das weltweit am häufigsten genutzte global positioning system (GPS) , funktionieren in der Regel innerhalb von Gebäuden wegen der fehlender Verbindung zu den Satelliten nicht. Daher nutzen Verfahren zur Innenraumlokalisierung häufig stationär innerhalb In the prior art, a variety of methods are known, with which people or other moving objects can be located within buildings. Satellite-assisted localization systems, such as the world's most widely used global positioning system (GPS), generally do not work within buildings because of the lack of connection to the satellites. Therefore, indoor location methods often use stationary within
BESTÄTIGUNGSKOPIE eines Gebäudes installierte Sender oder Empfänger. Diese Sender oder Empfänger kommunizieren häufig über elektromagnetische Wellen mit einem zu lokalisierenden Sender oder Gerät, das von einer Person getragen wird oder welches beispielsweise an einem beweglichen Objekt befestigt ist. CONFIRMATION COPY a transmitter or receiver installed in a building. These transmitters or receivers often communicate via electromagnetic waves with a transmitter or device to be located, which is carried by a person or which is attached, for example, to a moving object.
Eine weitere Klasse von Innenraumlokalisierungssystemen nutzt Schallwellen zur Lokalisierung von beweglichen Zielen. Beispielsweise sind Systeme bekannt, bei denen stationär installierte Sender permanent für den Menschen unhörbare Ultraschallwellen aussenden, die von einem mobilen Empfänger detektiert werden. Die Position des Empfängers relativ zu den Sendern wird dabei durch Ausmessen der Distanzen zwischen den einzelnen Sendern und dem mobilen Empfänger mittels TOF (time of flight) Messungen bestimmt. Hierzu müssen jedoch die Sender mit dem Empfänger synchronisiert sein, was typischerweise den Austausch eines zusätzlichen elektromagnetischen RF-Signals zwischen Empfänger und mindestens einem der Sender erfordert und somit die Komplexität des Systems sowie die Anforderungen an den mobilen Empfänger signifikant erhöht. Another class of indoor location systems uses sound waves to locate moving targets. For example, systems are known in which stationarily installed transmitters permanently emit inaudible human ultrasonic waves, which are detected by a mobile receiver. The position of the receiver relative to the transmitters is determined by measuring the distances between the individual transmitters and the mobile receiver by means of TOF (time of flight) measurements. However, for this, the transmitters must be synchronized with the receiver, which typically requires the replacement of an additional electromagnetic RF signal between the receiver and at least one of the transmitters, thus significantly increasing the complexity of the system and the requirements for the mobile receiver.
Ein dazu konträrer Ansatz sieht vor, das mobile Ziel, beispielsweise ein tragbares elektronisches Gerät, mit einem Ultraschallsender auszustatten und stationär installierte Empfänger zu verwenden, die akustische Signale detektieren, die durch vom Sender ausgesandte Schallwellen hervorgerufen werden. Von großem Vorteil bei diesem Ansatz ist, dass eine Lokalisierung des Geräts ausschließlich auf Basis von Schallwellen erfolgen kann, sodass auf den Austausch von elektromagnetischen Wellen verzichtet werden kann. A contrary approach is to equip the mobile target, such as a portable electronic device, with an ultrasound transmitter and use stationary installed receivers that detect acoustic signals caused by sound waves emitted by the transmitter. A great advantage of this approach is that localization of the device can only be done on the basis of sound waves, so that the exchange of electromagnetic waves can be dispensed with.
Beispielsweise ist es für eine Positionierung ausreichend, die stationär installierten Empfänger miteinander zu synchronisieren und die Empfangszeitpunkte der akustischen Signale in den Empfängern zu detektieren. Die Bestimmung der Position des Senders kann in diesem Fall mittels eines time- difference-of-arrival (TDOA) Ansatzes erfolgen, bei dem bei bekannter Position der Empfänger bereits aus den Unterschieden in den Empfangszeitpunkten der Signale in den Empfängern die Position des Senders errechnet werden kann. Hierzu ist es insbesondere nicht notwendig, den genauen Zeitpunkt der Aussendung der Schallwellen vom Sender zu kennen, wie es für eine direkte TOF-Messung erforderlich ist. Ein wesentlicher Nachteil des TDOA-Ansatzes mit stationären Empfängern und einem mobilen Sender besteht in der hohen Anzahl an Empfängern, die in einem Gebäude installiert werden müssen: Um mit dieser Technologie beispielsweise die 2D-Po- sition eines mobilen Senders innerhalb eines Raums des Ge- bäudes lokalisieren zu können, müssen mindestens drei stationäre Empfänger vorhanden sein, zu denen eine direkte Sichtlinie, eine sogenannte line-of-sight (LOS) , besteht, sodass Schallsignale vom Sender auf direktem Wege zu jedem der drei Empfänger gelangen können. Da Objekte im Raum eine LOS- Verbindung zwischen dem Sender und einem der Empfänger verdecken können, müssen die Empfänger in der Praxis häufig redundant ausgelegt werden, wodurch sich die notwendige Anzahl an Empfängern für ein robustes System weiter erhöht. Eine weitere Herausforderung in diesen Systemen besteht darin, für die Lokalisierung nutzbare LOS-Signale von nicht nutzbaren none-line-of-sight (NLOS ) -Signalen zu unterscheiden. Unter einem NLOS-Signal kann hier ein akustisches Signal verstanden werden, das von reflektierten Schallwellen erzeugt wird. Bei einem NLOS-Signal gelangen die das Signal im Empfänger verursachenden Schallwellen somit auf indirektem Wege zum Empfänger. Daher ist der von der Schallwelle zurückgelegte Weg bei einem NLOS-Signal länger als die direkte Distanz zwischen Sender und Empfänger, die dem Signalweg eines zugehörigen LOS-Signals entspricht. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein einzelner Empfänger, der insbesondere den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets nicht kennt, die von dem Schallwellenpaket hervorgeru- fenen NLOS- und LOS-Signalen nicht voneinander zu unterscheiden vermag. Jedoch sind im Stand der Technik einige Ansätze bekannt, die eine Unterscheidung zwischen LOS- und NLOS- Signalen ermöglichen, beispielsweise mittels Kaiman-Filtern, mittels Überbestimmung des Systems in Verbindung mit einem RANSAC Algorithmus oder mittels probabilistischer Modellierung . For example, it is sufficient for a positioning to synchronize the stationary installed receivers with each other and to detect the reception times of the acoustic signals in the receivers. The determination of Position of the transmitter can be done in this case by means of a time-difference-of-arrival (TDOA) approach, in which the position of the transmitter can be calculated at a known position of the receiver already from the differences in the reception times of the signals in the receivers. In particular, it is not necessary to know the exact time of transmission of the sound waves from the transmitter, as is necessary for a direct TOF measurement. A major disadvantage of the TDOA approach with stationary receivers and a mobile transmitter is the high number of receivers that have to be installed in a building: for example, with this technology, the 2D position of a mobile transmitter within a room of the building. At least three stationary receivers must be present, with a direct line of sight (LOS), so that sound signals from the transmitter can be routed directly to each of the three receivers. Since objects in the room can mask a LOS connection between the sender and one of the receivers, in practice the receivers often have to be designed redundantly, which further increases the necessary number of receivers for a robust system. Another challenge in these systems is to distinguish LOS signals usable for localization from unusable none-line-of-sight (NLOS) signals. An NLOS signal can here be understood as an acoustic signal that is generated by reflected sound waves. In the case of an NLOS signal, the sound waves which cause the signal in the receiver thus reach the receiver in an indirect way. Therefore, the distance traveled by the sound wave in an NLOS signal is longer than the direct distance between the transmitter and the receiver corresponding to the signal path of an associated LOS signal. It should be noted that a single receiver, which in particular does not know the emission time of a sound wave packet, is not able to distinguish between the NLOS and LOS signals produced by the sound wave packet. However, some approaches are known in the art which allow discrimination between LOS and NLOS signals, for example, by means of Kalman filters, overestimation of the system in conjunction with a RANSAC algorithm, or probabilistic modeling.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Lokalisierungsverfahren, das den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bil- det, sieht vor, dass eine Vielzahl an Empfängern stationär installiert werden, um akustische Signale eines Senders zu empfangen. Der Sender sendet dabei Schallwellenpakete aus, wobei jedes dieser Schallwellenpakete einen einheitlichen Identifikator transportiert. Einheitlich kann hier so ver- standen werden, dass unterschiedliche Schallwellenpakete des Senders stets ein und denselben Identifikator transportieren. A prior art localization method, which forms the starting point of the present invention, provides that a plurality of receivers are stationarily installed to receive acoustic signals from a transmitter. The transmitter emits sound wave packets, with each of these sound wave packets carrying a uniform identifier. Uniformly, it can be understood here that different sound wave packets of the transmitter always carry one and the same identifier.
Der Transport des Identifikators kann technisch beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Sender in jedes der Schallwellenpakete den Identifikator kodiert. Dies kann beispielsweise mit Hilfe von aus dem Stand der Technik bekannten Frequenzmodulationsverfahren geschehen. Das Verwenden des Identifikators ermöglicht es unter anderem, dass mehrere Sender mit einem Satz an stationären Empfängern lokalisiert werden können, da akustische Signale von verschiedenen Sen¬ dern anhand eines jeweiligen Identifikators voneinander unterschieden werden können. The transport of the identifier can be technically achieved, for example, by the transmitter coding the identifier in each of the sound wave packets. This can be done, for example, with the aid of frequency modulation methods known from the prior art. Using the identifier makes it possible, among other things, that several stations can be located with a set of stationary receivers, as acoustic signals of different countries Sen ¬ aid of a respective identifier can be distinguished from each other.
Zur Lokalisierung des Senders detektiert jeder der stationä- ren Empfänger fortlaufend akustische Signale, die von von dem Sender ausgesandten Schallwellenpaketen hervorgerufen werden. Weiter wird jedem der empfangenen Signale der Identifikator entnommen. Hierzu kann beispielsweise jeder der Empfänger über eine Dekodiervorrichtung verfügen, um aus den Signalen den Identifikator zu entnehmen. Anschließend überträgt der einzelne Empfänger den Identifikator an eine Berechnungseinheit. Alternativ kann der Identifikator gemeinsam mit dem empfangenen Signal an eine nachgelagerte Einheit, beispielsweise eine Berechnungseinheit, übertragen werden, wobei die nachgelagerte Einheit den Signalen den Identifikator entnimmt . To locate the transmitter, each of the stationary receivers continuously detects audible signals coming from the transmitter Sender emitted sound wave packets are caused. Furthermore, the identifier is taken from each of the received signals. For this purpose, for example, each of the receivers may have a decoding device to extract the identifier from the signals. Subsequently, the individual receiver transmits the identifier to a calculation unit. Alternatively, the identifier can be transmitted together with the received signal to a downstream unit, for example a calculation unit, wherein the downstream unit extracts the identifier from the signals.
Sobald ein akustisches Signal von einem der Empfänger detek- tiert wird, generiert dieser einen Zeitstempel, der den je- weiligen Empfangszeitpunkt des akustischen Signals in dem Empfänger wiedergibt. Diese Art von Zeitstempel kann somit als Empfangszeitstempel bezeichnet werden, in Abgrenzung zu Aussendezeitstempeln, die den Zeitpunkt der Aussendung eines akustischen Signals wiedergeben. As soon as an acoustic signal is detected by one of the receivers, the latter generates a time stamp which reproduces the respective time of reception of the acoustic signal in the receiver. This type of time stamp can thus be referred to as a reception time stamp, in contrast to time stamps which reproduce the time of the transmission of an acoustic signal.
Damit eine Berechnungseinheit schließlich aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnen kann, beispielsweise mit Hilfe eines TDOA-Ansatzes wie oben erläutert, müssen die Empfänger lediglich die Zeitstempel und den zuge- hörigen Identifikator an die Berechnungseinheit übertragen, was entweder drahtlos oder drahtgebunden erfolgen kann. So that a calculation unit can finally calculate the current position of the sender from the time stamps, for example with the aid of a TDOA approach as explained above, the receivers merely have to transmit the time stamps and the associated identifier to the calculation unit, which can take place either wirelessly or by wire ,
Dieses System ist beispielsweise hervorragend dafür geeignet, um mit Hilfe eines smart phones in einem Gebäude zu navigie- ren, denn die Lautsprecher gängiger smart phones sind in der Lage als erfindungsgemäßer Sender zu dienen und Schalwellen mit Frequenzen im Bereich von 18-21 kHz auszusenden. This system is, for example, ideally suited for navigating in a building with the aid of a smart phone, because the loudspeakers of conventional smart phones are able to serve as transmitters according to the invention and to emit sound waves with frequencies in the range of 18-21 kHz.
Ein Nachteil dieses System besteht darin, dass eine 2D- Lo- kalisierung zusammenbricht, sobald weniger als drei LOS-Ver- bindungen zu Empfängern bestehen. Soll eine 3D-Position bestimmt werden, müssen sogar vier LOS-Verbindungen zu Empfängern bestehen. In NLOS-Situationen, also dann wenn nicht genügend LOS-Verbindungen zu Empfängern bestehen, jedoch NLOS Signale von den Empfängern empfangen werden, ist eine Lokalisierung folglich nicht möglich. A disadvantage of this system is that a 2D localization breaks down as soon as there are fewer than three LOS connections to recipients. If a 3D position is to be determined, there must even be four LOS connections to receivers. In NLOS situations, ie when there are not enough LOS connections to receivers, but NLOS signals are received by the receivers, localization is therefore not possible.
Ein weiterer für die Erfindung relevanter Aspekt ist die Tatsache, dass in vielen Anwendungen von Lokalisierungsverfahren Empfänger an einer Decke eines Raums stationär installiert werden, typischerweise in annähernd gleicher Höhe, oftmals um die Detektion von Echos zu verhindern. Eine derartige, in der Anwendung bevorzugte Anordnung der Empfänger hat jedoch den Nachteil, dass die Genauigkeit und Auflösung in der Bestim- mung der z-Koordinate des Senders im Vergleich zu denen der x- und y-Koordinaten reduziert ist. Die Ursache für dieses Problem, welches auch unter dem Begriff „dilution of precision" bekannt ist, liegt darin, dass bei einer solchen Anordnung die z-Koordinaten der Empfänger, im Vergleich zu ihren x-/y-Koordinaten, weniger vielfältig sind. Daher gibt es im Stand der Technik insbesondere Ansätze, die Empfänger in unterschiedlichen Höhen anzuordnen, um die Genauigkeit in der Bestimmung der z-Koordinate des Senders zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lokalisierungsverfahren der eingangs genannten Art, die Genauigkeit in der Ortsbestimmung eines Senders relativ zu den stationär installierten Empfängern zu erhöhen. Hierbei soll insbesondere die Genauigkeit in der Bestimmung der z-Koordinate des Senders verbessert werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, mit einer möglichst geringen Anzahl an Empfängern eine zuverlässige Lokalisierung des Senders zu ermöglichen. Schließlich soll ein Lokalisierungsverfahren mit stationären Empfängern bereitgestellt werden, welches auch in NLOS-Situationen robust funktioniert. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Lokalisierungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens einem stationären Empfänger, wie eingangs beschrieben, vorgeschlagen, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben. Another aspect relevant to the invention is the fact that in many localization method applications, receivers are stationarily installed on a ceiling of a room, typically at approximately the same height, often to prevent the detection of echoes. However, such an application preferred arrangement of the receiver has the disadvantage that the accuracy and resolution in the determination of the z-coordinate of the transmitter compared to those of the x and y coordinates is reduced. The cause of this problem, which is also known as "dilution of precision", lies in the fact that with such an arrangement, the z-coordinates of the receivers are less diverse than their x / y coordinates In particular, there are approaches in the prior art to arrange the receivers at different heights in order to improve the accuracy in determining the z-coordinate of the transmitter In this case, in particular, the accuracy in determining the z-coordinate of the transmitter is to be improved Another object of the invention is to provide reliable localization of the transmitter with as few receivers as possible Finally, a localization method with stationary receivers be provided, which also works robustly in NLOS situations. To solve this problem, the invention proposes a localization method with the features of claim 1. In particular, according to the invention, in order to achieve the object in a method for locating a transmitter relative to at least one stationary receiver, as described in the introduction, it is proposed that time stamps representing the reception times of NLOS signals be used to calculate the current position of the device.
Somit können erfindungsgemäß zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Emp¬ fangszeitpunkte von, insbesondere ein- oder mehrmalig, reflektierten akustischen Signalen wiedergeben. Das „Nutzen von Zeitstempeln, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben" kann hier insbesondere so verstanden werden, dass die Berechnungseinheit derartige Zeitstempel nicht nur lediglich verarbeitet, sondern dass derartige Zeitstempel direkt in die Berechnung der aktuellen Position des Senders einfließen und somit die errechnete Position direkt beeinflussen . Thus, according to the invention to calculate the current position of the device time stamps are used, the Emp ¬ catch points in time of, in particular one or more times reflect reflected acoustic signals. The "use of time stamps that reproduce reception times of NLOS signals" can be understood here in particular as meaning that the calculation unit not only processes such time stamps, but that such time stamps flow directly into the calculation of the current position of the transmitter and thus the calculated position directly influence.
Bei Verwendung mehrere stationärer Empfänger ist es erfin¬ dungsgemäß bevorzugt, wenn diese miteinander synchronisiert sind. Bei Vorliegen eines einzigen Senders, kann erfindungsgemäß auf die Verwendung des Identifikators verzichtet wer¬ den, wodurch die Komplexität des Verfahrens in vorteilhafter Weise reduziert werden kann. When using a plurality of stationary receiver, it is preferred according OF INVENTION ¬ dung, if they are synchronized with each other. In case of a single transmitter, can according to the invention to the use of the identifier omitted who ¬, thereby increasing the complexity of the process can be reduced in an advantageous manner.
Die Anwendung eines Lokalisierungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Verfahren, eine höhere Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders erreicht werden kann, da zusätzlich zu LOS-Signalen auch NLOS-Signale zur Ortsbestimmung genutzt werden. Wie noch genauer anhand der Figuren zu erläutern sein wird, kann jedem NLOS-Signal „ein virtueller Empfänger" zugeordnet werden, der auf einer Achse liegt, die der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Signals beim Aussenden vom Sender entspricht. Somit verbessert die Aus- nutzung einer erhöhten Anzahl aus realen und virtuellen Empfängern die Genauigkeit in der Ortsbestimmung, da mehr Daten für die Berechnung der Ortsposition des Senders berücksichtigt werden können. Insbesondere wird damit im Unterschied zu im Stand der Technik bekannten Verfahren eine Ortsbestimmung auch in solchen Situationen möglich, in denen keine LOS-Verbindung zu einem der Empfänger besteht. Wird lediglich eine 2D-Position des Senders benötigt, so liefert das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren bereits mit einem einzelnen stationärer Empfänger verlässliche Positionsdaten des Empfängers. Eine wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lokalisierungsverfahren mit stationären Empfängern liegt somit darin, dass bei gleicher Anzahl an Empfängern die Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders signifikant verbessert werden kann beziehungsweise dass eine vergleichbare Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders mit einer geringeren Anzahl an Empfängern erreicht werden kann. Damit kann insbesondere die Redundanz an Empfängern reduziert werden, was in vielen Anwendungen einen großen wirtschaftlichen Vorteil darstellt, aufgrund des verringerten Installationsaufwands. The use of a localization method with the features of claim 1 has the advantage that, in comparison to known in the prior art method, a higher accuracy in the location of the transmitter can be achieved, since in addition to LOS signals and NLOS signals used for location determination become. As more accurate with reference to the figures 2, each NLOS signal may be assigned a "virtual receiver" located on an axis corresponding to the original direction of propagation of the signal as it is transmitted from the transmitter, thus enhancing the utilization of an increased number of real and virtual receivers the accuracy in the location determination, since more data can be taken into account for the calculation of the position of the transmitter, in particular, unlike methods known in the prior art, a location determination becomes possible even in those situations in which there is no LOS connection to one of the receivers If only one 2D position of the transmitter is required, then the localization method according to the invention already provides reliable position data of the receiver with a single stationary receiver A significant advantage of the present invention in comparison with statization methods known from the prior art ionic receivers is thus that with the same number of receivers, the accuracy in the location of the transmitter can be significantly improved or that a comparable accuracy in the location of the transmitter can be achieved with a smaller number of receivers. In particular, the redundancy at receivers can be reduced, which represents a great economic advantage in many applications, due to the reduced installation effort.
Bei der Verwendung von reflektierten Signalen zur Ortsbestimmung steigt die Komplexität der von der Recheneinheit angewandten Algorithmik stark an. Die Erfindung hat jedoch er- kannt, dass es im Stand der Technik Hardware gibt, die ge- nügend Rechenleistung bietet, um die notwendigen Rechenoperationen in Echtzeit auszuführen und dass sich die Erfindung insbesondere mit eingebetteten Systemen umsetzen lässt. When using reflected signals for location determination, the complexity of the algorithms applied by the arithmetic unit greatly increases. However, the invention has recognized that in the prior art there are hardware which Provides sufficient computing power to perform the necessary arithmetic operations in real time and that the invention can be implemented in particular with embedded systems.
Zur Nutzung von NLOS-Signalen zur Ortsbestimmung eines Senders mit Hilfe eines der oben und im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit durch zufällige Selektion von Zeitstempeln Tupel generiert. Hierbei ist es für eine 2D Bestimmung ausreichend, wenn Tupel aus mindestens drei Zeitstempeln generiert werden; für eine 3D-Positionsbestimmung ist es entsprechend ausreichend, wenn Tupel aus jeweils mindestens vier Zeitstempeln generiert werden. To use NLOS signals for determining the position of a transmitter by means of one of the methods described above and below, it can be provided, for example, that the calculation unit generates tuples by random selection of time stamps. In this case it is sufficient for a 2D determination if tuples are generated from at least three time stamps; For a 3D position determination, it is accordingly sufficient if tuples are generated from at least four time stamps.
Ferner kann vorgesehen sein, dass durch Anwendung einer hinterlegten Berechnungsvorschrift auf ein jeweiliges dieser Tupel Schätzwerte eines Aussendezeitpunkts tO eines Schallwellenpakets errechnet werden. Anschließend können aus den errechneten Schätzwerten anhand eines statistischen Schätzers tO* für den Aussendezeitpunkt tO Klassen gebildet werden, wobei der statistische Schätzer fortlaufend aus Schätzwerten tO der meistbevölkerten Klasse errechnet wird. Die aktuelle Position des Senders kann dann beispielsweise aus dem aktuellen statistischen Schätzer tO*, einer Selektion von n Zeitstempeln, die beispielsweise der aktuell meistbevölkerten Klasse entsprechen können, sowie aus Ortspositionen der Empfänger errechnet werden. Die Bildung von Tupeln als auch die in diesem Abschnitt beschriebenen Rechenoperationen können in vorteilhafter Weise direkt von der Berechnungseinheit ausgeführt werden. Dabei kann für den statistischen Schätzer tO* beispielsweise ein Median-Wert einer meistbevölkerten Klasse verwendet werden. Furthermore, it can be provided that by applying a stored calculation rule to a respective one of these tuples, estimated values of a transmission time tO of a sound wave packet are calculated. Subsequently, classes can be formed from the calculated estimated values on the basis of a statistical estimator t0 * for the emission time t0, the statistical estimator being calculated continuously from estimated values t0 of the most heavily populated class. The current position of the transmitter can then be calculated, for example, from the current statistical estimator t0 *, a selection of n time stamps, which may correspond, for example, to the currently most populated class, and from local positions of the receivers. The formation of tuples as well as the computational operations described in this section can advantageously be performed directly by the computation unit. For example, for the statistical estimator t0 *, a median value of a most populated class can be used.
Damit ist eine konkrete Ausgestaltung des hier diskutierten erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Für die Erhöhung der Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders kann es ferner vorteilhaft sein, wenn einzelne der Tupel, aus denen Schätzwerte tO zur Bestimmung des statistischen Schätzers t0* gewonnen werden, mindestens einen Zeitstempel aufweisen, der aus einem NLOS-Signal generiert wurde. Hierbei kann das NLOS-Signal insbesondere durch Reflektion eines Schallwellenpakets am Boden, an einer Wand oder an einem sonstigen Objekt hervorgerufen worden sein. Thus, a specific embodiment of the method according to the invention discussed here is described. For increasing the accuracy in the localization of the transmitter, it may also be advantageous if individual ones of the tuples from which estimated values t0 for determining the statistical estimator t 0 * are obtained have at least one time stamp which was generated from an NLOS signal. In this case, the NLOS signal may have been caused in particular by reflection of a sound wave packet on the ground, on a wall or on another object.
Um die für die Lokalisierung des Senders notwendige Rechenkapazität zu begrenzen kann es vorteilhaft sein, wenn die Berechnungsvorschrift eine quadratische Gleichung ist. Hierbei kann die Berechnungsvorschrift beispielsweise auf die Annahme gestützt werden, dass alle Empfänger in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wobei diese gemeinsame Ebene insbeson¬ dere parallel zu einem Boden unterhalb der Empfänger verlaufen kann. Erfindungsgemäß können aber auch Empfängeranordnungen verwendet und/oder berücksichtigt werden, bei denen die Empfänger beispielsweise in einer vertikal verlaufenden gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Solchen Anordnungen ist gemeinsam, dass sie eine besonders effiziente Ausnutzung von NLOS-Signalen für die Berechnung der Ortsposition des Senders erlauben . In order to limit the computing capacity necessary for the localization of the transmitter, it may be advantageous if the calculation rule is a quadratic equation. Here, the calculation rule can be based on the assumption for example, that all the receivers are arranged in a common plane, said common plane may be parallel to a floor below the receiver insbeson ¬ particular. According to the invention, however, receiver arrangements can also be used and / or taken into account, in which the receivers are arranged, for example, in a vertically extending common plane. Such arrangements have in common that they allow a particularly efficient use of NLOS signals for the calculation of the spatial position of the transmitter.
Ferner kann der Rechenaufwand weiter reduziert werden, wenn beispielsweise höchstens drei Zeitstempel oder höchstens vier Zeitstempel von der Berechnungsvorschrift berücksichtigt werden. Denn eine solche Vorgehensweise ist bereits ausreichend, um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine 2D beziehungsweise 3D-Lokalisierung des Senders zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Verfahren so ausgelegt werden, dass ein einzelnes der Tupel, welches zur Errechnung der Ortsposition des Senders verwendet wird, höchstens drei, vorzugsweise höchstens vier, Zeitstempel aufweist. Im Unterschied zu im Stand der Technik bekannten Verfahren können bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur 2D Lokalisierung des Senders, auch solche Tupel verwendet werden, die Zeitstempel von nur einem einzigen stationären Empfänger aufweisen; für eine 3D Lokalisierung des Senders können Tupel verwendet werden, die Zeitstempel von weniger als drei stationären Empfängern, also insbesondere Zeitstempel von nur zwei Empfängern oder nur von einem einzigen Empfänger, aufweisen. Furthermore, the computational effort can be further reduced if, for example, at most three timestamps or at most four timestamps are taken into account by the calculation rule. Because such an approach is already sufficient to allow using the method according to the invention, a 2D or 3D localization of the transmitter. For example, the method may be designed such that a single one of the tuples used to calculate the location of the transmitter has at most three, preferably at most four, time stamps. In contrast to methods known in the prior art, when using a method according to the invention for the 2D localization of the transmitter, it is also possible to use those tuples which have time stamps from only a single stationary receiver; for a 3D localization of the transmitter tuples can be used, the timestamps of less than three stationary receivers, ie in particular timestamps of only two receivers or only from a single receiver have.
Das erfindungsgemäße Lokalisierungsverfahren kann insbesondere in solchen Situationen angewendet werden, in denen der Sender Teil eines mobilen Objekts ist. Der Sender kann beispielsweise in Form eines Clips vorliegen, der an einem beweglichen Gegenstand befestigt werden kann und der lediglich über eine Energieversorgung verfügt, um das Aussenden der Schallwellen zu ermöglichen. The localization method according to the invention can be used in particular in situations in which the transmitter is part of a mobile object. The transmitter may, for example, be in the form of a clip which can be attached to a mobile object and which has only a power supply to allow the transmission of the sound waves.
Insbesondere kann der Sender erfindungsgemäß Teil eines tragbaren elektronischen Geräts sein. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Berechnungseinheit die errechnete Position des Senders, insbesondere drahtlos, an das Gerät kommuniziert. Ferner kann in diesem Fall vorgesehen sein, dass das Gerät digitale Daten, insbesondere den Iden- tifikator, in die Schallwellenpakete kodiert, vorzugsweise mittels eine Frequenzverfahrens und/oder dass die Empfänger aus empfangenen akustischen Signalen kodierte digitale Daten entnehmen und dekodieren. Da die relative Position zwischen Sender und dem tragbaren elektronischen Gerät oder etwa einen mobilen Objekt, an welchem der Sender befestigt ist, in der Regel bekannt ist, lässt sich somit aus der Position des Senders präzise, oder zumindest näherungsweise, auf die Position des elektronischen Geräts oder des mobilen Objekts rück- schließen . Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit Teil des Geräts ist. In diesem Fall kann die Ortsbestimmung somit von dem Gerät selbst ausgeführt werden. Hierbei können insbesondere der mindestens eine Empfänger beziehungsweise die mindestens zwei stationären Empfänger die Zeitstempel, den zugehörigen Identifikator und/oder eine jeweilige eindeutige Empfängerkennung drahtlos an das Gerät übertragen . In particular, the transmitter according to the invention may be part of a portable electronic device. In this case, it is particularly advantageous if the calculation unit communicates the calculated position of the transmitter, in particular wirelessly, to the device. Furthermore, it can be provided in this case that the device encodes digital data, in particular the identifier, into the sound wave packets, preferably by means of a frequency method and / or that the receivers extract and decode encoded digital data from received acoustic signals. Thus, since the relative position between the transmitter and the portable electronic device, or about a mobile object to which the transmitter is attached, is usually known, the position of the transmitter can precisely, or at least approximately, the position of the electronic device or the mobile object. According to the invention, it may further be provided that the calculation unit is part of the device. In this case, the location determination can thus be carried out by the device itself. In this case, in particular the at least one receiver or the at least two stationary receivers can transmit the time stamp, the associated identifier and / or a respective unique receiver identifier wirelessly to the device.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe durch weitere vorteilhafte Ausführungen, wie in den Unteransprüchen beschrieben, gelöst werden . Werden beispielsweise mehrere Empfänger, insbesondere mindestens zwei Empfänger, verwendet, so kann in diesem Fall jeder der Empfänger bei Eingang von akustischen Signalen entsprechende Zeitstempel generieren und diese Zeitstempel als auch den Identifikator an die Berechnungseinheit übertragen. Damit ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens zwei stationären Empfängern definiert bei dem, der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei die mindestens zwei stationären Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfangen, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei die mindestens zwei Empfänger Zeitstempel gene¬ rieren, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akusti¬ schen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, wobei die mindestens zwei Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit übertragen und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet, und wobei erfindungsgemäß zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben . According to the invention, the object can be achieved by further advantageous embodiments as described in the subclaims. If, for example, several receivers, in particular at least two receivers, are used, in this case each of the receivers can generate corresponding time stamps upon receipt of acoustic signals and transmit these time stamps as well as the identifier to the calculation unit. Thus, a method of locating a transmitter relative to at least two stationary receivers is defined in which transmitter transmits sound wave packets each carrying a unique identifier, the at least two stationary receivers receiving acoustic signals caused by the sonic wave packets, the identifier being the signals is removed, said at least two receiver time stamp generated ¬ Center, representing the respective reception timing of a akusti ¬ rule signal in the respective receiver, wherein the at least two receivers transmit the time stamp and the associated identifier to a calculation unit, and wherein the calculation unit from the timestamps calculates the current position of the transmitter, and wherein according to the invention timestamps are used to calculate the current position of the device, the reception times of NLOS signals play.
Von Vorteil ist bei einem derartigen Verfahren, dass bereits mit lediglich zwei stationären Empfängern eine zuverlässige 3D-Lokalisierung des Senders möglich ist, selbst dann, wenn ausschließlich NLOS-Signale von den beiden Empfängern empfangen werden. An advantage of such a method is that even with only two stationary receivers a reliable 3D localization of the transmitter is possible, even if only NLOS signals are received by the two receivers.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Empfänger oder die mindestens zwei Empfänger eine jeweilige eindeutige Empfängerkennung an eine Berechnungseinheit übertragen, insbesondere zusammen mit jedem übertragenen Zeitstempel. Durch eine derartige Ausgestaltung kann sichergestellt werden, dass die Berechnungseinheit empfangene Zeit- Stempel den einzelnen Empfängern zuordnen kann, wodurch insbesondere die Zeitstempel von mehreren Empfängern zur Berechnung der Ortsposition des Senders ausgenutzt werden können. Alternativ kann die Empfängerkennung aber auch aus Messdaten geschätzt werden. According to the invention, it can be provided that the at least one receiver or the at least two receivers transmit a respective unique receiver identifier to a computing unit, in particular together with each transmitted time stamp. Such a configuration can ensure that the calculation unit can assign received time stamps to the individual receivers, as a result of which, in particular, the time stamps of several receivers can be utilized for calculating the spatial position of the transmitter. Alternatively, the receiver identifier can also be estimated from measured data.
Ferner kann erfindungsgemäß zur Berechnung der aktuellen Position des Senders mindestens eine Ortsposition eines Empfängers verwendet werden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht die Bestimmung der absoluten Position des Senders, beispielsweise innerhalb eines Raums. Furthermore, according to the invention at least one spatial position of a receiver can be used to calculate the current position of the transmitter. This embodiment of the method makes it possible to determine the absolute position of the transmitter, for example within a room.
Erfindungsgemäß ist es für einen geringen Rechenaufwand vorteilhaft, wenn die Berechnung der Ortsposition des Senders auf eine Annahme über eine Lage einer Reflexionsebene ge- stützt wird. Beispielsweise kann die Berechnung so durchgeführt werden und/oder die Berechnungseinheit so programmiert sein, dass eine bestimmte Höhe des Senders über einem Boden angenommen wird, der als Reflexionsfläche dient. Die Annahme über die Höhe des Senders kann beispielsweise durch eine Schätzung gewonnen werden, die von der Berechnungseinheit während der Lokalisierung des Senders bereitgestellt wird. Ferner kann die Lage mehrerer Reflexionsebenen zueinander, beispielsweise deren Winkel zueinander, bei der Berechnung der Ortsposition des Senders berücksichtigt werden. Die Berechnung kann auch auf die Annahme gestützt werden, dass sich der Sender und die Empfänger in einem quaderförmigen Raum, insbesondere mit rechtwinkligen Wänden, befindet/befinden. Zusammenfassend kann die Annahme somit die relative oder absolute Lage einer Reflexionsebene in Bezug auf den Sender und/oder in Bezug auf mindestens einen der Empfänger und/oder in Bezug auf eine weitere Reflexionsebene betreffen. Somit kann erfindungsgemäß insbesondere die relative Position mindestens eines Empfängers zu einer oder der Reflexionsebene bei der Berechnung berücksichtigt werden. Alle diese Annahmen können erfindungsgemäß sowohl auf bekannten Informationen oder auf Schätzung gewonnen Informationen beruhen. According to the invention, it is advantageous for a low computation outlay if the calculation of the spatial position of the transmitter is based on an assumption about a position of a reflection plane. For example, the calculation can be carried out and / or the calculation unit programmed so that a certain height of the transmitter is assumed above a floor, which serves as a reflection surface. The assumption about the height of the transmitter can be obtained, for example, by an estimate derived from the calculation unit provided during the localization of the transmitter. Furthermore, the position of a plurality of reflection planes relative to one another, for example their angles to one another, can be taken into account in the calculation of the spatial position of the transmitter. The calculation can also be based on the assumption that the transmitter and the receiver are / are located in a parallelepipedic space, in particular with rectangular walls. In summary, the assumption may thus relate to the relative or absolute position of a reflection plane with respect to the transmitter and / or with respect to at least one of the receivers and / or with respect to a further reflection plane. Thus, according to the invention, in particular the relative position of at least one receiver to one or the reflection plane can be taken into account in the calculation. All of these assumptions can be based on known information or estimated information in accordance with the invention.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Ortsposition eines Empfängers von der Berechnungseinheit geschätzt wird. Erfindungsgemäß kann diese Schätzung mittels eines initialen Kalibrierverfahrens erfolgen. Von Vorteil ist hierbei, dass der Aufwand bei der Installation der Empfänger gering gehalten werden kann, da die genauen Ortspositionen der Empfänger nicht aufwendig bestimmt werden müssen. Vielmehr kann bei jeder erneuten Anwendung des Lokalisierungsverfahrens, die Berechnungseinheit eine initiale Kalibrierung vornehmen, während derer die Ortspositionen durch Schätzung gewonnen werden. A further preferred embodiment according to the invention provides that at least one spatial position of a receiver is estimated by the calculation unit. According to the invention, this estimation can take place by means of an initial calibration method. The advantage here is that the cost of installing the receiver can be kept low because the exact location positions of the receiver does not have to be determined consuming. Rather, each time the localization method is used again, the calculation unit may perform an initial calibration during which the location positions are obtained by estimation.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn zur Schätzung der Ortsposition eines Empfängers ein TDOA Algorithmus angewendet wird. Denn dieser erfordert insbesondere keine Synchronisation zwischen dem Sender und dem/den Empfänger (n) . Ferner können für die Schätzung der Ortsposition des Empfängers während eines initialen Kalibrierverfahrens Zeitstempel verwendet werden, die von NLOS-Signalen generiert worden sind . According to the invention, it is preferred if a TDOA algorithm is used to estimate the position of a receiver. Because this requires in particular no synchronization between the transmitter and the / the receiver (s). Furthermore, timestamps generated by NLOS signals may be used to estimate the position of the receiver during an initial calibration procedure.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Senders Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von an einem Boden reflektierten akustischen Signalen wiedergeben. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die mindestens zwei Empfänger in gleicher Höhe über dem Boden stationär installiert werden, der für die akustischen Signale als Reflexionsebene dient. „Gleiche Höhe" kann hier insbesondere so verstanden werden, dass die Empfänger in Höhen über dem Boden angeordnet werden, die sich im Rahmen der Messgenauigkeit des Verfahrens nicht voneinander unterscheiden lassen. Dieser Ansatz ermöglicht eine besonders einfache technische Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da für die Berechnung der Ortsposition eine einfache quadratische Gleichung verwendet werden kann, wie zuvor bereits beschrieben. Damit kann der Rechenaufwand für die Lokalisierung des Senders gering gehalten werden kann, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf einem tragbaren elektronischen Gerät mit begrenzter Rechenkapazität, wie beispielsweise einem smart phone, ausgeführt werden soll. In an advantageous embodiment, it can be provided that timestamps are used to calculate the current position of the transmitter, which reproduce reception times of acoustic signals reflected on a floor. In this case, it is preferred if the at least two receivers are stationarily installed at the same height above the ground, which serves as a reflection plane for the acoustic signals. In this case, "equal height" can be understood in particular as meaning that the receivers are arranged at heights above the ground, which can not be differentiated within the scope of the measuring accuracy of the method 2, since a simple quadratic equation can be used for the calculation of the spatial position, as already described above, so that the computational outlay for the localization of the transmitter can be kept low, which is particularly advantageous if the method according to the invention is based on a portable electronic device with limited computing capacity, such as a smart phone, to be executed.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, lässt sich die Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders weiter steigern, indem die Berechnungseinheit die aktuelle Position des Senders mittels eines Optimierungsalgorithmus errechnet. Der Optimierungsalgorithmus kann hierbei beispielsweise n Zeitstempel berücksichtigen, die in einem vorhergehenden Verfahrensschritt selektiert wurden, beispielsweise, wie bereits oben beschrieben, mit Hilfe einer anfänglich zufälligen Selektion und weiterer Filterung mit Hilfe eines statisti- sehen Schätzers t0* für den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets. Dabei kann für jedes dieser selektierten Zeitstempel, die jeweils von einem Empfänger geniert worden sind, ein Restfehler berechnet werden und von dem Optimierungsalgorithmus berücksichtigt werden. Der Restfehler kann hierbei insbesondere als eine Differenz zwischen einer aus errechneten und/oder bekannten Raumpositionen bestimmten Sender-Empfänger-Entfernung und einer aus einer TOF-basierten Schätzung der Sender-Empfänger-Entfernung definiert sein. Für die TOF-Schätzung kann hierbei auf einen aktuellen Schätzwert to* für den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets zurückgegriffen werden. According to a further embodiment of the invention, the accuracy in the position determination of the transmitter can be increased further by the calculation unit calculating the current position of the transmitter by means of an optimization algorithm. The optimization algorithm may, for example, take into account n time stamps that were selected in a preceding method step, for example, as already described above, with the aid of an initially random selection and further filtering with the aid of a statistical method. see estimator t 0 * for the emission time of a sonic wave packet. In this case, a residual error can be calculated for each of these selected timestamps, each of which has been embarrassed by a receiver, and taken into account by the optimization algorithm. The residual error may in this case be defined in particular as a difference between a transmitter-receiver distance determined from calculated and / or known spatial positions and one from a TOF-based estimate of the transmitter-receiver distance. For the TOF estimation, a current estimate to * for the time of emission of a sound wave packet can be used.
Es wurde bereits erläutert, dass es erfindungsgemäß bevorzugt sein kann, die Empfänger in einer gemeinsamen Ebene über einem Boden anzuordnen, denn in diesem Fall kann die Lage des Bodens relativ zu den Empfängern bei der Berechnung der Ortsposition des Senders berücksichtigt werden, wobei der Boden für einige der für die Ortsbestimmung genutzten Signale als Reflexionsebene dient. Analog zu diesem Ansatz kann erfindungsgemäß zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders vorgesehen sein, dass zur Errechnung der aktuellen Position des Senders Positionen von Reflexionsebenen oder Schätzungen von Positionen von Reflexionsebenen berücksichtigt werden, insbesondere durch die Berechnungsein¬ heit. Somit können beispielsweise Informationen über die Lage von Wänden eines Raumes, welche vom Sender ausgesandte Schallwellen reflektieren, bei der Berechnung der Ortsposition berücksichtigt werden und somit diese verbessern. It has already been explained that it may be preferred according to the invention to arrange the receivers in a common plane above a ground, because in this case the position of the ground relative to the receivers can be taken into account in the calculation of the position of the transmitter, the ground being for some of the signals used for location serve as a reflection plane. Analogously to this approach can be inventively provided to further increase the accuracy in the localization of the transmitter, that for calculating the current position of the transmitter positions of the reflection planes or estimates positions are taken into account by the reflection planes, in particular by Berechnungsein ¬ unit. Thus, for example, information about the position of walls of a room which reflect sound waves emitted by the transmitter can be taken into account in the calculation of the spatial position and thus improve it.
Die bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren können bevorzugt mittels eines TDOA-Algorithmus implementiert werden. Sie sind jedoch nicht auf diesen Ansatz beschränkt. Vielmehr kann beispielsweise die Berechnungseinheit die Po¬ sition des Senders mittels eines time-difference-of-arrival (TDoA) Algorithmus und/oder mittels eines time-of-flight (TOF) Algorithmus errechnen. Hierzu kann eine zusätzliche Synchronisierung zwischen Sender und dem mindestens einen Empfänger vorgesehen sein. Damit sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung benannt, mit denen eine verbesserte Robustheit und/oder Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders erreicht werden kann. The inventive methods described so far can preferably be implemented by means of a TDOA algorithm. However, they are not limited to this approach. Rather, for example, the calculation unit, the Po ¬ position of the transmitter by means of a time-difference-of-arrival (TDoA) algorithm and / or using a time-of-flight (TOF) algorithm. For this purpose, an additional synchronization between transmitter and the at least one receiver may be provided. Thus, further embodiments of the invention are named, with which an improved robustness and / or accuracy in the location of the transmitter can be achieved.
Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schallwellenpakete mit einer gleichbleibenden Zeitdauer und/oder in gleichbleibenden Zeitabständen von dem Sender ausgesendet werden. Von Vorteil ist dabei, dass bei bekannter Intervalllänge eines Schallwellenpakets und damit der von ihm erzeugten akustischen Signale die Robustheit der Lokalisie- rung weiter erhöht werden kann, da zur Berechnung der aktuellen Position des Senders auch solche Zeitstempel genutzt werden können, die in unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder ausgehend von verschiedenen Senderpositionen vom Sender ausgesandt wurden. Insbesondere ermöglicht dieser Ansatz somit die Ausnutzung von Zeitstempeln zur Positionsbestimmung, die von unterschiedlichen Schallwellenpaketen herrühren, wodurch sich die Genauigkeit in der Bestimmung der Ortsposition des Senders weiter verbessern lässt. Ferner können diese Zeitstempel damit beispielsweise zur Bestimmung eines statisti- sehen Schätzers t0* für den Aussendezeitpunkt eines Schallwellenpakets verwenden werden. According to the invention, it is particularly advantageous if the sound wave packets are transmitted by the transmitter with a constant time duration and / or at constant time intervals. The advantage here is that with known interval length of a sound wave packet and thus the acoustic signals generated by it, the robustness of the localization can be further increased, since for calculating the current position of the transmitter and those timestamps can be used at different times and / or starting from different transmitter positions sent by the transmitter. In particular, this approach thus allows the use of time stamps for position determination, which originate from different sound wave packets, which can further improve the accuracy in the determination of the spatial position of the transmitter. Furthermore, these time stamps can thus be used, for example, to determine a statistical estimator t 0 * for the emission time point of an acoustic wave packet.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders mittels von dem Sender ausgesandter Schallwellenpakete vorgeschlagen, dass die Vorrichtung mindestens einen stationären Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu dem mindestens einen statio- nären Empfänger umfasst, dass der mindestens eine Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, dass der mindestens eine Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet ist, und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt. To achieve the above object, the features of the independent device claim are provided according to the invention. In particular, according to the invention, in order to achieve the object in a device for locating a transmitter by means of sound wave packets emitted by the transmitter, it is proposed that the device has at least one stationary receiver and a calculation unit for calculating the position of the transmitter relative to the at least one stationary transmitter. comprises that the at least one receiver is adapted to receive acoustic signals produced by the acoustic wave packets, to extract an identifier from a received acoustic signal and to generate timestamps, the timestamps being the respective time of receipt of an acoustic signal in the at least one receiver reproduce that the at least one receiver is set up for data transmission to the calculation unit, and that the calculation unit is set up to use NLOS signals for calculating the position of the transmitter.
Im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen verbessert diese Vorrichtung sowohl die Robustheit der Lokalisierung in NLOS-Situation als auch die Genauigkeit in der Ortsbestimmung des Senders. Compared to devices known in the art, this device improves both the robustness of the localization in NLOS situation and the accuracy in the location of the transmitter.
Eine wichtige Voraussetzung für die Nutzung von akustischen NLOS-Signalen für die Positionsbestimmung eines Senders besteht darin, dass die einzelnen Empfänger in der Lage sind die NLOS-Signale zu detektieren, die aufgrund der Reflektion an einer Oberfläche typischerweise schwächer sind als vom selben Schallwellenpaket erzeugte LOS-Signale. Daher kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass der mindestens eine Empfänger ein Mikrofon umfasst, mit einer Sen- sitivität, die sowohl die Detektion von LOS-Signalen als auch von schwächeren NLOS-Signalen erlaubt. An important prerequisite for the use of acoustic NLOS signals for the position determination of a transmitter is that the individual receivers are able to detect the NLOS signals, which are typically weaker than the LOS generated by the same sound wave packet due to the reflection on a surface signals. Therefore, it can be provided according to the invention, in particular, that the at least one receiver comprises a microphone with a sensitivity which allows both the detection of LOS signals and of weaker NLOS signals.
Ferner müssen bei Verwendung von NLOS-Signalen zur Positionsbestimmung die Empfänger und/oder die Berechnungseinheit so leistungsfähig sein, dass eine Vielzahl von in sehr kurzen Zeitabständen eintreffenden akustischen Signalen getrennt voneinander detektiert werden können. Hierfür kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, wenn die Recheneinheit zu einer parallelen Ausführung von für die Ortbestimmung notwendigen Rechenoperationen eingerichtet ist. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines Mikroprozessors mit mehreren Kernen realisiert werden. Furthermore, when using NLOS signals for position determination, the receiver and / or the calculation unit must be so powerful that a large number of acoustic signals arriving at very short time intervals can be detected separately from one another. For this purpose, it may be advantageous according to the invention if the arithmetic unit is required for a parallel execution of the location determination Arithmetic operations is set up. This can be realized, for example, by using a multi-core microprocessor.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mindestens zwei stationäre Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu den mindestens zwei stationären Empfängern umfasst, dass jeder der mindestens zwei Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, dass die mindestens zwei Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet sind und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt. According to the invention, it can be provided that the device comprises at least two stationary receivers and a calculation unit for calculating the position of the transmitter relative to the at least two stationary receivers, that each of the at least two receivers for receiving acoustic signals produced by the sound wave packets, for taking out an identifier is set up from a received acoustic signal and for generating time stamps, wherein the time stamps reproduce the respective time of reception of an acoustic signal in the respective receiver, that the at least two receivers are set up for data transmission to the calculation unit and that the calculation unit is set up such that it Uses NLOS signals to calculate the position of the transmitter.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich insbesondere für das selbständige Navigieren innerhalb von Gebäuden eignet, ist vorgesehen, dass der Sender Teil eines tragbaren elektronisches Geräts ist. Um nun zu ermöglichen, dass das elektronische Gerät eine errechnete Position des Senders anzeigen oder akustisch wiedergeben kann, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet ist. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Berechnungseinheit Teil des Geräts ist. In diesem Fall kann der mindestens eine stationäre Empfänger oder die mindestens zwei stationären Empfänger zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet sein. In a further device according to the invention, which is particularly suitable for autonomous navigation within buildings, it is provided that the transmitter is part of a portable electronic device. In order to enable the electronic device to display or acoustically reproduce a calculated position of the transmitter, it can be provided according to the invention that the calculation unit is set up for wireless data transmission to the device. Alternatively or additionally, it can be provided that the calculation unit is part of the device. In this case, the at least one stationary receiver or the at least two stationary receivers can be set up for wireless data transmission to the device.
Um die volle Funktionalität der hier diskutierten Verfahren nutzen zu können, kann in erfindungsgemäßen Vorrichtungen die Berechnungseinheit zur Durchführung eines oder mehrerer der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 eingerichtet sein. Hierbei können die notwendigen Anpassungen der Berechnungseinheit anhand der obigen Beschreibung der Verfahren abgeleitet werden. In order to be able to use the full functionality of the methods discussed here, in devices according to the invention, the Calculating unit for performing one or more of the methods according to one of claims 1 to 16 to be set up. In this case, the necessary adjustments of the calculation unit can be derived from the above description of the methods.
Schließlich sieht die Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe die Verwendung einer Software auf einem trag¬ baren elektronischen Gerät vor. Diese Software dient der Anwendung eines der hier diskutierten erfindungsgemäßen Verfahren und zeichnet sich dadurch aus, dass sie dazu eingerichtet ist, einen Sender des Geräts anzusteuern, um Schallwellenpakete auszusenden und diese mit einem Identifikator zu versehen, und dass sie dazu eingerichet ist, von einer Be¬ rechnungseinheit des Geräts errechnete Positionsdaten grafisch oder akustisch auszugeben. Die Verwendung einer solchen Software, insbesondere auf einem smart phone, hat den technischen Vorteil, dass der Installationsaufwand bei der Errichtung einer Vorrichtung zur Nutzung eines der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahren verringert werden kann, da auf eine von dem Gerät separate, stationär installierte Berechnungseinheit verzichtet werden kann und die Empfänger lediglich mit dem tragbaren elektronischen Gerät, beispielsweise über eine LAN-Verbindung, kommunizieren können . Finally, the invention provides for the solution of the problem mentioned above, the use of software on a portable ¬ ble electronic device. This software is for the application of one of the methods of the invention discussed herein, and is characterized in that it is adapted to drive a transmitter of the apparatus to transmit sound wave packets and to provide them with an identifier, and that it is set to a Be ¬ output the calculated unit of position of the device graphically or acoustically. The use of such software, in particular on a smart phone, has the technical advantage that the installation effort in the construction of a device for using one of the locating methods according to the invention described here can be reduced since a separate, stationarily installed calculation unit is dispensed with can and the receiver can communicate only with the portable electronic device, for example via a LAN connection.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. The invention will now be described in detail with reference to an embodiment, but is not limited to this embodiment.
Weiterbildungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus der Kombination der Merkmale wenigstens eines Anspruchs mit den Merkmalen einzelner oder mehrerer Unteransprüche untereinander und/oder mit der nachfolgenden Beschreibung des Ausfüh- rungsbeispiels , insbesondere in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen. Further developments according to the invention result from the combination of the features of at least one claim with the features of one or more subclaims with one another and / or with the following description of the embodiment. Example, in particular in conjunction with the general description, the claims and the drawings.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Fig. 1 is a schematic sketch of an inventive
Vorrichtung zur Lokalisierung eines mobilen Senders,  Device for locating a mobile transmitter,
Fig. 2 eine schematische Skizze, die reale und virtuelle Fig. 2 is a schematic sketch, the real and virtual
Signalwege eines LOS-Signals und eines NLOS-Signals illustriert .  Signal paths of a LOS signal and an NLOS signal illustrated.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lokali- sierung eines mobilen Senders 1 mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Lokalisierungsverfahrens. Der Sender 1 ist durch den Lautsprecher eines tragbaren elektronischen Geräts, beispielsweise eines smart phones, realisiert und sendet in konstanten Zeitabständen Schallwellenpakete 3 von definierter Dauer aus. Unter einem Schallwellenpaket kann hier das kontinuierliche Aussenden von Schallwellen über eine gewisse Zeitdauer verstanden werden, wobei ein einzelnes Schallwellenpaket beispielsweise durch den Beginn des Aussendens der Schallwellen und die Zeitdauer des kontinuierlichen Aussen- dens der Schallwellen charakterisiert werden kann. Hierbei kann die Amplitude und/oder die Frequenz mit der Schallwellen ausgesendet werden variabel sein, insbesondere innerhalb eines Schallwellenpakets. Über dem Sender 1 sind mehrere Empfänger 2 stationär installiert, wobei die Sender in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wie es die gestrichelte Linie illustiert. FIG. 1 shows a device according to the invention for locating a mobile transmitter 1 with the aid of a localization method according to the invention. The transmitter 1 is realized by the loudspeaker of a portable electronic device, for example a smart phone, and transmits sound wave packets 3 of defined duration at constant time intervals. A sound wave packet can be understood here to be the continuous emission of sound waves over a certain period of time, wherein a single sound wave packet can be characterized, for example, by the beginning of the emission of the sound waves and the duration of the continuous external dens of the sound waves. In this case, the amplitude and / or the frequency can be emitted with the sound waves are variable, in particular within a sound wave packet. Above the transmitter 1, a plurality of receivers 2 are stationarily installed, the transmitters being arranged in a common plane, as illustrated by the dashed line.
Die vom Sender 1 ausgesandten Schallwellen erzeugen eine Vielzahl an akustischen Signalen 4, die sich entlang ver- schiedener Signalwege 6 geradlinig im Raum mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Das mit 7 bezeichnete akustische Signal 4 breitet sich auf direktem Wege zu dem linken Empfänger 2 aus. Solche Signale werden als line-of-sight (LOS) - Signale 7 bezeichnet. Daneben gibt es ein weiteres mit 8 bezeichnetes akustisches Signal 4, welches an einer Reflexionsebene 9 reflektiert wird und somit auf einem indirekten Signalweg 6 zum dem linken Empfänger 2 gelangt. Solche Signale werden als non-line-of-sight (NLOS ) -Signale bezeichnet. Wie gut zu erkennen ist, ist der Signalweg 6 des NLOS-Signals 8 länger als der Signalweg 6 des LOS-Signals 7. The sound waves emitted by the transmitter 1 generate a multiplicity of acoustic signals 4, which travel along different signal paths 6 propagate in a straight line in the room at the speed of sound. The acoustic signal 4 denoted by 7 propagates directly to the left receiver 2. Such signals are referred to as line-of-sight (LOS) signals 7. In addition, there is another acoustic signal 4 denoted by 8, which is reflected at a reflection plane 9 and thus reaches the left receiver 2 on an indirect signal path 6. Such signals are referred to as non-line-of-sight (NLOS) signals. As can be seen, the signal path 6 of the NLOS signal 8 is longer than the signal path 6 of the LOS signal 7.
Gemäß der Erfindung detektieren die Empfänger 2 die von einem Schallwellenpaket 3 hervorgerufenen akustischen Signale 4 und generieren Zeitstempel, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines eingetroffenen akustischen Signals 4 in dem jeweiligen Empfänger 2 wiedergeben. Die Empfänger 2 kommunizieren diese Zeitstempel mittels einer drahtlosen Verbindung an eine Berechnungseinheit 5, wie durch den rechten oberen Pfeil ange- deutet. Die Berechnungseinheit 5 errechnet aus den Zeitstempeln die Ortsposition des Senders 1, relativ zu den Empfängern 2, wobei erfindungsgemäß hierbei von reflektierten akustischen Signalen 4 generierte Zeitstempel in die Berechnung der Ortsposition einfließen. According to the invention, the receivers 2 detect the acoustic signals 4 caused by a sound wave packet 3 and generate timestamps which reproduce the respective time of receipt of an incoming acoustic signal 4 in the respective receiver 2. The receivers 2 communicate these time stamps by means of a wireless connection to a calculation unit 5, as indicated by the upper right arrow. The calculation unit 5 calculates from the time stamps the spatial position of the transmitter 1, relative to the receivers 2, according to the invention in this case generated by reflected acoustic signals 4 timestamps flow into the calculation of the spatial position.
Nach erfolgter Berechnung der aktuellen Ortsposition des Senders 1 überträgt die Berechnungseinheit 5 die Ortsposition drahtlos an das elektronische Gerät, dargestellt durch den rechten unteren Pfeil. Das Gerät verfügt über eine Anzeige, mit der die Ortsposition für den Benutzer visualisiert wird. After the calculation of the current spatial position of the transmitter 1, the calculation unit 5 transmits the location position wirelessly to the electronic device, represented by the lower right arrow. The device has a display that visualizes the location for the user.
Figur 2 veranschaulicht das Modell eines virtuellen Empfängers 10. Wie die gestrichelte Linie, die von dem Reflexionspunkt des NLOS-Signals 8 an der in Schnittansicht darge- stellten Reflexionsebene 9 ausgeht, darstellt, kann jedem realen Empfänger 2, der ein von einem Sender 1 ausgesandtes reales NLOS-Signal 8 empfängt, ein virtueller Empfänger 10 zugeordnet werden. Der virtuelle Empfänger 10 liegt dabei auf einer Achse, die der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des NLOS-Signals 8 zum Zeitpunkt der Aussendung vom Sender 1 entspricht. Die Position des virtuellen Empfängers 10 erhält man durch Spiegelung des realen Empfängers 2 an der Reflexionsebene 9. Es versteht sich, dass der Signalweg des realen NLOS-Signals 8 vom Sender 1 zum realen Empfänger 2 gerade dem gedachten Signalweg des virtuellen LOS-Signals vom Sender 1 zum virtuellen Empfänger 10 entspricht. Das vom Empfänger 2 detek- tierte NLOS-Signal 8 kann somit auch so berücksichtigt wer- den, als sei es von dem virtuellen Empfänger 10 als ein (virtuelles) LOS-Signal aufgezeichnet worden. Figure 2 illustrates the model of a virtual receiver 10. As shown by the dashed line starting from the reflection point of the NLOS signal 8 at the reflection plane 9 shown in section, each can real receiver 2, which receives a signal sent by a transmitter 1 real NLOS signal 8, a virtual receiver 10 are assigned. The virtual receiver 10 lies on an axis which corresponds to the original propagation direction of the NLOS signal 8 at the time of transmission from the transmitter 1. The position of the virtual receiver 10 is obtained by mirroring the real receiver 2 at the reflection plane 9. It is understood that the signal path of the real NLOS signal 8 from the transmitter 1 to the real receiver 2 is just the imaginary signal path of the virtual LOS signal from the transmitter 1 corresponds to the virtual receiver 10. The NLOS signal 8 detected by the receiver 2 can thus also be taken into account as if it had been recorded by the virtual receiver 10 as a (virtual) LOS signal.
Aufgrund der Spiegelung an der Reflexionsebene 9 unterscheidet sich der virtuelle Empfänger lediglich in seiner z-Koor- dinate von dem realen Empfänger 2, insofern die z-Achse normal zur Reflexionsebene 9 verläuft. Wird der Nullpunkt der z- Achse in die Reflexionsebene 9 gelegt, so unterscheiden sich die z-Koordinaten von realen Empfänger 2 und virtuellem Empfänger 10 lediglich im Vorzeichen. Due to the reflection at the reflection plane 9, the virtual receiver differs from the real receiver 2 only in its z-coordinates, insofar as the z-axis is normal to the reflection plane 9. If the zero point of the z-axis is placed in the reflection plane 9, then the z coordinates of the real receiver 2 and the virtual receiver 10 differ only in the sign.
Das Modell des virtuellen Empfängers veranschaulicht somit, wie durch Berücksichtigung von NLOS-Signalen 8 in realen Empfängern 2 zusätzliche virtuelle Empfänger 10 geschaffen werden können. Die verbesserte Genauigkeit des erfindungsge- mäßen Verfahrens kann daher vereinfacht so verstanden werden, dass sie durch die Erhöhung der Anzahl an genutzten (realen als auch virtuellen) Empfängern erreicht wird. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Lage der Reflexionsebene 9 zu einem realen Empfänger 2 bekannt ist oder zumindest geschätzt werden kann, da in diesem Fall die relative Position eines zugehörigen virtuellen Empfängers bekannt ist oder zumindest geschätzt werden kann. The model of the virtual receiver thus illustrates how 2 additional virtual receivers 10 can be created by considering NLOS signals 8 in real receivers. The improved accuracy of the method according to the invention can therefore be understood to be achieved by increasing the number of used (real and virtual) receivers. It is particularly advantageous if the position of the reflection plane 9 is known to a real receiver 2 or at least can be estimated, since in this case the relative position of a associated virtual receiver is known or at least can be estimated.
Zusammenfassend wird bei einem Lokalisierungsverfahren zur Bestimmung der Ortsposition eines mobilen Senders 1 relativ zu mindestens einem stationären Empfänger 2, insbesondere innerhalb eines Gebäudes, zur Erhöhung der Genauigkeit in der Ortsbestimmung vorgeschlagen, von dem mindestens einen Empfänger 2 empfangene akustische Signale 4, die von an Objekten reflektierten Schallwellen 3 erzeugt wurden, für die Berechnung der Ortsposition des Senders 1 zu nutzen. Durch diesen Ansatz kann insbesondere die Robustheit in der Lokalisierung des Senders 1 in Situationen erhöht werden, in denen keine oder eine nur unzureichende Anzahl an direkten line-of-sight Verbindungen 7 zwischen dem Sender 1 und zur Positionsbestimmung genutzten stationären Empfängern 2 bestehen . In summary, in a localization method for determining the spatial position of a mobile transmitter 1 relative to at least one stationary receiver 2, in particular within a building, to increase the accuracy in the position determination proposed by the at least one receiver 2 received acoustic signals 4, the objects reflected sound waves 3 were used for the calculation of the spatial position of the transmitter 1. In particular, robustness in the location of the transmitter 1 can be increased by this approach in situations in which there are no or only an insufficient number of direct line-of-sight connections 7 between the transmitter 1 and stationary receivers 2 used for position determination.
/ Bezugszeichenliste / List of Reference Signs
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Sender 1 transmitter
2 Empfänger  2 receivers
3 Schallwellenpaket 3 sound wave package
4 akustisches Signal  4 acoustic signal
5 Berechnungseinheit  5 calculation unit
6 Signalweg  6 signal path
7 LOS-Signal  7 LOS signal
8 NLOS-Signal 8 NLOS signal
9 Reflexionsebene  9 level of reflection
10 Virtueller Empfänger  10 Virtual Receiver
/ Ansprüche / Claims

Claims

Ansprüche claims
Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens einem stationären Empfänger, wobei der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei der mindestens eine stationäre Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfängt, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei der mindestens eine Empfänger Zeitstempel generiert, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, wobei der mindestens eine Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit überträgt und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben. A method for locating a transmitter relative to at least one stationary receiver, wherein the transmitter emits sound wave packets, each transporting a uniform identifier, wherein the at least one stationary receiver receives acoustic signals caused by the sound wave packets, wherein the identifier is taken from the signals, wherein the at least a receiver generates timestamps which represent the respective time of receipt of an acoustic signal in the at least one receiver, wherein the at least one receiver transmits the time stamp and the associated identifier to a calculation unit and wherein the calculation unit calculates the current position of the transmitter from the time stamps, characterized in that time stamps representing the reception times of NLOS signals are used to calculate the current position of the device.
Verfahren zur Lokalisierung eines Senders relativ zu mindestens zwei stationären Empfängern, wobei der Sender Schallwellenpakete aussendet, die jeweils einen einheitlichen Identifikator transportieren, wobei die mindestens zwei stationären Empfänger durch die Schallwellenpakete hervorgerufene akustische Signale empfangen, wobei der Identifikator den Signalen entnommen wird, wobei die mindestens zwei Empfänger Zeitstempel generieren, die den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, wobei die mindestens zwei Empfänger die Zeitstempel und den zugehörigen Identifikator an eine Berechnungseinheit übertragen und wobei die Berechnungseinheit aus den Zeitstempeln die aktuelle Position des Senders errechnet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der ak- tuellen Position des Geräts Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von NLOS-Signalen wiedergeben. A method for locating a transmitter relative to at least two stationary receivers, wherein the transmitter emits sound wave packets, each transporting a uniform identifier, wherein the at least two stationary receivers receive acoustic signals caused by the sound wave packets, wherein the identifier is taken from the signals, wherein the at least two receivers generate timestamps which reproduce the respective time of receipt of an acoustic signal in the respective receiver, wherein the at least two receivers transmit the time stamp and the associated identifier to a calculation unit and wherein the calculation unit calculates from the time stamps the current position of the transmitter, characterized that for the calculation of the In the current device position, timestamps representing the reception times of NLOS signals are used.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Empfänger oder die mindestens zwei Empfänger eine jeweilige eindeutige Empfängerkennung an eine Berechnungseinheit übertragen. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one receiver or the at least two receivers transmit a respective unique receiver identifier to a computing unit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Senders mindestens eine Ortsposition eines Empfängers verwendet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one spatial position of a receiver is used to calculate the current position of the transmitter.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ortsposition eines Empfängers von der Berechnungseinheit geschätzt wird, insbesondere mittels eines initialen Kalibrierverfahrens, vorzugsweise wobei die Berechnungseinheit hierzu einen TDOA Algorithmus anwendet und/oder Zeitstempel verwendet, die von NLOS-Signalen generiert worden sind. A method according to claim 4, characterized in that the at least one spatial position of a receiver is estimated by the calculation unit, in particular by means of an initial calibration method, preferably wherein the calculation unit for this purpose uses a TDOA algorithm and / or uses timestamps that have been generated by NLOS signals ,
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Ortsposition auf eine Annahme über eine Lage einer Reflexionsebene gestützt wird, insbesondere wobei dabei die relative Position mindestens eines Empfängers zu der Reflexionsebene berücksichtigt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation of the spatial position is based on an assumption about a position of a reflection plane, in particular wherein the relative position of at least one receiver to the reflection plane is taken into account.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung einer aktu¬ ellen 3D-Position des Senders Zeitstempel genutzt werden, die von weniger als drei Empfängern generiert wurden und/oder dass zur Berechnung einer aktuellen 2D-Po- sition des Senders Zeitstempel genutzt werden, die von einem einzigen Empfänger generiert wurden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der aktuellen Position des Senders Zeitstempel genutzt werden, die Empfangszeitpunkte von an einem Boden reflektierten akustischen Signalen wiedergeben, vorzugsweise wobei die mindestens zwei Empfänger in gleicher Höhe über einem Boden stationär installiert werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that are used for calculating a refreshes ¬ economic 3D position of the transmitter time stamp generated in less than three receivers, and / or in that for calculating a current 2D position of the transmitter time stamp used by a single recipient. Method according to one of the preceding claims, characterized in that for calculating the current position of the transmitter timestamps are used, reproduce the reception times of reflected on a floor acoustic signals, preferably wherein the at least two receivers are installed stationary at the same height above a floor.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit die aktuelle Position des Senders mittels eines Optimierungsalgorithmus errechnet, insbesondere wobei hierzu ein statistischer Schätzer für den Aussendezeitpunkt sowie von dem Empfängern generierte Zeitstempel verwendet werden und/oder wobei der Optimierungsalgorithmus einen Restfehler berücksichtigt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation unit calculates the current position of the transmitter by means of an optimization algorithm, in particular wherein for this purpose a statistical estimator for the transmission time and generated by the receiver timestamps are used and / or wherein the optimization algorithm takes into account a residual error.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit zur Errechnung der aktuellen Position des Senders Schätzungen von Positionen von Reflexionsebenen berücksichtigt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation unit for calculating the current position of the transmitter takes into account estimates of positions of reflection planes.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit die Position des Senders mittels eines time-difference-of- arrival (TDoA) Algorithmus und/oder mittels eines time- of-flight (TOF) Algorithmus errechnet. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calculation unit calculates the position of the transmitter by means of a time-difference-of-arrival (TDoA) algorithm and / or by means of a time-of-flight (TOF) algorithm.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellenpakete mit einer gleichbleibenden Zeitdauer und/oder in gleichbleibenden Zeitabständen von dem Sender ausgesendet werden. Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders mittels von dem Sender ausgesandter Schallwellenpakete, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen stationären Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu dem mindestens einen stationären Empfänger umfasst, dass der mindestens eine Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem mindestens einen Empfänger wiedergeben, dass der mindestens eine Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet ist und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sound wave packets are transmitted with a constant duration and / or at constant time intervals from the transmitter. Device for locating a transmitter by means of sound wave packets emitted by the transmitter, characterized in that the device comprises at least one stationary receiver and a calculation unit for calculating the position of the transmitter relative to the at least one stationary receiver, that the at least one receiver for receiving from the Acoustic wave packets produced acoustic signals, for removing an identifier from a received acoustic signal and for generating timestamps is set, the timestamps represent the respective time of receipt of an acoustic signal in the at least one receiver that the at least one receiver is set up for data transmission to the computing unit and that the calculation unit is adapted to use NLOS signals to calculate the position of the transmitter.
Vorrichtung zur Lokalisierung eines Senders mittels von dem Sender ausgesandter Schallwellenpakete, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei stationäre Empfänger und eine Berechnungseinheit zur Berechnung der Position des Senders relativ zu den mindestens zwei stationären Empfängern umfasst, dass jeder der mindestens zwei Empfänger zum Empfang von von den Schallwellenpaketen hervorgerufenen akustischen Signalen, zur Entnahme eines Identifikators aus einem empfangenen akustischen Signal und zur Generierung von Zeitstempeln eingerichtet ist, wobei die Zeitstempel den jeweiligen Empfangszeitpunkt eines akustischen Signals in dem jeweiligen Empfänger wiedergeben, dass die mindestens zwei Empfänger zur Datenübertragung an die Berechnungseinheit eingerichtet sind und dass die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie NLOS-Signale zur Berechnung der Position des Senders nutzt. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Sender Teil eines tragbaren elektronisches Geräts ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet ist und/oder dass die Berechnungseinheit Teil des Geräts ist, insbesondere wobei der mindestens eine stationäre Empfänger oder die mindestens zwei stationären Empfänger zu einer drahtlosen Datenübertragung an das Gerät eingerichtet ist/sind. A device for locating a transmitter by means of sound wave packets emitted by the transmitter, characterized in that the device comprises at least two stationary receivers and a calculation unit for calculating the position of the transmitter relative to the at least two stationary receivers, that each of the at least two receivers for receiving the acoustic wave signals caused by the acoustic wave packets, for removing an identifier from a received acoustic signal and for generating timestamps is set, the timestamps represent the respective time of receipt of an acoustic signal in the respective receiver that the at least two receivers are set up for data transmission to the calculation unit and that the calculation unit is adapted to use NLOS signals to calculate the position of the transmitter. Apparatus according to claim 13 or 14, wherein the transmitter is part of a portable electronic device, characterized in that the calculation unit is set up for wireless data transmission to the device and / or that the calculation unit is part of the device, in particular wherein the at least one stationary receiver or the at least two stationary receivers are / are set up for wireless data transmission to the device.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist. Device according to one of claims 13 to 15, characterized in that the calculation unit for implementing a method according to one of claims 1 to 12 is set up.
Verwendung einer Software auf einem tragbaren elektronisches Gerät zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Software dazu eingerichtet ist, einen Sender des Geräts anzusteuern, um Schallwellenpakete auszusenden und diese mit einem Identifikator zu versehen, und von einer Berechnungseinheit des Geräts errechnete Positionsdaten grafisch oder akustisch auszugeben. Use of software on a portable electronic device for implementing a method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the software is adapted to control a transmitter of the device to emit sound wave packets and to provide them with an identifier, and of a Calculation unit of the device calculated position data output graphically or acoustically.
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