WO2022229240A1 - Uwb-lokalisierung mit unabhängiger uwb-ankersynchronisation - Google Patents

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WO2022229240A1
WO2022229240A1 PCT/EP2022/061140 EP2022061140W WO2022229240A1 WO 2022229240 A1 WO2022229240 A1 WO 2022229240A1 EP 2022061140 W EP2022061140 W EP 2022061140W WO 2022229240 A1 WO2022229240 A1 WO 2022229240A1
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uwb
anchor
anchors
antennas
antenna
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PCT/EP2022/061140
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Eberhard Wahl
Erik MADEMANN
Christoph GÖTZE
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
Zigpos Gmbh
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    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
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    • G01S5/02213—Receivers arranged in a network for determining the position of a transmitter
    • G01S5/02216—Timing or synchronisation of the receivers

Definitions

  • the invention relates to a method for locating a UWB mobile unit.
  • the invention further relates to a device for locating a UWB mobile unit.
  • the method according to the invention is thus solved by a method for locating at least one UWB mobile unit (“tag” or “tag-device”) with several UWB anchors (“beacons”).
  • the UWB anchors each have a first UWB -Anchor antenna and a second UWB anchor antenna.
  • the communication from the UWB mobile unit to the UWB anchors for positioning measurement takes place in a first frequency band via the first UWB anchor antennas in a second frequency band via the second UWB anchor antennas.
  • synchronization data packets must be exchanged frequently (approx. every 100 ms) between the UWB anchors.
  • UWB is a radio standard that is used over short distances and for locating in factories (industrial production). Ultra-wideband is particularly robust against interference from other radio sources and multiple reflections, which can frequently occur in factories in the metalworking industry in particular, and ensures precise location of materials, orders and navigation of driverless transport vehicles (AGV) and drones - even when there is a signal obstacles such as metal reflections.
  • AUV driverless transport vehicles
  • Setup, location, communication and/or data protocols via UWB can take place in particular in accordance with the description of WO 2020/212722 A1, which is included in this application in its entirety by reference.
  • WO 2020/212722 A1 entitled “Ultra-Wideband Location Systems and Methods” was filed on April 19, 2019 and published on October 22, 2020.
  • UWB components are preferably used for the UWB anchor(s) and/or the positioning system, which comply with the IEEE 802.15.4z and/or IEEE802.15.4ab standard. Radio communication between the mobile units and the UWB anchors can be transmitted via existing UWB, Bluetooth Low Energy (BLE) and/or ZigBee.
  • BLE Bluetooth Low Energy
  • ZigBee is a specification for low-volume, low-power wireless networks such as home automation, sensor networks, and lighting. ZigBee is based on the IEEE 802.15.4 standard and expands its functionality in particular with the option of routing and secure key exchange.
  • the UWB anchors are preferably at a minimum distance of 5 m, in particular 10 m, particularly preferably 20 m, from one another.
  • the first UWB anchor antennas and the second UWB anchor antennas can each be controlled jointly by a microcontroller and/or by a system on chip (SOC).
  • the first UWB anchor antennas may each be controlled by a first microcontroller and/or a first SOC and the second UWB anchor antennas may each be controlled by a second microcontroller and/or a second SOC.
  • the position of the UWB mobile unit can be determined by a time-difference-of-arrival (TDoA) method UWB anchors, whose location information is known and whose system time is synchronized, compare the arrival times of these UWB signals and from the difference in arrival times the position of the UWB mobile unit is then calculated.
  • ToA time-difference-of-arrival
  • the position of the UWB mobile unit can be determined in the standard of the Car Connectivity Consortium (CCC, see https://carconnectivity.org/) and/or the Fine Ranging (fira, see https://www.firaconsortium.org/) Consortium take place. Communication in the standard of the CCC and/or the fira consortium preferably takes place in a frequency band around 8 GHz.
  • CCC Car Connectivity Consortium
  • fira see https://www.firaconsortium.org/
  • Communication in the standard of the CCC and/or the fira consortium preferably takes place in a frequency band around 8 GHz.
  • a UWB mobile unit in the form of an end customer device (“consumer device”) in particular in the form of a smartphone and/or handheld device, can be detected.
  • the UWB anchors are synchronized in a frequency band around 4 GHz.
  • the UWB anchors can be synchronized in an industry standard, in particular in the Omlox standard.
  • Omlox is an open standard for an accurate real-time indoor location system.
  • Omlox defines open interfaces for an interoperable localization system.
  • different tag manufacturers can use the same infrastructure with different applications from different vendors. Because the same infrastructure is used, total cost of ownership is reduced, allowing for easy integration of different applications.
  • a key feature of Omlox is that it enables cyber-physical facilitation, combining the integration of industrial software and hardware solutions into a common ecosystem.
  • Omlox-based UWB anchors various types of software such as a Manufacturing Executive System (MES), asset tracking and navigation with anti-collision, as well as hardware such as drones, AGVs and loading vehicles can be integrated into the localization domain.
  • MES Manufacturing Executive System
  • asset tracking and navigation with anti-collision as well as hardware such as drones, AGVs and loading vehicles can be integrated into the localization domain.
  • hardware such as drones, AGVs and loading vehicles
  • Omlox enables interoperability and flexibility for different trackable providers within one or more tracking zones.
  • Omlox achieves this through two core components: Olox Hub and Olox Core Zone.
  • the Omlox Hub enables interoperability and flexibility within different tracking zones, while the Omlox Core Zone provides interoperability and flexibility within a single tracking zone.
  • the Omlox Hub enables interoperability and flexibility across various complementary zones.
  • other tracking technologies such as RFID, 5G, BLE, WIFI and GPS are also used in production, delivery and storage. With Omlox it can be ensured that networks function smoothly and interoperably. This allows companies to easily connect applications such as production control systems, asset tracking and navigation across different site zones.
  • the Omlox hub is compatible with multiple tracking zones. Intelligent factories equipped with a UWB localization zone, a truck bed with GPS ioning and a warehouse with WIFI positioning can be monitored efficiently with the Omlox Hub.
  • the Omlox Hub enables the transmission, synchronization and alignment of maps from discrete local coordinates (mapping by SLAM and other techniques) to global geographic coordinates of a smart factory, i.e. a production environment in which manufacturing plants and logistics systems are located with little or no human Organize interventions largely yourself in order to produce the desired products.
  • SLAM means English: Simultaneous Localization and Mapping; German: Simultaneous positioning and mapping.
  • the Omlox Core Zone includes an open radio interface and guarantees interoperability in the UWB area.
  • Omlox creates an interoperable infrastructure that is plug-and-play. Companies can quickly and easily network all UWB products with the Omlox standard, regardless of the manufacturer.
  • the UWB communication takes place within the Omlox Core Zone.
  • the Omlox Hub is one level above.
  • the synchronization of the UWB anchors is used by the UWB mobile unit to achieve self-localization of the UWB mobile unit.
  • This self-localization can be provided in the Omlox standard. In this GPS-like mode, the UWB mobile unit "only listens to UWB" and then calculates its own position.
  • Wired and/or wireless data transmission to a processing unit can take place from the UWB anchors.
  • the UWB anchors can transmit data relating to the position of the UWB mobile unit to the processing unit.
  • the UWB anchor can transmit data relating to at least one signal parameter, for example the signal strength of UWB signals from the UWB mobile unit, to the computing unit.
  • the computing unit can use an algorithm for locating the UWB mobile unit using the data from the UWB anchors.
  • the data transmission between the UWB anchors can preferably take place via the second UWB anchor antennas. Since there is no communication with the UWB mobile unit via the second UWB anchor antennas, there is no bandwidth conflict here.
  • the emission via the first UWB anchor antennas can be conical. Alternatively or additionally, the emission via the second UWB anchor antennas can be circular.
  • the radiation angles of the first UWB anchor antennas are preferably conical downwards in order to enable optimal contact with the UWB mobile unit.
  • the beam angles of the second UWB anchor antennas are preferably circular in the horizontal to allow optimal contact between the UWB anchors.
  • At least 5 UWB mobile units can be localized in the method according to the invention.
  • the decoupling of the data exchange between the UWB anchors from the data exchange between the UWB mobile units and the UWB anchors enables a large number of UWB mobile units to be reliably located.
  • at least 100, in particular at least 200, particularly preferably at least 500 UWB mobile units are localized with the method.
  • the object according to the invention is also achieved by a device for locating a UWB mobile unit, in particular for carrying out a method described here.
  • the device has a UWB mobile unit.
  • the apparatus further includes a plurality of UWB anchors, each UWB anchor having a respective first UWB anchor antenna and a second UWB anchor antenna.
  • the first UWB anchor antennas are configured to receive UWB signals from the UWB mobile unit in a first frequency band.
  • the second UWB anchor antennas are configured to transmit and receive UWB signals between the UWB anchors for exact time synchronization of the UWB anchors in a second frequency band.
  • the device preferably has a computing unit connected wirelessly and/or by wire to the UWB anchors for determining the position of the UWB mobile unit.
  • the UWB anchors are particularly preferably designed to communicate with the computing unit via the second UWB anchor antennas.
  • the device can have a central software module for setting up and managing the UWB anchors.
  • the software module can be stored in the processing unit.
  • the software module can be stored in a cloud of the device. System maintenance and system updates can thus be carried out from an instance that is remote from the UWB anchors.
  • the UWB armatures of the device may have one or more of the following features: a) a common housing for the first UWB armature antenna and the second UWB armature antenna; b) a common printed circuit board connected to both the first UWB armature antenna and the second UWB armature antenna; c) a first microcontroller for controlling the first UWB anchor antenna and a second microcontroller for controlling the second UWB anchor antenna; and/or d) a first system on chip (SOC) for controlling the first UWB anchor antenna and a second SOC for controlling the second UWB anchor antenna.
  • SOC system on chip
  • At least one UWB anchor is integrated into a smoke alarm and/or into a lighting system of the device.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a locating system for locating a UWB mobile unit with various UWB anchor antennas.
  • FIG. 2 shows schematically the signals sent with the various UWB armature antennas.
  • FIG. 3 schematically shows standardized frequency ranges for the composition of the signals transmitted in FIG.
  • FIG. 1 shows an interior space, in particular an industrial production facility 10, with a device 12 for locating a UWB mobile unit 14.
  • the UWB mobile unit 14 can be part of an end customer device 16, here in the form of a smartphone.
  • the UWB mobile unit 14 can alternatively be arranged on a self-propelled vehicle 18 (AGV) or formed on the self-propelled vehicle 18 .
  • AGV self-propelled vehicle 18
  • the self-propelled vehicle 18 is used to transport materials in the interior, in particular in industrial production 10. For reasons of clarity, this variant is not detailed in FIG.
  • the device 12 has UWB anchors 20a, 20b, 20c for locating the UWB mobile unit 14.
  • the UWB armatures 20a-c each have a first UWB armature antenna 22a, 22b, 22c and a second UWB armature antenna 24a, 24b, 24c.
  • the first UWB anchor antennas 22a-c are used for communication (shown with dash-dotted arrows) with a UWB mobile unit antenna 26, the second UWB anchor antennas 24a-c are used for exact time synchronization (shown with solid arrows) of the UWB anchors 20a -c among themselves.
  • the UWB anchors 20a-c are connected wirelessly or by wire to a computing unit 28 (not shown for reasons of clarity).
  • the connection is preferably made via the second UWB anchor antennas 24a-c.
  • the computing unit 28 determines the position of the UWB mobile unit 14 via the first UWB anchor antennas 22a-c and the UWB mobile unit antenna 26.
  • the position can be determined using an algorithm 30, in particular on a computer 32.
  • the position determination can be more reliable and stable, even with a large number of UWB mobile units 14.
  • the signal transmission to and from the UWB anchors 20a-c preferably occurs at frequencies around 4 GHz and 8 MHz. More specifically, the first UWB armature antennas 22a-c preferably transmit and receive at frequencies around 8 GHz and the second UWB armature antennas 24a-c at frequencies around 4 GHz.
  • the bandwidths shown in FIG. 2 are purely exemplary. The bandwidths can typically be 500 MHz.
  • 3 shows the preferred frequencies used by the first UWB armature antennas 22a-c and second UWB armature antennas 24a-c. 3 shows that frequency band 9 with the center frequency 7656 MHz is preferably used by the first UWB anchor antennas 22a-c and frequency bands 1, 2 and 3 with the center frequencies are preferably used for the second UWB anchor antennas 24a-c 3432 MHz, 3960 MHz and 4488 MHz can be used.
  • the invention thus relates in summary to a method and a device 12 for locating at least one UWB mobile unit 14, in particular for locating a large number of UWB mobile units 14.
  • the locating takes place through the communication of first UWB anchor antennas 22a-c with the mobile unit(s) 14.
  • Second UWB anchor antennas 24a-c are used for exact time synchronization of the UWB anchors 20a-c with one another.
  • the second UWB anchor antennas 24a-c are also used for communication between the UWB anchors 20a-c and a computing unit 28. Index of symbols 10 industrial production

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (12) zur Ortung zumindest einer UWB-Mobileinheit (14). Die Ortung erfolgt durch die Kommunikation erster UWB-Ankerantennen (22a-c) mit der/den Mobileinheit(en) (14). Zweite UWB-Ankerantennen (24a- c) dienen der exakten Zeitsynchronisation der UWB-Anker (20a-c) untereinander. Vorzugsweise dienen die zweiten UWB-Ankerantennen (24a-c) darüber hinaus der Kommunikation der UWB-Anker (20a-c) mit einer Recheneinheit (28).

Description

UWB-Lokalisierung mit unabhängiger UWB-Ankersynchronisation
Hintergrund der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung einer UWB-Mobileinheit. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Lokalisierung einer UWB-Mobilein- heit.
Es ist bekannt, UWB-Mobileinheiten zur lokalisieren. Allerdings sind die Anzahl der zu lokalisierenden UWB-Mobileinheiten und die Updaterate der zu lokalisierenden UWB-Mobileinheiten begrenzt.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die die mögliche Anzahl der zu lokalisierenden UWB-Mobileinheiten und die Updaterate der zu lokalisierenden UWB-Mobileinheiten signifikant erhöhen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentan- spruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11. Die Unteransprüche ge ben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird somit gelöst durch ein Verfahren zur Loka lisierung zumindest einer UWB-Mobileinheit („tag" oder „tag-device") mit mehre- ren UWB-Ankern („beacons"). Die UWB-Anker weisen jeweils eine erste UWB-An- kerantenne und eine zweite UWB-Ankerantenne auf. Die Kommunikation von der UWB-Mobileinheit zu den UWB-Ankern zur Positionierungsmessung erfolgt in ei nem ersten Frequenzband über die ersten UWB-Ankerantennen. Die exakte Zeit- Synchronisation der UWB-Anker erfolgt demgegenüber in einem zweiten Fre- quenzband über die zweiten UWB-Ankerantennen. Zur exakten Zeit-Synchronisation der UWB-Anker müssen häufig (ca. alle 100ms) Synchronisationsdatenpakete zwischen den UWB-Ankern ausgetauscht werden. Durch die Entkopplung der Kommunikation der UWB-Anker mit der zumindest ei nen UWB-Mobileinheit von der Kommunikation der UWB-Anker untereinander kann das Verfahren sehr präzise, zuverlässig und absturzsicher betrieben werden.
UWB ist dabei ein Funkstandard, der über kurze Entfernungen und zur Ortung in Fabriken (industriellen Fertigungen) verwendet wird. Ultra-Breitband ist besonders robust gegen Störungen anderer Funkquellen und Mehrfachreflexionen, wie sie insbesondere in Fabriken im metallverarbeitenden Gewerbe gehäuft auftreten kön nen, und gewährleistet eine präzise Ortung von Materialien, Bestellungen und Na vigation von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) und Drohnen - auch bei Hin dernissen wie Metallreflexionen. Aufbau, Ortung, Kommunikation und/oder Datenprotokolle per UWB können ins besondere gemäß der Beschreibung der WO 2020/212722 Al erfolgen, die unter Verweis vollständig in diese Anmeldung mit aufgenommen wird. WO 2020/212722 Al mit dem Titel „Ultra-Wideband Location Systems and Methods" wurde am 19.04.2019 angemeldet und am 22.10.2020 veröffentlicht.
Vorzugsweise werden UWB-Komponenten für den/die UWB-Anker und/oder das Ortungssystem eingesetzt, die der Norm IEEE 802.15.4z und/oder IEEE802.15.4ab entsprechen. Eine Funkkommunikation zwischen den Mobileinheiten und den UWB-Ankern kann per vorhandenem UWB, Bluetooth Low Energy (BLE) und/oder ZigBee übertragen werden. ZigBee ist eine Spezifikation für drahtlose Netzwerke mit geringem Da tenaufkommen und geringem Stromverbrauch wie beispielsweise Hausautoma tion, Sensornetzwerke und Lichttechnik. ZigBee baut auf dem Standard IEEE 802.15.4 auf und erweitert dessen Funktionalität insbesondere um die Möglichkeit des Routings und des sicheren Schlüsselaustausches. Die UWB-Anker weisen vorzugsweise einen Mindestabstand von 5 m, insbesondere von 10 m, besonders bevorzugt von 20 m, zueinander auf.
Die ersten UWB-Ankerantennen und die zweiten UWB-Ankerantennen können je- weils gemeinsam von einem Mikrocontroller und/oder von einem System on Chip (SOC) gesteuert werden. Alternativ dazu können die ersten UWB-Ankerantennen jeweils von einem ersten Mikrocontroller und/oder von einem ersten SOC gesteu erte werden und die zweiten UWB-Ankerantennen können jeweils von einem zwei ten Mikrocontroller und/oder von einem zweiten SOC gesteuert werden.
Die Position der UWB-Mobileinheit kann durch ein Ankunftszeitdifferenzverfahren („Time-Difference-of-Arrival-(TDoA)-Verfahren") bestimmt werden. Dabei sendet die UWB-Mobileinheit UWB-Signale, die von den UWB-Ankern empfangen werden. Die UWB-Anker, deren Ortsinformation bekannt ist und deren Systemzeit synchro- nisiert ist, vergleichen die Ankunftszeit dieser UWB-Signale. Aus der Ankunftszeit differenz wird dann die Position der UWB-Mobileinheit berechnet.
Die Bestimmung der Position der UWB-Mobileinheit kann im Standard des Car Connectivity Consortiums (CCC, siehe https://carconnectivity.org/) und/oder des Fine Ranging (fira, siehe https://www.firaconsortium.org/) Consortiums erfolgen. Die Kommunikation im Standard des CCC und/oder des fira Consortiums erfolgt vorzugsweise in einem Frequenzband um 8 GHz. Hierdurch kann eine UWB-Mobi leinheit in Form eines Endkundengeräts („Consumer Device"), insbesondere in Form eines Smartphones und/oder Handheld Devices, erfasst werden.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Synchronisation der UWB-Anker in einem Frequenzband um 4 GHz.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Synchronisation der UWB-Anker in einem Industriestandard, insbesondere im Omlox-Standard, erfolgen. Omlox ist ein offener Standard für ein präzises Echtzeit-Lokalisierungssystem für Innenräume. Omlox definiert offene Schnittstellen für ein interoperables Lokalisie rungssystem. Mit Omlox können verschiedene Tag-Hersteller dieselbe Infrastruk tur mit unterschiedlichen Anwendungen von verschiedenen Anbietern verwenden. Da dieselbe Infrastruktur verwendet wird, werden die Gesamtbetriebskosten ge senkt, was die einfache Integration verschiedener Anwendungen ermöglicht. Ein wesentliches Merkmal von Omlox ist, dass es eine cyber-physische Erleichterung ermöglicht und die Integration industrieller Software- und Hardwarelösungen in ein gemeinsames Ökosystem kombiniert.
Mit Omlox-basierten UWB-Ankern können verschiedene Arten von Software wie ein Manufacturing Executive System (MES), Asset Tracking und Navigation mit Antikollision sowie Hardware wie Drohnen, FTF und Ladefahrzeuge in den Bereich der Lokalisierung integriert werden.
Omlox ermöglicht Interoperabilität und Flexibilität für verschiedene verfolgbare Anbieter innerhalb einer oder mehrerer Verfolgungszonen. Omlox erreicht dies durch zwei Kernkomponenten: Omlox Hub und Omlox Core Zone. Der Omlox Hub ermöglicht Interoperabilität und Flexibilität innerhalb verschiedener Verfolgungs- zonen, während die Omlox Core Zone Interoperabilität und Flexibilität innerhalb einer einzelnen Verfolgungszone bietet.
Der Omlox Hub ermöglicht Interoperabilität und Flexibilität über verschiedene komplementäre Zonen hinweg. Neben UWB werden bei der Produktion, Lieferung und Lagerung auch andere Ortungstechnologien wie RFID, 5G, BLE, WIFI und GPS eingesetzt. Mit Omlox kann sichergestellt werden, dass Netzwerke reibungslos und interoperabel funktionieren. Auf diese Weise können Unternehmen auf einfache Weise Anwendungen wie Produktionssteuerungssysteme, Anlagenverfolgung und Navigation über verschiedene Standortzonen hinweg vernetzen.
Der Omlox-Hub ist mit mehreren Tracking-Zonen kompatibel. Intelligente Fabri ken, die mit einer UWB-Lokalisierungszone, einer LKW-Ladefläche mit GPS-Positi- onierung und einem Lager mit WIFI-Positionierung arbeiten, können mit dem Om- lox Hub effizient überwacht werden. Der Omlox Hub ermöglicht die Übertragung, Synchronisierung und Ausrichtung von Karten von diskreten lokalen Koordinaten (Zuordnung von SLAM und anderen Techniken) zu globalen geografischen Koordi- naten einer Smart Factory, also einer Produktionsumgebung, in der sich Ferti gungsanlagen und Logistiksysteme mit wenig oder ohne menschliche Eingriffe weitgehend selbst organisieren, um die gewünschten Produkte herzustellen. SLAM bedeutet englisch: Simultaneous Localization and Mapping; deutsch: Simultane Positionsbestimmung und Kartierung.
Die Omlox Core Zone beinhaltet eine offene Funkschnittstelle und garantiert In teroperabilität im UWB-Bereich. Omlox erstellt eine interoperable Infrastruktur, die per Plug-and-Play funktioniert. Unternehmen können alle UWB-Produkte unabhän gig vom Hersteller schnell und einfach mit dem Omlox-Standard vernetzen.
Die UWB Kommunikation findet innerhalb der Omlox Core Zone statt. Der Omlox Hub ist eine Ebene darüber.
Die Eigenschaften der Omlox-Anker sind ausführlicher in der Omlox-Spezifikation beschrieben, die auf https://omlox.com veröffentlicht ist.
In einer Variante der Erfindung wird die Synchronisation der UWB-Anker von der UWB-Mobileinheit genutzt, um eine Selbstlokalisierung der UWB-Mobileinheit zu erzielen. Diese Selbstlokalisierung kann im Omlox-Standard vorgesehen sein. In diesem GPS-like Modus „hört die UWB-Mobileinheit nur auf UWB zu" und berechnet dann ihre eigene Position selbst.
Von den UWB-Ankern kann eine drahtgebundene und/oder drahtungebundene Da tenübermittlung an eine Recheneinheit erfolgen. Die UWB-Anker können dabei Da- ten bezüglich der Position der UWB-Mobileinheit an die Recheneinheit übertragen. Zusätzlich dazu können die UWB-Anker Daten bezüglich zumindest eines Signal parameters, beispielsweise der Signalstärke von UWB-Signalen der UWB-Mobilein heit, an die Recheneinheit übertragen. Die Recheneinheit kann einen Algorithmus zur Lokalisierung der UWB-Mobileinheit anhand der Daten von den UWB-Ankern aufweisen.
Die Datenübermittlung zwischen den UWB-Ankern, vor allem für die exakte Zeit- Synchronisation, kann dabei bevorzugt über die zweiten UWB-Ankerantennen er folgen. Da über die zweiten UWB-Ankerantennen keine Kommunikation mit der UWB-Mobileinheit erfolgt, entsteht hier kein Bandbreitenkonflikt.
Die Abstrahlung über die ersten UWB-Ankerantennen kann kegelförmig erfolgen Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Abstrahlung über die zweiten UWB-An kerantennen kreisförmig erfolgen. Die Abstrahlwinkel der ersten UWB-Ankeran tennen sind vorzugsweise kegelförmig nach unten, um optimalen Kontakt zur UWB-Mobileinheit zu ermöglichen. Die Abstrahlwinkel der zweiten UWB-Ankeran tennen sind vorzugsweise kreisförmig in der Horizontalen, um optimalen Kontakt zwischen den UWB-Ankern zu ermöglichen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können zumindest 5 UWB-Mobileinheiten loka lisiert werden. Durch die Entkopplung des Datenaustauschs zwischen den UWB- Ankern vom Datenaustausch zwischen den UWB-Mobileinheiten und den UWB-An- kern wird eine zuverlässige Ortung einer Vielzahl von UWB-Mobileinheiten ermög licht. Vorzugsweise werden mit dem Verfahren zumindest 100, insbesondere zu mindest 200, besonders bevorzugt zumindest 500 UWB-Mobileinheiten, lokalisiert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Lokalisierung einer UWB-Mobileinheit, insbesondere zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung weist dabei eine UWB-Mobileinheit auf. Die Vorrichtung weist weiterhin mehrere UWB-Anker auf, wobei jeder UWB-Anker jeweils eine erste UWB-Ankerantenne und eine zweite UWB-Ankerantenne auf weist. Die ersten UWB-Ankerantennen sind zum Empfang von UWB-Signalen der UWB-Mobileinheit in einem ersten Frequenzband ausgebildet. Die zweiten UWB- Ankerantennen sind zum Senden und Empfangen von UWB-Signalen zwischen den UWB-Ankern zur exakten Zeit-Synchronisation der UWB-Anker in einem zweiten Frequenzband ausgebildet. Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine drahtlos und/oder drahtgebunden mit den UWB-Ankern verbundene Recheneinheit zum Bestimmen der Position der UWB- Mobileinheit auf. Besonders bevorzugt sind die UWB-Anker zur Kommunikation mit der Rechenein heit über die zweiten UWB-Ankerantennen ausgebildet.
Die Vorrichtung kann ein zentrales Softwaremodul zur Einrichtung und Verwaltung der UWB-Anker aufweisen. Das Softwaremodul kann in der Recheneinheit hinter- legt sein. Alternativ dazu kann das Softwaremodul in einer Cloud der Vorrichtung hinterlegt sein. Systemwartung und Systemupdate können dadurch aus einer zu den UWB-Ankern entfernt liegenden Instanz erfolgen.
Die UWB-Anker der Vorrichtung können eines oder mehrere der folgenden Merk male aufweisen: a) Ein gemeinsames Gehäuse für die erste UWB-Ankerantenne und die zweite UWB-Ankerantenne; b) eine gemeinsame Leiterplatte, die sowohl mit der ersten UWB-An kerantenne als auch mit der zweiten UWB-Ankerantenne verbunden ist; c) einen ersten Mikrocontroller zur Steuerung der ersten UWB-An kerantenne und einen zweiten Mikrocontroller zur Steuerung der zweiten UWB-Ankerantenne; und/oder d) ein erstes System on Chip (SOC) zur Steuerung der ersten UWB-An kerantenne und ein zweites SOC zur Steuerung der zweiten UWB- Ankerantenne.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein UWB-Anker in einen Rauchmelder und/oder in eine Beleuchtung der Vorrichtung integriert.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausfüh rungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ortungssystems zur Ortung einer UWB-Mobileinheit mit verschiedenen UWB-Ankerantennen.
Fig. 2 zeigt schematisch die mit den verschiedenen UWB-Ankerantennen gesen deten Signale. Fig. 3 zeigt schematisch standardisierte Frequenzbereiche zur Zusammenset zung der in Fig. 2 gesendeten Signale.
Fig. 1 zeigt einen Innenraum, insbesondere eine industrielle Fertigung 10, mit einer Vorrichtung 12 zur Ortung einer UWB-Mobileinheit 14. Die UWB-Mobileinheit 14 kann Teil eines Endkundengeräts 16, hier in Form eines Smartphones, sein. Die UWB-Mobileinheit 14 kann alternativ dazu auf einem selbstfahrenden Fahrzeug 18 (FTF) angeordnet oder an dem selbstfahrenden Fahrzeug 18 ausgebildet sein. Das selbstfahrende Fahrzeug 18 dient dem Transport von Materialien in dem In nenraum, insbesondere der industriellen Fertigung 10. Aus Gründen der Übersicht- lichkeit ist diese Variante in Fig. 1 nicht weiter ausgeführt.
Die Vorrichtung 12 weist UWB-Anker 20a, 20b, 20c zur Ortung der UWB-Mobi leinheit 14 auf. Die UWB-Anker 20a-c weisen jeweils eine erste UWB-Ankerantenne 22a, 22b, 22c und eine zweite UWB-Ankerantenne 24a, 24b, 24c auf. Die ersten UWB-Ankerantennen 22a-c dienen der Kommunikation (dargestellt mit strichpunk tierten Pfeilen) mit einer UWB-Mobileinheitantenne 26, die zweiten UWB-Ankeran tennen 24a-c dienen der exakten Zeitsynchronisation (dargestellt mit durchgezo genen Pfeilen) der UWB-Anker 20a-c untereinander. Die UWB-Anker 20a-c sind drahtlos oder drahtgebunden mit einer Recheneinheit 28 verbunden (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Die Verbindung erfolgt vorzugsweise über die zweiten UWB-Ankerantennen 24a-c. Die Recheneinheit 28 ermittelt die Position der UWB-Mobileinheit 14 über die ers ten UWB-Ankerantennen 22a-c und die UWB-Mobileinheitantenne 26. Die Bestim mung der Position kann mit einem Algorithmus 30, insbesondere auf einem Rech ner 32, erfolgen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Bestimmung der Position der UWB-Mobi leinheit 14 von der exakten Zeitsynchronisation der UWB-Anker 20a-c zu trennen. Hierdurch kann die Positionsbestimmung zuverlässiger und stabiler erfolgen, selbst bei einer Vielzahl von UWB-Mobileinheiten 14.
Fig. 2 zeigt, dass die Signalübermittlung von und zu den UWB-Ankern 20a-c vor zugsweise bei Frequenzen um 4 GHz und 8 MHz erfolgt. Genauer gesagt senden und empfangen die ersten UWB-Ankerantennen 22a-c vorzugsweise bei Frequen zen um 8 GHz und die zweiten UWB-Ankerantennen 24a-c bei Frequenzen um 4 GHz. Die in Fig. 2 gezeigten Bandbreiten sind dabei rein beispielhaft. Die Band breiten können typischerweise 500 MHz betragen.
Fig. 3 zeigt die von den ersten UWB-Ankerantennen 22a-c und zweiten UWB-An kerantennen 24a-c bevorzugt eingesetzten Frequenzen. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass von den ersten UWB-Ankerantennen 22a-c vorzugsweise Frequenzband 9 mit der Mittenfrequenz 7656 MHz eingesetzt wird und für die zweiten UWB-Ankeran tennen 24a-c vorzugsweise die Frequenzbänder 1, 2 und 3 mit den Mittenfrequen zen 3432 MHz, 3960 MHz und 4488 MHz eingesetzt werden.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung somit zusammenfassend ein Verfahren und eine Vorrichtung 12 zur Or tung zumindest einer UWB-Mobileinheit 14, insbesondere zur Ortung einer Vielzahl von UWB-Mobileinheiten 14. Die Ortung erfolgt durch die Kommunikation erster UWB-Ankerantennen 22a-c mit der/den Mobileinheit(en) 14. Zweite UWB-An- kerantennen 24a-c dienen der exakten Zeitsynchronisation der UWB-Anker 20a-c untereinander. Vorzugsweise dienen die zweiten UWB-Ankerantennen 24a-c dar über hinaus der Kommunikation der UWB-Anker 20a-c mit einer Recheneinheit 28. Bezuqszeichenliste 10 industrielle Fertigung
12 Vorrichtung
14 UWB-Mobileinheit
16 Endkundengerät
18 selbstfahrendes Fahrzeug
20a-c UWB-Anker 22a-c erste UWB-Ankerantenne 24a-c zweite UWB-Ankerantenne 26 UWB-Mobileinheitantenne
28 Recheneinheit
30 Algorithmus
32 Rechner

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Lokalisierung einer UWB-Mobileinheit (14); wobei die Lokalisierung mit mehreren UWB-Ankern (20a-c) erfolgt, die jeweils eine erste UWB-Ankerantenne (22a-c) und eine zweite UWB- Ankerantenne (24a-c) aufweisen; wobei die Kommunikation zur Positionierungsmessung von der UWB-Mobileinheit (14) zu den UWB-Ankern (20a-c) in einem ersten Fre quenzband über die ersten UWB-Ankerantennen (22a-c) erfolgt; und wobei die exakte Zeit-Synchronisation der UWB-Anker (20a-c) in ei nem zweiten Frequenzband über die zweiten UWB-Ankerantennen (24a-c) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem a) die ersten UWB-Ankerantennen (22a-c) jeweils von einem ersten Mikrocontroller und/oder von einem ersten System on Chip (SOC) gesteuert werden; und b) die zweiten UWB-Ankerantennen (24a-c) jeweils von einem zweiten Mikrocontroller und/oder von einem zweiten SOC gesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Position der UWB-Mobilein heit (14) durch ein Ankunftszeitdifferenzverfahren bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Bestimmung der Position der UWB-Mobileinheit (14) im Standard des Car Connectivity Consortiums (CCC) und/oder des Fine Ranging (fira) Consortiums erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Syn chronisation der UWB-Anker (20a-c) in einem Frequenzband um 4 GHz er folgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Syn chronisation der UWB-Anker (20a-c) im Omlox-Standard erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Syn chronisation der UWB-Anker (20a-c) von der UWB-Mobileinheit (14) ge nutzt wird, um sich selbst zu lokalisieren.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine draht gebundene und/oder drahtungebundene Datenübermittlung von den UWB- Ankern (20a-c) zu einer Recheneinheit (28) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Datenübermittlung von den UWB- Ankern (20a-c) zur Recheneinheit (28) über die zweiten UWB-Ankeranten- nen (24a-c) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) die Abstrahlung über die ersten UWB-Ankerantennen (22a-c) kegel förmig erfolgt; und/oder b) die Abstrahlung über die zweiten UWB-Ankerantennen (24a-c) kreis förmig erfolgt.
11. Vorrichtung (12) zur Lokalisierung einer UWB-Mobileinheit (14), insbeson dere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vorrichtung (12) Folgendes aufweist:
A) Eine UWB-Mobileinheit (14);
B) mehrere UWB-Anker (20a-c), wobei jeder UWB-Anker (20a-c) je weils eine erste UWB-Ankerantenne (22a-c) und eine zweite UWB- Ankerantenne (24a-c) aufweist, wobei die ersten UWB-Ankeranten nen (22a-c) zum Empfangen von UWB-Signalen der UWB-Mobilein heit (14) in einem ersten Frequenzband ausgebildet sind und die zweiten UWB-Ankerantennen (24a-c) zum Senden und Empfangen von UWB-Signalen zwischen den UWB-Ankern (20a-c) zur exakten Zeit-Synchronisation der UWB-Anker (20a-c) in einem zweiten Fre quenzband ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Vorrichtung (12) Folgendes auf weist:
C) Eine mit den UWB-Ankern (20a-c) drahtlos und/oder drahtgebunden verbundene Recheneinheit (28) zum Bestimmen der Position der UWB-Mobileinheit (14).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die UWB-Anker (20a-c) zur Kom munikation mit der Recheneinheit (28) über die zweiten UWB-Ankeranten- nen (24a-c) ausgebildet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die UWB-Anker (20a-c) Folgendes aufweisen: a) Ein gemeinsames Gehäuse für die erste UWB-Ankerantenne (22a-c) und die zweite UWB-Ankerantenne (24a-c); b) eine gemeinsame Leiterplatte, die sowohl mit der ersten UWB-An kerantenne (22a-c) als auch mit der zweiten UWB-Ankerantenne (24a-c) verbunden ist; c) einen ersten Mikrocontroller zur Steuerung der ersten UWB-An kerantenne (22a-c) und einen zweiten Mikrocontroller zur Steuerung der zweiten UWB-Ankerantenne (24a-c); und/oder d) ein erstes System on Chip (SOC) zur Steuerung der ersten UWB-An kerantenne und ein zweites SOC zur Steuerung der zweiten UWB- Ankerantenne (22a-c).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der zumindest ein
UWB-Anker (20a-c) in einen Rauchmelder und/oder in eine Beleuchtung der Vorrichtung (12) integriert ist.
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