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