MOIN (Minimale Ortungsinfrastruktur)

Laufzeit: 01.09.2018 - 31.12.2020
Leitung: Prof. Dr.-Ing Horst Hellbrück
Mitarbeiter: Sven Ole Schmidt

Hintergrund

Ein Produzent lagert seine Halbfertig- und Vorprodukte in einer Halle mit zahlreichen engen Regalgängen zwischen. Innerhalb der Produktionshalle befinden sich außerdem komplett abgeschlossene Räume (Schleif-, Schweiß- und Lackierkabinen). Aus den Halbfertig- und Vorprodukten wird in mehreren Arbeitsgängen das Endprodukt gefertigt. Neben dem Wiederauffinden der Halbfertig- und Vorprodukte soll der gesamte Produktionsprozess automatisch überwacht werden, um z.B. Pufferzeiten zu ermitteln. Um eine automatisches Tracking des Produktionsprozesses durchführen zu können, muss die Position der Halbfertig- und Vorprodukte sowie des Produktionsauftrags jederzeit abrufbar sein. Mit herkömmlichen Verfahren, wie Barcode oder passiv RFID, ist eine lückenlose Verfolgung nur eingeschränkt möglich. Darüber hinaus verursachen diese Verfahren einen erheblichen manuellen Mehraufwand (permanentes gleichzeitiges Scannen von Objekt und Position) und bergen ein hohes Fehlerpotential durch das Vergessen eines Scans. Das Objekt kann in diesem Fall nicht mehr lokalisiert werden.

Bestehende Ortungssysteme auf Basis von Funklaufzeitmessung benötigen eine Vielzahl an Ankern. Durch die beschriebene Hallentopologie müsste in diesem Fall in jedem einzelnen Regalgang die entsprechende Infrastruktur zur Funkortung aufgebaut werden. Eine Ortung innerhalb der abgeschlossenen Räume wäre durch Abschirmungen nur eingeschränkt oder gar nicht möglich.

Ziel

Ziel dieses Projektes ist die Neuentwicklung eines Ortungssystems, welches die enthaltene Infrastruktur auf ein Minimum reduziert. Hierfür wird die Mehrwegeausbreitung, die durch die kabellose Übertragung hervorgerufen wird, konstruktiv genutzt, um aus einem gegebenen Anker unter Berücksichtigung der Hallentopologie virtuelle Anker zu initialisieren. Diese werden dann analog zu realen Ankern genutzt, wodurch der Hardwarebedarf sinkt.

 

Bild: Minimierung der Hardware bei einem Indoor-Lokalisationssystem


Die Technische Hochschule Lübeck entwickelt im Teilprojekt Modellierung und Algorithmen (ModAl) dieses Kooperationsprojektes ein Simulations- und Planungswerkzeug, welches eine gegebene Raumgeometrie analysieren und den Lokalisationsanker auf Basis einer Algorithmik perfekt positionieren kann. Unter Berücksichtigung dieser Planung entwickeln wir außerdem eine algorithmische Positionsanalyse der Tags.

Ansatz

Zu einem wichtigen Werkzeug für die Lokalisation der Tags wird die Kanalimpulsantwort. Diese beschreibt die Mehrwegeausbreitung durch ein Diagramm, welches das Empfangssignal in Form der empfangenen Signalkopien mit ihrer individuellen Leistung und Übertragungsdauer abbildet.


Bild: Messung einer Kanalimpulsantwort


Durch die Korrelation mit den unterschiedlichen Pfaden der Mehrwegeausbreitung kann von der empfangenen Kanalimpulsantwort ein eindeutiger Rückschluss auf die Tag-Position gezogen werden.

Projektpartner

 

Solcon

Gefördert durch:                    

Förderkennzeichen: ZF4186108BZ8

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Veröffentlichungen


Konferenz Beiträge
[2019] On the Effective Length of Channel Impulse Responses in UWB Single Anchor Localization (Sven Ole Schmidt, Marco Cimdins, Horst Hellbrück), In International Conference on Localization and GNSS, 2019. [bib] [abstract]
Recently, single anchor localization evolves as a new research topic that exploits multipath propagation for calculation of tag positions. With a combination of movement information and particle filters, they provide a precision that is similar to multi-anchor systems. However, a systematic approach to the design and implementation of such systems is not yet available. The combination of theory and mathematical modeling for channel impulse responses is still an open research question that we address in this paper. Therefore, we propose a new representation of a channel impulse response targeted for single anchor localization systems. Based on this representation, we model the relationship between tag positions and channel impulse responses and evaluate the statistic properties of channel impulse responses in this application. In this paper, we introduce a new metric for the assessment of anchor positions, the effective length of CIRs. By the shortest effective length of a set of CIRs, we identify the best anchor position, since it indicates the position where requirements for the measurement of the channel impulse response are lowest.
Sonstige Veröffentlichungen
[2019] Understanding and Prediction of Ultra-Wide Band Channel Impulse Response Measurements (Benjamin Matthews, Sven Ole Schmidt, Horst Hellbrück), Technical report, Technische Universität Braunschweig, 2019. [bib] [pdf] [abstract]
Recently, ultra-wide band transceiver systems have provided data transfer, timestamps and channel impulse response measurements to the user. The interpretation of the timestamps and the channel impulse response, however, is difficult and not intuitive. In simple scenarios, line of sight and non-line of sight pulses can be distinguished easily, which simplifies the reconstruction. For more complex scenarios, the interpretation remains difficult and is still an unsolved problem. In this paper, we investigate the channel impulse response measurements of the DecaWave DW1000 ultra-wide band transceiver and model the expected results for simple scenarios based on information provided from the transceiver data sheet. We will show that we are able to predict the measurement results of the transceiver with acceptable accuracy by applying the model above in experiments.
[2019] Improvements to UWB Channel Impulse Response Measurements for Indoor Localization (B. Mattthews, M. Cimdins, H. Hellbrück), (T. M. Buzug et. al., ed.), 2019. [bib] [abstract]
This paper proposes two methods to improve the accuracy of UWB channel impulse response (CIR) measurements. Improving the accuracy of UWB CIR measurements results in an improvement of the overall accuracy of an indoor localization system. Two methods are analyzed, both with the idea of combining a series of CIR measurements to yield higher accuracy than a single measurement. We evaluated both methods by gathering data at different positions within a room. These methods reduced the error by an average of 7% and 4% respectively. The results indicate that utilizing these techniques will improve the accuracy of localization.
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