Objekt Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der räumlichen Position eines ersten Objektes relativ zu einem zweiten Objekt.

Hintergrund Bei der Messung der räumlichen Orientierung zweier Objekte zueinander werden z.B. Radar, Lidaroder Kamerabasierte Systeme genutzt.

Mithilfe eines aktiven Senders kann eine Eindeutigkeit des Objekts gewährleistet werden. Dieses Prinzip wird auch beim Sekundär-Radar angewendet, jedoch erfordert dies aufwändig modulierte Sendesignale um die Entfernung zu vermessen. Hinzu kommt, dass Sender und Empfänger zueinander synchronisiert werden müssen.

Beispielsweise ist aus dem US-Patent US 10,359,512 Bl ein Radarsystem bekannt, bei der nicht die Position des Senders bestimmt, sondern reflektierte Strahlung gemessen wird. Die Verwendung von Linienarrays mit Antennen führt dazu, dass eine direkte 3D-Positionsbestimmung unmöglich ist.

Andere Systeme basieren auf der Messung der Time-of-Flight, welche die Laufzeit von Signalen zur Überbrückung der Distanz zwischen Start und Ziel entspricht. Hieraus ergibt sich, dass im Fall eines einzigen Sendeknotens mindestens 3 Empfangsknoten erforderlich sind damit sowohl Entfernung als auch Orientierung der beiden Objekte zueinander bestimmt werden können. Darüber hinaus ist hierbei eine hohe Entfernungsauflösung gleichbedeutend mit einer hohen Abtastrate des einfallenden Signals. Allen bekannten Systemen ist gemein, dass sie einen vergleichsweise hohen technischen Aufwand in Bezug auf die Signalverarbeitung aufweisen, sodass die Kosten in der Entwicklung und Fertigung hoch sind. Zudem führt die aufwändige Signalverarbeitung auch zu einem vergleichsweise hohen Energieeinsatz. DE 102009049 978 Al betrifft lokale Funkortungssysteme mit der Positionsbestimmung eines oder mehrerer mobiler Funkmodule. Betrachtet werden Anordnungen von mindestens zwei Stationen, wobei deren gegenseitige relative Lage zu erfassen ist.

US 2002/0011952 Al betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Peilungslinie und der zugehörigen Signalcharakteristiken eines mobilen drahtlosen Transceivers in einem zellularen Telefonkommunikationssystem mit erhöhter Genauigkeit.

US 2015/0222333 Al betrifft Geräte, Systeme und/oder Verfahren zur Strahlenauswahl für strahlgeformten Kommunikation.

US 2019 / 0124585 Al betrifft einen Ansatz zur Erfassung einer Ausbreitungsrichtung unter Verwendung eines phasengesteuerten Antennenarrays, um die Notwendigkeit zu vermeiden, den Raum zu scannen. Wenn alle möglichen Richtungen für die Einstellung des Antennenstrahls gegeben sind, findet der Ansatz die optimale Richtung in einer logarithmischen Anzahl von Messungen. Des Weiteren kann der Ansatz innerhalb des bestehenden 802.11ad Standards für mmWave LAN angewendet werden und unterstützt sowohl Clients als auch Access Points. DE 102012211809 Al betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung der relativen

Lage von mindestens zwei Stationen mittels Funkortung.

Aufgabe Ausgehend hiervon ist eine Aufgabe der Erfindung eine Verbesserung in Bezug auf die Messung der räumlichen Orientierung zweier Objekte bereitzustellen. Dabei soll die Lösung einfach, zuverlässig und kostengünstig ausgestaltet sein.

Kurzdarstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Bestimmung der räumlichen Position eines ersten Objektes relativ zu einem zweiten Objekt gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Figuren und der Beschreibung. Kurzdarstellung der Figuren

Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt: Fig. 1 zeigt allgemein Aspekte in Bezug auf ein erfindungsgemäßes System,

Fig. 2 zeigt allgemein Aspekte in Bezug auf ein erfindungsgemäßes System in einem verkippten Stadium,

Fig. 3 zeigt allgemein Aspekte in Bezug auf ein erfindungsgemäßes System mit einem beispielhaften störenden Objekt, Fig. 4 zeigt allgemein Aspekte in Bezug auf ein erfindungsgemäßes System, insbesondere in einem unverkippten Stadium,

Fig. 5 zeigt allgemein weitere Aspekte in Bezug auf ein erfindungsgemäßes System, insbesondere in einem unverkippten Stadium eine zweite Ausführungsform von Elementen gemäß der Erfindung,

Fig. 6 zeigt Lokalisationen von Samples in der IQ-Ebene, Fig. 7 zeigt Aspekte von Antennen gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 8 und 9 zeigt Aspekte der einfallenden Welle in einem räumlichen Koordinatensystem gemäß Figur 7 in Bezug auf Antennenelemente,

Fig. 10 zeigt Grenzwertdistanzen für 1 mm Genauigkeit in Bezug zum Abstand der Empfängerantenne für unterschiedliche Auflösungen, und Fig. 11 zeigt Neigungswinkel der Empfängerantennen nach Innen in Bezug zum Abstand der Empfängerantenne für unterschiedliche Auflösungen.

Ausführliche Darstellung der Erfindung Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt. Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein", „eine" und „eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.

Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.

Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/-10 %.

Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen.

Gemäß ausführungsformen der Erfindung wird ein System zur Bestimmung der räumlichen Position eines ersten Objektes relativ zu einem zweiten Objekt bereitgestellt. Dabei können die Objekte relativ zueinander die Position selbständig oder zwangsgeführt ändern.

Wesentlich für das Verständnis im Folgenden ist nur, dass das erste Objekt und das zweite Objekt eine abstandsverändernde Relativbewegung zueinander ausführen können. Welches Objekt sich dabei bewegt, oder ob beide Objekte sich dabei bewegen ist für das Verständnis irrelevant.

Nachfolgend wir angenommen, dass das erste Objekt mindestens einen ersten Sender TX1 aufweist, und das zweite Objekt mindestens eine erste Empfangsantenne ANT RXl und eine zweite Empfangsantenne ANT_RX2 aufweist, wobei die erste Empfangsantenne ANT_RX1 und die zweite Empfangsantenne ANT_RX2 räumlich separiert am zweiten Objekt angeordnet sind. Der Sender TX1 wird nachfolgend auch synonym mit einer Sendeantenne verstanden, insbesondere in Bezug auf die Lautzeiten / Distanzen.

Das zweite Objekt weist weiterhin mindestens ein Empfängerfrontend RX zur Detektion von Signalen der ersten Empfangsantenne ANT_RX1 und/oder der zweiten Empfangsantenne ANT_RX2 auf. D.h. das zweite Objekt kann z.B. ein einziges Empfängerfrontend RX zum abwechselnden Empfang von Signalen der ersten Empfangsantenne ANT_RX1 oder der zweiten Empfangsantenne ANT_RX2 aufweisen, oder aber das zweite Objekt kann z.B. zwei Empfängerfrontends RX zum gleichzeitigen Empfang von Signalen der ersten Empfangsantenne ANT_RX1 und der zweiten Empfangsantenne ANT_RX2 aufweisen, wobei dann ein erstes Empfängerfrontend RX der der ersten Empfangsantenne ANT_RX1 und ein zweites Empfängerfrontend RX der zweiten Empfangsantenne ANT_RX2 zugeordnet sein könnte. Die Erfindung ist dabei nicht auf zwei Empfangsantennen beschränkt. Vielmehr können am zweiten Objekt auch mehr als zwei Empfangsantennen angeordnet sein. Ebenso ist die Erfindung nicht auf einen Sender beschränkt. Dabei kann zudem vorgesehen sein, dass unterschiedliche Frequenzen genutzt werden.

Weiterhin weist das System zumindest eine Verarbeitungseinheit CPU_RX auf, die aus den detektierten Signalen die Distanz des ersten Objektes relativ zu dem zweiten Objekt und den Winkel zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt bestimmt. Winkel ist dabei auch als Orientierung zu verstehen.

Die Verarbeitungseinheit CPU_RX kann dabei auch Teil des Empfängerfrontends RX bzw. des zweiten Objektes sein. Sie ist nachfolgend nur als logische Einheit zu verstehen.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Verarbeitungseinheit CPU_RX zur Bestimmung der Distanz dazu eingerichtet, den räumlichen Signal-Einfallswinkel a des Senders TX zur ersten Empfangsantenne ANT_RX1 und den räumlichen Signal-Einfallswinkel ß des Senders TX zur zweiten Empfangsantenne ANT_RX2 aus Phasenunterschieden zu bestimmen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die erste Empfangsantenne ANT_RX1 und die zweite Empfangsantenne ANT_RX2 in einem Abstand von mehr als einer Wellenlänge eines vom Erster Sender TX1 verwendeten Signals räumlich separiert zueinander angeordnet.

In einerweiteren Ausführungsform der Erfindung sind die erste Empfangsantenne fANT_RXlj und die zweite Empfangsantenne (ANT_RX2) in einem Abstand von weniger als 3 m räumlich separiert zueinander angeordnet. Dabei kann z.B. - wie aus den Figuren 9 und 10 - ersichtlich durch Wahl der Auflösung und die Wahl des Abstandes der Empfangsantennen eine gewünschte Genauigkeit erzielt werden. In den beispielhaften Figuren 9 und 10 ist dabei die Konstellation der Figur 1, d.h. eine mittige Anordnung der Sendeantenne TX1 in Bezug auf die erste Empfangsantenne ANT_RX1 und zweite Empfangsantenne ANT_RX2 angenommen. Abweichungen und die Implikationen hieraus sind für den Fachmann offenbar.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung ist die Erfindung besonders vorteilhaft für Positionierungsaufgaben geeignet, wie sie in vielen Bereichen der Technik anzutreffen sind. Beispielsweise kann die Erfindung in Zusammenhang mit Transportsystemen, insbesondere auch autonome Transportsysteme, wie sie z.B. zum Warentransport im industriellen Umfeld Verwendung finden zu einer verbesserten Positionierung führen.

Auch für Ladesystem, die z.B. die Positionierung eines elektrischen Fahrzeuges in Bezug auf elektrische Ladevorrichtungen benötigen, kann die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden, um z.B. einen Ladeadapter an die dafür vorgesehene Stelle in der notwendigen Orientierung zu bringen.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann die Verarbeitungseinheit CPU_RX einen Microprozessor, Microcontroller, FPGA oder ASIC aufweisen.

Weiterhin kann in dem erfindungsgemäßen System vorgesehen sein, dass der erste Sender TX1 zur kontinuierlichen Abgabe eines Signales eingerichtet ist. Dies kann alternativ oder zusätzlich durch die Verarbeitungseinheit CPU_RX mittels eines zusätzlichen Datenkanals, der z.B. drahtlos ausgeführt ist, an eine Verarbeitungseinheit CPU_TX signalisiert werden.

Soweit zuvor / hiernach Bezug auf Sender und Empfänger als getrennte Einheiten gemacht wird sei angemerkt, dass hiermit jeweils nur eine Funktion beschrieben ist. So kann es durchaus vorgesehen sein, dass ein Sender bzw. ein Empfänger auch Teile eines Sendeempfängers (engl. Transceiver) ist. Dabei kann es natürlich auch vorgesehen sein, dass in einem ersten Zeitabschnitt ein Sendeempfänger als Sender gemäß der Erfindung agiert und in einem zweiten Zeitabschnitt der Sendeempfänger als Empfänger (Empfängerfrontend RX) gemäß der Erfindung agiert. Im Fall eines zusätzlichen Datenkanals kann eine eigene Empfangsantenne am Objekt vorgesehen sein, es ist jedoch ebenso möglich eine der Sendeantennen TX als Empfangsantenne für den Datenkanal zu verwenden. In gleicher Weise kann auch eine Empfangsantenne als Sendeantenne für den Datenkanal verwendet werden.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann in Ausführungsformen (Fig. 2) das erste Objekt einen weiteren Sender TX2 aufweisen, wobei der erster Sender TX1 und der zweite Sender TX2 räumlich separiert angeordnet sind, wobei der erster Sender TXlund der zweite Sender TX2 Signale gemäß einem TFMA- oder einem FDMA- oder einem CDMA -Schema erzeugen.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Empfangsantenne ANT_RX1 und die zweite Empfangsantenne ANT_RX2 jeweils zumindest ein eindimensionales Antennenarray auf, wobei das Antennenarray zumindest zwei Einzelantennen, z.B. Al und A2, oder A3 und A4, ( Im Prinzip bilden auch Al und A3, oder A4 und A4 ein eindimensionales Array in Diagonalrichtung) (siehe Figur 7) aufweist. Dabei ist Figur 7 nur als Beispiel anzusehen. ln einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Empfangsantenne ANT_RX1 und die zweite Empfangsantenne ANT_RX2 jeweils zumindest ein zweidimensionales Antennenarray auf, wobei das Antennenarray zumindest drei Einzelantennen, z.B. Al, A2, A3 oder Al, A2, A4, aufweist.

In einer weiteren Ausführungsform ist dem Sender TX (ebenfalls) ein eindimensionales oder mehrdimensionales Antennenarray - wie zuvor in Bezug auf Empfangsantennen ANT_RX1, ANRT_RX2 beschreiben - zugeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform weist das System weiterhin einen Rückkanal, z.B. als zusätzlichen Datenkanal für den Datenaustausch, z.B. zur Steuerung des Senders (mittels CPU_TX) auf.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestimmt die Verarbeitungseinheit CPU_RX basierend auf Messungen eine erste Richtung, wobei die erste Richtung an den Sender TX über den Rückkanal zurückgemeldet wird, wobei der Sender TX dazu eingerichtet ist - basierend auf der Rückmeldung - die Sendrichtung zu adaptieren, z.B. gezielt Strahlungskeulen anzusteuern, wie in Figur 5 gezeigt.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass noch mehrere Empfangsantennen vorgesehen sind. Ist die räumliche Anordnung der Empfangsantennen zueinander bekannt, kann z.B. die Messung von unterschiedlichen Paarungen der Empfangsantennen zur Verifikation verwendet. Alternativ oder zusätzlich können aber durch eine solche Vorgehensweise auch gestörte Empfangsantennen aus der Bewertung herausgezogen werden.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Empfängerfrontend RX dazu eingerichtet, Signale auf eine Zwischenfrequenz umzusetzen und mit einem Vielfachen der Zwischenfrequenz abzutasten. Hiermit kann z.B. ein IQ Imbalance-Reduktion erzielt werden.

Mittel der Erfindung ist es insgesamt möglich mit einfachen CW-Signalen (Continuous Wave) zu arbeiten. Anders als bei anderen Systemen ist keine Synchronisation erforderlich. Durch einfache Phasenmodulation und zusätzlicher Kodierung können sogar mehrere Transmitter/Objekte gleichzeitig detektiert werden und deren jeweilige räumliche Lage in Bezug zu den Empfängerantennen ANT_RX1, ANT_RX2 bestimmt werden. Beispielhaft wäre es möglich ein Codemultiplexverfahren wie z.B. CDMA, ein Frequenzmultiplexverfahren, wie z.B. FDMA, oder ein Zeitmultiplexverfahren, wie z.B. TDMA, als Kodierung zu verwenden.

Somit ermöglicht es die Erfindung die räumliche Position und Orientierung zweier Objekte zueinander mit Hilfe eines/mehrerer Sender/s mit bekanntem Sendesignal an dem einen Objekt und mehrerer Referenzempfänger an dem anderen Objekt zu bestimmen. Zur Bestimmung der Entfernung und Orientierung kann mittels der Empfänger durch Bestimmung der Signaleinfallswinkel eine Triangulation vorgenommen werden.

Diese Methode ist prinzipiell medienunabhängig und kann sowohl im Akustikbereich sowie im Funkbereich als auch im optischen Bereich eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen zur Entfernungsmessung ist dieses Konzept insbesondere von Vorteil da mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand eine hohe Präzision erreicht werden kann.

Mit dem vorgestellten Konzept lässt sich eine hohe Messgenauigkeit mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand erzielen.