DE102017131117A1

DE102017131117A1 - Drahtloses, elektronisches Lokalisierungssystem

Info

Publication number: DE102017131117A1
Application number: DE102017131117.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Born
Original assignee: Steinel GmbH and Co KG
Current assignee: Steinel GmbH and Co KG
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lokalisierungssystem (1) zur drahtlosen, elektronischen Abstandsbestimmung zwischen einer ersten Kommunikationseinheit (2) und einer mit der ersten Kommunikationseinheit (2) eine Funkstrecke (7) ausbildenden zweiten Kommunikationseinheit (3), wobei die erste Kommunikationseinheit (2) bevorzugt mobil, weiter bevorzugt tragbar, ausgebildet ist und das Lokalisierungssystem (1) Laufzeiterfassungsmittel (14) zur drahtlosen Abstandsbestimmung zwischen der ersten Kommunikationseinheit (2) und der zweiten Kommunikationseinheit (3) umfasst Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Realisierung der Laufzeiterfassungsmittel (14) die zweite Kommunikationseinheit (3) eine Schallquelle (10) zum Erzeugen eines hörbaren oder Ultraschall- Akustiksignals (11) als Reaktion auf ein von der ersten Kommunikationseinheit (2) empfangenes erstes Funksignal aufweist und die ersten Kommunikationseinheit (2) Schallerfassungsmittel (8), bevorzugt ausgebildet als Mikrofon (8), zum Empfangen des mit der zweiten Kommunikationseinheit (3) erzeugten Akustiksignals (11) aufweist sowie Schalllaufzeitmittel (15) vorgesehen sind, die aus einer aus dem Erzeugen und dem Empfangen des Akustiksignals (11) bestimmten Schalllaufzeit ein Abstandssignal erzeugen, wobei die zweite Kommunikationseinheit (3) derart ausgebildet ist, dass das Erzeugen des Akustiksignals (11) von dem empfangenen ersten Funksignal abhängig ist, insbesondere durch dieses ausgelöst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lokalisierungssystem umfassend eine erste Kommunikationseinheit und eine zweite Kommunikationseinheiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur drahtlosen, elektronischen Abstandsbestimmung sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den Abstand zwischen einer ersten Kommunikationseinheit zu einer zweiten Kommunikationseinheit durch die Analyse von Funksignalen der zwischen den beiden Kommunikationseinheiten ausgebildeten Funkstrecke zu bestimmen. Grundsätzlich sind hierfür aus dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Verfahren bekannt. Zum einen kann eine Abstandsbestimmung am Empfänger durch die Auswertung der Signalstärke der über die Funkstrecke empfangenen Funksignale erfolgen, woraus sich die von den Funksignalen zurückgelegte Wegstrecke bestimmen lässt. Nachteilig ist, dass das auszuwertende Funksignal auch durch von Gegenständen verursachte Reflektionen überlagert wird, was zu konstruktiver und destruktiver Interferenz führt und das Endergebnis verfälscht. Daher sind für eine hohe Genauigkeit bei der Ortsbestimmung hochsensible und damit auch kostenintensive Sensormittel erforderlich, weshalb diese Technologie nur sehr eingeschränkt nutzbar ist.
Zum anderen kann der Abstand zwischen der ersten Kommunikationseinheit und der mit der ersten Kommunikationseinheit eine Funkstrecke ausbildenden zweiten Kommunikationseinheit auch durch Laufzeiterfassungsmittel bestimmt werden. Hierbei wird die Ausbreitungsdauer der Funksignale erfasst, um auf den von den Funksignalen zurückgelegte Wegstrecke zu schließen. Dies erfordert genaue Laufzeiterfassungsmittel, da sich die Funksignale mit sehr großer Geschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) ausbreiten und daher schon kleine Messfehler einen großen Einfluss auf die Wegstrecke haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Lokalisierungssystem zur drahtlosen, elektronischen Abstandsbestimmung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, welches bei der Abstandsbestimmung eine hohe Ortsauflösung ermöglicht. Dabei sollen sich Offsetfehler und Abweichungen nur geringfügig auf die Laufzeiterfassungsmittel auswirken und zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen. Insbesondere ist auch vorgesehen, dass kostengünstige und im Idealfall bereits vorhandene Komponenten als Kommunikationseinheit zur Ausführung des Lokalisierungssystems nutzbar sind, insbesondere in Kombination mit einer bewegungssensorbasierten Beleuchtungsvorrichtung.
Die Aufgabe wird durch das Lokalisierungssystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Schutz im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird gleichermaßen beansprucht für ein Verfahren zum Ausführen des erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems, insbesondere zur Ortung eines handelsüblichen Smartphones. Darüber hinaus wird auch Schutz beansprucht für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems zum drahtlosen Verschließen eines Kraftfahrzeugs sowie zur Innenraum-Navigation oder einer Nahbereichsnavigation in Lagerhallen, Gebäuden, in einem Tunnelsystem oder bei der navigierten Zuteilung von reservierten Sitzplätzen in einem Zug oder Bus.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise umfassen die Laufzeiterfassungsmittel des die erste Kommunikationseinheit sowie die zweite Kommunikationseinheit aufweisenden erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems auf Seiten der zweiten Kommunikationseinheit eine Schallquelle zum Erzeugen eines hörbaren oder Ultraschall-Akustiksignals als Reaktion auf ein von der ersten Kommunikationseinheit erzeugtes und über die Funkstrecke an die zweite Kommunikationseinheit übermitteltes Funksignal. Auf Seiten der ersten Kommunikationseinheit sind Schallerfassungsmittel umfasst, die bevorzugt als Mikrofon ausgebildet sind, sowie Schalllaufzeitmittel zum Erzeugen eines Abstandssignals aus der durch das Erzeugen und das Empfangen des Akustiksignals bestimmten Schalllaufzeit. Als für das menschliche Ohr hörbare Schallwellen werden erfindungsgemäß Akustiksignale aus einem Wertebereich zwischen 16Hz bis 20kHz verstanden. Ultraschallsignale, die mit einem menschlichen Ohr nicht hörbar sind, liegen in einem Frequenzbereich zwischen 20kHz bis 60kHz. Zur Abstandsbestimmung wird sich erfindungsgemäß zunutze gemacht, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Akustiksignale (Schallwellen) in der Luft konstant und bekannt ist. Dies ermöglicht es, über die Bestimmung der Schalllaufzeit die Entfernung zwischen der Schallquelle und den Schallerfassungsmitteln zu bestimmen, indem die mittels der Schalllaufzeiterfassungsmittel bestimmte Schalllaufzeit mit der (konstanten) Schallgeschwindigkeit multipliziert wird. Im Hinblick auf die aus dem Stand der Technik bekannten, auf Funksignalen basierenden Laufzeiterfassungsmittel ist die wesentlich geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit des Akustiksignals (Schallgeschwindigkeit beträgt 340m/s) im Vergleich zu der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funksignale (Lichtgeschwindigkeit beträgt 299000000m/s) signifikant, weshalb sich ein konstanter Offsetfehler bei der auf Funksignalen basierenden Abstandsbestimmung viel stärker auf das Ergebnis auswirkt, als bei der erfindungsgemäßen auf Schallsignalen basierenden Abstandsbestimmung.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher die zweite Kommunikationseinheit zweite Zählermittel aufweist, insbesondere zum Starten eines zeitbasierten, bevorzugt synchron zu einer Taktfrequenz laufenden Zählerbetriebs. Der Zählerbetrieb soll durch den Empfang eines über die Funkstrecke von der ersten Kommunikationseinheit an die zweite Kommunikationseinheit übermitteltes Funksignal startbar und/oder aktivierbar sein (als Trigger) und durch den Empfang eines zweiten Funksignals wieder auslesbar oder beendbar sein. In diesem Zusammengang ist es bevorzugt, wenn das zweite Funksignal von der ersten Kommunikationseinheit als Reaktion auf den Empfang des von der zweiten Kommunikationseinheit ursprünglich erzeugten Akustiksignals generiert wurde. Dies setzt ein Lokalisierungssystem um, in dem lediglich in der zweiten Kommunikationseinheit Zählermittel vorgesehen sein müssen. Gleichzeitig reduziert sich der Aufwand an Baugruppen auf Seiten der ersten Kommunikationseinheit, die somit bevorzugt auch mobil oder tragbar, insbesondere besonders kompakt, ausgebildet sein kann. Jedoch ist auch eine Ausführungsform besonders bevorzugt, in der die erste Kommunikationseinheit und die zweite Kommunikationseinheit jeweils mobil, bevorzugt tragbar, ausgebildet sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Kommunikationseinheit erste Zählermittel auf, insbesondere zum Starten eines zeitbasierten, bevorzugt synchron zu einer Taktfrequenz laufenden, Zählerbetriebs, der zeitgleich (synchron) mit dem Aussenden eines über die Funkstrecke übermittelbaren Funksignals startbar sein soll. Sobald der Zählerbetrieb durch das Funksignal aktiviert wurde, erhöht sich ein Zählerwert periodisch um einen festen Wert. Der aktive Betrieb der Zählermittel kann durch den Empfang eines Akustiksignals beendbar sein, um die Dauer zwischen dem Aussenden des Funksignals und dem Empfang des Akustiksignals zu erfassen. Dies ermöglicht die Umsetzung eines Lokalisierungssystems, in dem lediglich in der ersten Kommunikationseinheit Zählermittel erforderlich sind, was eine vorteilhafte Vereinfachung der zweiten Kommunikationseinheit ermöglicht.
Insbesondere ist für eine Steigerung der Genauigkeit der Schalllaufzeitmittel vorgesehen, dass die erste Kommunikationseinheit erste Zählermittel aufweist und die zweite Kommunikationseinheit zweite Zählermittel aufweist, die sich bevorzugt über ein Initialisierungsfunksignal synchronisieren lassen. Dabei soll eine besonders bevorzugte Ausführungsform es ermöglichen, dass der Zählerbetrieb der ersten Zählermittel auf den Zählerbetrieb der zweiten Zählermittel synchronisierbar ist oder aber auch umgekehrt, also dass der Zählerbetrieb der zweiten Zählermittel sich auf den Zählerbetrieb der ersten Zählermittel synchronisieren lässt. Darüber hinaus ist es weiter bevorzugt, wenn der Zählerbetrieb der ersten Zählermittel und der zweiten Zählermittel derart miteinander synchronisierbar sind, dass von beiden Zählermitteln ein synchronisierter Zählerbetrieb ausgeführt wird. Mit anderen Worten sollen hierbei beide Zählwerte neu gestartet werden, um einen synchronen Zählerbetrieb zu ermöglichen. Der synchrone Zählerbetrieb zwischen den ersten Zählermitteln und den zweiten Zählermitteln ermöglicht den Austausch und den Vergleich von Zählerwerten. Dies ermöglicht die Genauigkeit der Schalllaufzeitmittel zu verbessern, da der von den Funksignalen entlang der Funkstrecke entstehende Zeitbedarf (Funklaufzeit) zum Starten und/oder Stoppen des Zählerbetriebs wegfällt, da erfasste Zeitpunkte der ersten und zweiten Zählermittel vergleichbar werden. Somit kann der Zeitpunkt der Erzeugung des hörbaren bzw. Ultraschall- Akustiksignals von den zweiten Zählermitteln als Erzeugungszeitpunkt (T2) erfasst werden und der Zeitpunkt des Erfassens des Akustiksignals durch die ersten Zählermittel als Erfassungszeitpunkt (T1) gemessen werden. Aufgrund der vorteilhaften Synchronisation lassen sich diese beiden erfassten Zeitpunkte nun auch miteinander vergleichen, wobei sich aus der Differenz des Erfassungszeitpunkts (T1) zum Erzeugungszeitpunkt (T2) der zur Ausbreitung von dem hörbaren bzw. Ultraschall- Akustiksignal benötigte Zeitbedarf bestimmen lässt (Schalllaufzeit).
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise umfasst eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Laufzeitkompensationsmittel, die in der ersten Kommunikationseinheit und/oder in der zweiten Kommunikationseinheit angeordnet sind. Die Laufzeitkompensationsmittel sind dabei derart ausgebildet, dass diese eine Korrektur der ermittelten Schalllaufzeit ermöglichen. Hierfür erfolgt bevorzugt eine Korrektur über einen konstanten Korrekturfaktor, der die Verzögerung- und Latenzzeiten der vorgesehenen Elektronikbaugruppen kompensiert. Ergänzend kann über einen solchen Korrekturfaktor auch die Laufzeit der Funksignale kompensiert werden. Hierbei ist weiterbildend auch eine dynamisch Funklaufzeitkompensation vorgesehen, wobei anhand der Dauer zwischen dem Aussenden eines Funksignals und dem Empfang eines Antwortfunksignals die Funklaufzeit erlangt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kommunikationseinheit Bestandteil einer sensorbasierten Beleuchtungsvorrichtung oder wird durch einen ultraschallbasierten Bewegungssensor ausgebildet, der auf Grundlage des Dopplereffekts zur bewegungsgesteuerten Beleuchtungsansteuerung genutzt wird. Durch diese vorteilhafte Maßnahme könnte eine Erweiterung der bereits bestehenden und einen ultraschallbasierten Bewegungssensor nutzenden Beleuchtungsvorrichtungen erfolgen und somit mit geringem Aufwand ein erfindungsgemäßen Lokalisierungssystem umsetzen. Weiterbildend kann auch die erste Kommunikationseinheit als ein handelsübliches Smartphone ausgebildet sein, was den Aufwand zur Umsetzung des Lokalisierungssystems noch weiter minimiert.
In diesem Zusammenhang ist es weiterbildend vorgesehen, dass die Schallquelle der zweiten Kommunikationseinheit derart ausgebildet ist, dass das hörbare oder Ultraschall- Akustiksignal modulierbar ist, um eine Unterscheidung zwischen den Akustiksignalen des Bewegungssensors und des Lokalisierungssystems zur Abstandsbestimmung sicherzustellen. Weiterbildend ist in diesem Zusammenhang auch vorgesehen, dass eine Verschiebung des Frequenzbereichs erfolgt, und dabei insbesondere die Frequenz der Schallquelle von 40kHz in einen Bereich kleiner als 30kHz verschoben wird.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht es vor, dass die zweite Kommunikationseinheit Bestandteil eines Kraftfahrzeugs ist und etwa das automatisierte unbeabsichtigte Verschließen des Innenraums verhindert.
Weiterbildend ist es vorgesehen, dass mindestens die erste Kommunikationseinheit als datenverarbeitende Telefonieeinheit, insbesondere als Smartphone, ausgebildet ist. Hierbei wird bevorzugt durch die Installation einer Software (App) ein Programm installiert, das Zugriff auf die Bluetooth-Einheit sowie das Mikrofon des Smartphones besitzt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein standardmäßig verbautes Mikrofon in einem handelsüblichen Smartphone Akustiksignale bis zu einer Frequenz von üblicherweise 30kHz bis zu 50kHz erfassen kann. In diesem Zusammenhang ist auch eine Kombination von mehreren standardmäßig verbauten Mikrofonen oder eine Aktivierung eines einzelnen Mikrofons eines Smartphones denkbar, um die Erfassung des hörbaren oder Ultraschall- Akustiksignals mit dem Smartphone zu optimieren.
Besonders bevorzugt ist es im Rahmen günstiger Weiterbildungen der Erfindung zudem auch, wenn sich die Funkverbindung auf Basis von, bevorzugt standardisierten, Funkprotokollen, insbesondere entsprechend eines standardisierten Bluetooth-Funkprotokolls, realisieren lässt. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass praktisch sämtliche handelsüblichen Smartphones über eine Bluetooth-Einheit verfügen und somit nach der Installation eines Anwendungsprogramms (App) die Funktionalität der ersten Kommunikationseinheit oder eine zweite Kommunikationseinheit realisieren können. Besonders vorteilhaft in der Realisierung der Funkstrecke auf Basis der Bluetooth-Einheit sind der geringe Energieverbrauch einer auf dem Bluetooth-Standard basierenden Funkverbindung sowie die hohe Zuverlässigkeit. Ferner erlaubt diese Weiterbildung der Erfindung den Einsatz von standardisierten und somit kostengünstig beziehbaren Funkeinheiten (Massenware) auch bei Ausführungsformen der ersten Kommunikationseinheit und/oder der zweiten Kommunikationseinheit, die nicht als Smartphone ausgebildet sind.
Darüber hinaus wird im Rahmen der Erfindung auch Schutz beansprucht für ein Verfahren zur drahtlosen, elektronischen Abstandsbestimmung für ein erfindungsgemäßes Lokalisierungssystem, das zumindest die folgenden Schritte umfasst: In einem ersten Schritt erfolgt das Senden eines Funksignals durch eine erste Kommunikationseinheit, um eine Funkstrecke mit einer zweiten Kommunikationseinheit aufzubauen. Wird dieses Funksignal von einer sich in Reichweite befindenden zweiten Kommunikationseinheit empfangen, erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt, als Reaktion auf das Empfangen des Funksignals, das Erzeugen eines hörbaren oder Ultraschall- Akustiksignals über die Schallquelle der zweiten Kommunikationseinheit. Das hörbare bzw. Ultraschall- Akustiksignal wird sich dann in dem Abstandsbestimmungsraum ausbreiten und nach einer von der Entfernung der ersten Kommunikationseinheit zur zweiten Kommunikationseinheit abhängigen Schalllaufzeit auf die Schallerfassungsmittel der ersten Kommunikationseinheit treffen. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt in der ersten Kommunikationseinheit das Empfangen des Akustiksignals durch die Schallerfassungsmittel. Anschließend wird die Schalllaufzeit durch Schalllaufzeitmittel ermittelt. Schließlich erfolgt in einem letzten Verfahrensschritt das Erzeugen eines Abstandsignals aus der ermittelten Schalllaufzeit.
In einer Weiterbildung dieses Verfahrens erfolgt eine Korrektur der ermittelten Schalllaufzeit durch einen, bevorzugt konstanten oder dynamischen, Korrekturfaktor. Durch die Korrektur der Schalllaufzeit sollen die von den Elektronikbaugruppen der ersten Kommunikationseinheit und/oder der zweiten Kommunikationseinheit verursachten Verzögerungszeiten und Latenzzeiten verringert werden. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, dass eine Kompensation der Funklaufzeit erfolgt, da die Funklaufzeit von der Länge der Funkstrecke abhängt. Hierfür wird, insbesondere durch die ersten Zählermittel, die Dauer zwischen dem Aussenden eines Funksignals und eines von der zweiten Kommunikationseinheit unmittelbar als Reaktion auf das empfangene Funksignal erzeugte (Antworts-) Funksignals gemessen, woraus sich die Funklaufzeit ableiten lässt.
Weiter bevorzugt ist es auch, dass, insbesondere vor sämtlichen anderen Verfahrensschritten, eine Synchronisation der ersten Zählermittel und/oder der zweiten Zählermittel erfolgt, zum Sicherstellen eines synchronen Zählerbetriebs der ersten Zählermittel und der zweiten Zählermittel. Hierbei ist es denkbar, dass sich der Zählerbetrieb der ersten Zählermittel auf den Zählerbetrieb der zweiten Zählermittel synchronisiert oder aber auch umgekehrt. Alternativ ist auch eine Synchronisation möglich, in der in Abhängigkeit eines, insbesondere über die Funkstrecke, bevorzugt von einem dritten Teilnehmer, übermittelten, Synchronisationspulses ein Neustart der Zählerbetriebe der ersten Zählermittel und der zweiten Zählermittel erfolgt.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems zum Verhindern des automatisierten (drahtlosen und elektronischen) Verschließens eines Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs, wobei die erste Kommunikationseinheit, bevorzugt als mobile datenverarbeitende Telefonieeinheit, weiter bevorzugt als Smartphone, ausgebildet ist und räumlich einem Autoschlüssel zugeordnet ist. Die zweite Kommunikationseinheit ist bevorzugt im Kraftfahrzeug stationär vorgesehen, wobei hierbei der Abstandsbestimmungsraum durch den Fahrzeuginnenraum bestimmt wird. Dies ermöglicht es, den Innenraum eines Kraftfahrzeugs mit einer hohen Genauigkeit bei der Ortsauflösung zu überwachen, um somit das automatisierte Verschließen des Schlüsselsystems des Kraftfahrzeugs erst zu aktivieren, wenn der die erste Kommunikationseinheit mit sich führende Fahrer des Kraftfahrzeugs den Innenraum oder eine um das Kraftfahrzeug definierbare Zone verlässt.
Ferner umfasst die Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems zur Innenraum-Navigation, insbesondere zur Kurzbereichs-Navigation, insbesondere für eine selektive lokale Beleuchtungsansteuerung in Lagerhallen, Gebäuden, einem Tunnelsystem oder zu einer navigationsbasierten Sitzplatzvergabe in Zügen oder öffentlichen Bussen.
Im Ergebnis ermöglicht somit die vorliegende Erfindung das Realisieren eines, insbesondere für den Innenbereich geeigneten, Lokalisierungssystems auf überraschend einfache und kostengünstige Weise. Hierbei wird sich auf herausragende Art und Weise die geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit von Akustiksignalen (Schallgeschwindigkeit) im Vergleich zu der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funksignalen (Lichtgeschwindigkeit) zu Nutze gemacht, wodurch kostengünstige Bauteile für die Realisierung der Laufzeiterfassungsmittel nutzbar werden. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung auf äußerst einfache Weise die Genauigkeit bei der Ortsauflösung im Rahmen einer Abstandsbestimmung zwischen einer ersten Kommunikationseinheit und einer zweiten Kommunikationseinheit zu erhöhen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in

1: ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems aufweisend eine erste Kommunikationseinheit und eine zweite Kom munikationseinheit,
2: einen Grundriss eines Gangs zur automatisierten Beleuchtungssteuerung mittels eines erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems als konkretes Implementierungsbeispiel der Erfindung
3: ein Flussdiagramm umfassend wesentliche Verfahrensschritte, die von einem erfindungsgemäßen Lokalisierungssystem durchgeführt werden, um den Abstand zwischen einer als Smartphone ausgebildeten ersten Kommunikationseinheit zu einer zweiten Kommunikationseinheit zu bestimmen.

In den Figuren sind funktionsgleiche oder zueinander äquivalente Elemente und Baugruppen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das schematische Blockschaltbild der 1 verdeutlicht die wesentlichen Funktionskomponenten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Realisierung des erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems 1. Das Lokalisierungssystem 1 ermöglicht die drahtlose, elektronische Abstandsbestimmung zwischen einer ersten Kommunikationseinheit 2 und einer zweiten Kommunikationseinheit 3. Die erste Kommunikationseinheit 2, die bevorzugt durch ein Smartphone 17 ausgebildet ist, umfasst erste Zählermittel 4, die synchron zu einer Taktfrequenz einen Zählerwert um einen konstanten Wert erhöhen und Bestandteil von Schalllaufzeitmitteln 15 sind. Die ersten Zählermittel 4 können im Zählerbetrieb einen Zählerwert bei einem frei definierbaren Ereignis auslesen und abspeichern, um diesen für eine nachgelagerte Verarbeitung verfügbar zu machen. Darüber hinaus umfasst die erste Kommunikationseinheit 2 eine eine Antenne zum Senden und Empfangen von Funksignalen aufweisende Funkeinheit 6, die mit der zweiten Kommunikationseinheit 3 zum Austausch von Funksignalen eine Funkstrecke 7 ausbilden kann. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn die beiden Funkeinheiten 6, 9 ein standardisiertes Bluetooth-Kommunikationsprotokoll für die Funkstrecke 7 realisieren.
Eine weitere Funktionseinheit der ersten Kommunikationseinheit 2 wird durch Schallerfassungsmittel 8 gebildet, die Bestandteil der sowohl in der ersten Kommunikationseinheit 2, als auch in der zweiten Kommunikationseinheit 3 enthaltenen Laufzeiterfassungsmitteln 14 sind und insbesondere durch ein in jedem Smartphone 17 vorgesehenes Mikrofon realisiert sind, da erfindungsgemäß vorteilhaft mit einem üblicherweise verbauten Smartphone-Mikrofon 8 Akustiksignale bis zu einer Frequenz von 50kHz erfassbar sind. Die Schallerfassungsmittel 8 sind über eine Kommunikationsleitung 13 mit ersten Logikmitteln 5 der ersten Kommunikationseinheit 2 verbunden und ermöglichen unter anderem die Realisierung von Laufzeitkompensationsmitteln 16 zur Kompensation von, insbesondere durch Elektronikbaugruppen verursachten, Verzögerungs- und Latenzzeiten in der ermittelten Schalllaufzeit des Ultraschall- Akustiksignals 11.
Wie bereits erwähnt, umfasst die zweite Kommunikationseinheit 2 eine zweite Funkeinheit 9 zum Ausbilden der Funkstrecke 7 mit der ersten Funkeinheit 6 der ersten Kommunikationseinheit 2. Darüber hinaus weist die zweite Kommunikationseinheit 3 im Umfang der Laufzeiterfassungsmittel 14 (auf Seiten der zweiten Kommunikationseinheit 2) eine Schallquelle 10 zum Erzeugen eines in 1 schematisch dargestellten und sich innerhalb eines Abstandsbestimmungsraums ausbreitenden Ultraschall- Akustiksignals 11 sowie zweite Zählermittel 12 auf. Die zweiten Zählermittel 12 sind derart ausgebildet, dass sich eine Synchronisation über die Funkstrecke 7 mit den ersten Zählermitteln 4 durchführen lässt.
Nach dem Aktivieren erfolgt zunächst in einer Suchphase ein Suchlauf, wobei die erste Kommunikationseinheit 2 über die erste Funkeinheit 6 zu sich periodisch wiederholenden Zeitpunkten Funksignale aussendet, um eine Funkstrecke 7 mit einer zweiten Kommunikationseinheit zu realisieren. Nach dem erfolgreichen Aufbau der Funkstrecke 7, was durch ein von der zweiten Kommunikationseinheit 3 an die erste Kommunikationseinheit 2 übermitteltes (Antworts-) Funksignal signalisiert wird, erfolgt über die Funkstrecke 7 eine Synchronisation der ersten Zählermittel 4 mit den zweiten Zählermittel 12, um einen synchronen Zählerbetrieb zu ermöglichen. Sobald die Synchronisation abgeschlossen ist, wird mittels der Schallquelle 10 der zweiten Kommunikationseinheit 3 das für das menschliche Ohr nicht hörbare Ultraschall-Akustiksignal 11 erzeugt, das sich mit einer konstanten Schallgeschwindigkeit im Abstandsbestimmungsraum ausbreitet. Der Erzeugungszeitpunkt T2 des mittels der Schallquelle 10 erzeugten Ultraschall-Akustiksignals 11 wird von den zweiten Zählermitteln 12 erfasst und zunächst für eine spätere Verarbeitung abgespeichert.
Nach einer von der Entfernung der ersten Kommunikationseinheit 2 zu der zweiten Kommunikationseinheit 3 abhängigen Schalllaufzeit trifft das sich auch im Abstandsbestimmungsraum ausbreitende Ultraschall-Akustiksignal 11 auf die, bevorzugt als Smartphones-Mikrofon 8 ausgebildeten, Schallerfassungsmittel 8, wobei der exakte Zeitpunkt von diesem Ereignis durch die ersten Zählermittel 4 als Erfassungszeitpunkt T1 erfasst und abgespeichert wird. Anschließend wir der Erfassungszeitpunkt T1 über die Funkstrecke 7 an die zweite Kommunikationseinheit 3 übermittelt, um die Entfernung der ersten Kommunikationseinheit 2 von der zweiten Kommunikationseinheit 3 über die Schalllaufzeit des Ultraschall-Akustiksignals 11 zu berechnen. Hierbei wird z. B. von einer konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit von 343m/s (Schallgeschwindigkeit) des Ultraschall-Akustiksignals 11 ausgegangen.
In 2 ist in einem stark verkleinerten Maßstab ein Grundriss 20 eines langen Gangs 21 einer Lagerhalle 22 dargestellt, der in vierzehn gleichgroße, unmittelbar benachbarte und zur Veranschaulichung mit Nummern markierte Zonen 23 aufgeteilt ist. Jede Zone 23 kann durch eine Mehrzahl von nicht grafisch in 2 dargestellten Leuchtmitteln eines Beleuchtungssystems individuell ausgeleuchtet werden. Dies ermöglicht eine automatisierte Beleuchtung der Zone 23, in der sich eine Person gerade aufhält bzw. auch von unmittelbar benachbarten Zonen 23. Zur Steuerung des automatisierten Beleuchtungssystems ist es lediglich erforderlich, dass die Person ein Smartphone 17 bei sich trägt, in dem , insbesondere über eine zuvor installierte App eine Applikation ausgeführt wird, die einen Zugriff auf die Bluetooth-Einheit 6 und das Mikrofon 8 des Smartphones 17 besitzt, um somit die erste Kommunikationseinheit 2 des erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems 1 zu realisieren und somit eine automatisierte Steuerung des Beleuchtungssystems zu bilden. In 2 befindet sich die das Smartphone 17 mit sich führende Person in der neunten Zone 23 des Gangs 21. Im Endbereich des Gangs 21, genauer in der vierzehnten Zone, befindet sich eine entsprechend 1 ausgebildete zweite Kommunikationseinheit 3, die derart an der Decke der Lagerhalle 22 befestigt ist, dass der gesamte Gang 21 im Abstandsbestimmungsraum der (Ultra-)Schallquelle 10 liegt, die Teil einer ohnehin bereits vorhandenen auf Ultraschallsignalen basierenden Bewegungssensorvorrichtung zur Ansteuerung des Beleuchtungssystems sein kann. Betritt eine Person mit einem als erste Kommunikationseinheit 3 ausgebildeten Smartphone 17 den Gang 21, erfolgt zunächst über die Bluetooth-Einheit 6 eine Kopplung des Smartphones 17 mit der zweiten Kommunikationseinheit 3, um eine funktionstüchtige Funkstrecke 7 zu realisieren. Über diese Funkstrecke 7 erfolgt die Synchronisation der ersten Zählermittel 4 mit den zweiten Zählermitteln 12, um Zeitangaben des Smartphones 17 mit Zeitangaben der zweiten Kommunikationseinheit 3 vergleichbar zu machen. Unmittelbar nach der Synchronisation erfolgt das Aussenden des Akustiksignals 11 durch die zweite Kommunikationseinheit 3, wobei der Zeitpunkt durch die zweiten Zählermittel 12 erfasst und abgespeichert wird. Da im Smartphone 17 der Zeitpunkt des Erfassens des Ultraschall-Akustiksignals 11 mit dem Mikrofon 8 detektiert und für eine nachgelagerte Verarbeitung abgespeichert wird, kann dieser über die Bluetooth-Funkstrecke 7 an die zweite Kommunikationseinheit 3 übermittelt werden. In der zweiten Kommunikationseinheit 3 kann dann die exakte Position bzw. die Entfernung des Smartphones 17 bzw. der Person über den Zusammenhang zwischen Laufzeit des Akustiksignals (Schalllaufzeit) und der konstanten Schallgeschwindigkeit des Akustiksignals 11 bestimmt werden. Somit kann der Position der Person bzw. des Smartphones eine Zone 23 zugeordnet werden und eine Aktivierung der entsprechenden Leuchtmittel des Beleuchtungssystems erfolgen.
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ortung einer mobilen und tragbar ausgebildeten ersten Kommunikationseinheit 2 durch eine stationär ausgebildete zweite Kommunikationseinheit 3. In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt über die erste Funkeinheit 6 der ersten Kommunikationseinheit 2 ein Suchlauf 30, wobei periodisch Funksignale ausgesendet werden, mit dem Ziel eine Funkstrecke 7 mit einer zunächst unbekannten zweiten Kommunikationseinheit 3 aufzubauen. Empfängt eine zweite Kommunikationseinheit 3 das Funksignal sendet dieses ein (Antworts-) Funksignal. Somit besteht eine (aktive) Funkstrecke 7 zwischen der ersten Kommunikationseinheit 2 und der zweiten zur Kommunikationseinheit 3. Über die Funkstrecke 7 erfolgt dann eine Synchronisation 31 der ersten Zählermittel 4 mit den zweiten Zählermitteln 12, um einen synchronen Zählerbetrieb zwischen den ersten Zählermitteln 4 und den zweiten Zählermitteln 12 sicher zu stellen. Nach dem Verfahrensschritt der Synchronisation 31 wechselt die erste Kommunikationseinheit 2 in einen Empfangsbetriebsmodus 32, in welchem der Empfang eines fest codierten Ultraschall- Akustiksignals 11 in einem definierten Frequenzbereich erwartet wird.
Nach der Synchronisationsphase 31 wechselt die zweite Kommunikationseinheit 3 in einen Sendebetrieb 33, um das codierte Ultraschall- Akustiksignal mit der Schallquelle 10 zu erzeugen, das sich im Abstandsbestimmungsraum ausbreitet. Hierbei wird der Zeitpunkt als Erzeugungszeitpunkt T2 durch die zweiten Zählermittel 12 erfasst und über die Funkstrecke 7 an die erste Kommunikationseinheit 2 übermittelt, was in einem Verfahrensschritt erfolgt.
Im Zustand 34 empfängt die erste Kommunikationseinheit 7 das über die Funkstrecke 7 übermittelte Funksignal mit dem Erzeugungszeitpunkt T2 und erwartet den Empfang des Ultraschall- Akustiksignals 11, wobei der Zeitpunkt des Erfassens des Ultraschall- Akustiksignals 11 durch die ersten Zählermittel 4 als Erfassungszeitpunkt T1 erfasst und abgespeichert wird. Im nächsten Verfahrensschritt 35 wird der Erfassungszeitpunkt T1 über die Funkstrecke 7 an die zweite Kommunikationseinheit 3 versendet. Nachdem die erste Kommunikationseinheit 2 den Erfassungszeitpunkt T2 über die Funkstrecke 7 versendet hat, erfolgt die Bestimmung eines Abstandssignals. Hierbei erfolgt zunächst in einem ersten Korrekturschritt 36 die Bearbeitung der sich aus der Differenz zwischen Erfassungszeitpunkt T2 und Erzeugungszeitpunkt T1 bestimmbaren Schalllaufzeit des Ultraschall- Akustiksignals 11 mittels eines Korrekturfaktors, um den Einfluss von Elektronikbaugruppen beim Erzeugen und Erfassen des Ultraschall- Akustiksignals 11 zu kompensieren. Schließlich erfolgt in einem letzten Verfahrensschritt 37 die Abstandsbestimmung mit der korrigierten Schalllaufzeit des Ultraschall-Akustiksignals 11 auf Basis einer konstant angenommenen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschall- Akustiksignals 11.
Die zweite Kommunikationseinheit 3 wechselt nach dem Erzeugen des Ultraschall- Akustiksignals 11 in einen neuen Verfahrensschritt 38, indem auf den Empfang des Funksignals mit dem Erfassungszeitpunkt T1 gewartet. Nachdem das Funksignal empfangen wurde und die Erfassungszeit T1 aus dem Funksignal ausgelesen wurde, erfolgt auch in der zweiten Kommunikationseinheit 3 eine Korrektur der Schalllaufzeit durch einen konstanten Korrekturfaktor zur Kompensation der Verzögerungs- und Latenzzeiten in einem separat aufgeführten Verfahrensschritt 39. Nach der Korrektur der Schalllaufzeit wird schließlich die Entfernung der ersten Kommunikationseinheit 2 auf Grundlage der korrigierten Schalllaufzeit in einem weiteren Verfahrensschritt 40 bestimmt. Nachdem der Abstand auch in der zweiten Kommunikationseinheit 3 bestimmt wurde, wechselt die zweite Kommunikationseinheit 3 in den Betriebszustand des Sendens 33 und die erste Kommunikationseinheit 2 wechselt in den Zustand des Empfangens 32, um eine weiter Abstandsmessung auf Basis der Schalllaufzeit des Akustiksignals 11.
Bezugszeichenliste

1: Lokalisierungssystem
2: erste Kommunikationseinheit
3: zweite Kommunikationseinheit
4: erste Zählermittel
5: erste Logikmittel
6: erste Funkeinheit
7: Funkstrecke
8: Schallerfassungsmittel
9: zweite Funkeinheit
10: Schallquelle
11: ultraschallbasiertes Akustiksignal
12: zweite Zählermittel
13: Kommunikationsleitung
14: Laufzeiterfassungsmittel
15: Schalllaufzeitmittel
16: Laufzeitkompensationsmittel
17: Smartphone
20: Grundriss
21: Gang
22: Lagerhalle
23: Zone
30: Suchlauf
31: Synchronisierung
32: Empfansbetriebsmodus
33: Sendebetrieb
34: Zeitpunkt erfassen
35: Zurückschicken
36: Korrektur
37: Berechnung
38: Empfang
39: Korrektur
40: Berechnung

Claims

Lokalisierungssystem (1) zur drahtlosen, elektronischen Abstandsbestimmung zwischen einer ersten Kommunikationseinheit (2) und einer mit der ersten Kommunikationseinheit (2) eine Funkstrecke (7) ausbildenden zweiten Kommunikationseinheit (3), wobei die erste Kommunikationseinheit (2) bevorzugt mobil, weiter bevorzugt tragbar, ausgebildet ist und das Lokalisierungssystem (1) Laufzeiterfassungsmittel (14) zur drahtlosen Abstandsbestimmung zwischen der ersten Kommunikationseinheit (2) und der zweiten Kommunikationseinheit (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung der Laufzeiterfassungsmittel (14) die zweite Kommunikationseinheit (3) eine Schallquelle (10) zum Erzeugen eines hörbaren oder Ultraschall- Akustiksignals (11) als Reaktion auf ein von der ersten Kommunikationseinheit (2) empfangenes erstes Funksignal aufweist und die ersten Kommunikationseinheit (2) Schallerfassungsmittel (8), bevorzugt ausgebildet als Mikrofon (8), zum Empfangen des mit der zweiten Kommunikationseinheit (3) erzeugten Akustiksignals (11) aufweist sowie Schalllaufzeitmittel (15) vorgesehen sind, die aus einer aus dem Erzeugen und dem Empfangen des Akustiksignals (11) bestimmten Schalllaufzeit ein Abstandssignal erzeugen, wobei die zweite Kommunikationseinheit (3) derart ausgebildet ist, dass das Erzeugen des Akustiksignals (11) von dem empfangenen ersten Funksignal abhängig ist, insbesondere durch dieses ausgelöst wird.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kommunikationseinheit (3) zweite Zählermittel (12) umfasst, insbesondere zum Starten eines zeitbasierten, bevorzugt synchron zu einer Taktfrequenz laufenden, Zählerbetriebs als Reaktion auf das erste Funksignal, wobei der Zählerbetrieb durch ein als Reaktion auf das empfangene Akustiksignal (11) von der ersten Kommunikationseinheit (2) erzeugtes zweites Funksignal beendbar und/oder ein erreichter Zählerstand auslesbar ist zum Erzeugen des Abstandssignals in Abhängigkeit von dem Zählerbetrieb und/oder von dem erreichten Zählerstand.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kommunikationseinheit (2) erste Zählermittel (4) umfasst, insbesondere zum Starten eines zeitbasierten, bevorzugt synchron zu einer Taktfrequenz laufenden, Zählerbetriebs mit dem Aussenden des ersten Funksignals, wobei der Zählerbetrieb durch das Empfangen des Akustiksignals (11) beenbar und/oder ein erreichter Zählerstand auslesbar ist zum Erzeugen des Abstandssignals in Abhängigkeit von dem Zählerbetrieb und/oder von dem erreichten Zählerstand.
Lokalisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Zählermittel (4) und/oder die zweiten Zählermittel (12) derart ausgebildet sind, dass, insbesondere durch ein Initialisierungsfunksignal der Funkstrecke (7), eine Synchronisation des Zählerbetriebs der ersten Zählermittel (4) und/oder des Zählerbetriebs der zweiten Zählermittel (12) durchführbar ist, wobei nach der Synchronisation, insbesondere als Reaktion auf ein weiteres Funksignal, das hörbare bzw. Ultraschall- Akustiksignal (11) zu einem von den zweiten Zählermitteln (12) erfassbaren Erzeugungszeitpunkt (T2) erzeugbar ist und dass die ersten Zählermittel (4) beim Erfassen des hörbaren bzw. Ultraschall-Akustiksignals (11) eine Erfassungszeitpunkt (T1) ermitteln, wobei der Erfassungszeitpunkt (T1) und/oder der Erzeugungszeitpunkt (T2) über die Funkstrecke (7) zum Erzeugen des Abstandssignals in Abhängigkeit von dem Erfassungszeitpunkt (T1) und dem Erzeugungszeitpunkt (T2) übermittelbar ist.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kommunikationseinheit (2) und/oder die zweite Kommunikationseinheit (3) Laufzeitkompensationsmittel (16) zum Ausgleich der durch das Erzeugen und das Empfangen des Akustiksignals (11) und/oder des Funksignals entstehenden Verzögerungs- und/oder Latenzzeiten, insbesondere verursacht durch Elektronikbaugruppe, oder einer Funklaufzeit der Funksignale entlang der Funkstrecke (7) umfasst.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kommunikationseinheit (3) durch einen ultraschallbasierten Bewegungssensor, insbesondere zur bewegungsbasierten Steuerung einer Beleuchtung oder als Bestandteil einer sensorbasierten Beleuchtungsvorrichtung ausgebildet ist.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 6 dass die Schallquelle (10) der zweiten Kommunikationseinheit (3) derart ausgebildet ist, dass das erzeugte hörbare bzw. Ultraschall-Akustiksignal (11) zum Unterscheiden eines für die Abstandbestimmung erzeugten Akustiksignals von dem einer bewegungsbasierten Steuerung der Beleuchtung modulierbar und/oder in einem abweichenden Frequenzbereich verschiebbar ist.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kommunikationseinheit (3) als Bestandteil eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist und insbesondere über eine zentrale Energieversorgungseinheit mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Kommunikationseinheit (2) als mobile datenverarbeitende Telefonieeinheit, insbesondere als Smartphone (17), ausgebildet ist.
Lokalisierungssystem nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kommunikationseinheit (2) und die zweite Kommunikationseinheit (3) derart ausgebildet sind, dass die Funkstrecke (7) auf Basis von, bevorzugt standardisierten, Funkprotokollen, insbesondere auf einem standardisierten Bluetooth-Funkprotokoll, realisiert ist.
Verfahren zur drahtlosen, elektronischen Abstandsbestimmung für ein Lokalisierungssystem, welches bevorzugt nach einem der Ansprüche 1-10 ausgebildet ist, umfassend zumindest die folgenden Schritte: - Senden eines Funksignals durch eine erste Kommunikationseinheit (2); - Erzeugen eines hörbaren oder Ultraschall- Akustiksignals (11) als Reaktion auf das Funksignal durch eine zweite Kommunikationseinheit (3); - Empfangen des sich in einem Abstandsbestimmungsraum ausbreitenden Akustiksignals (11) durch Schallerfassungsmittel (8) der ersten Kommunikationseinheit (2); - Ermitteln der durch das Erzeugen und das Empfangen des Akustiksignals (11) bestimmten Schalllaufzeit durch Schalllaufzeitmittel (15) und - Erzeugen eines Abstandssignals aus der ermittelten Schalllaufzeit.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: Korrektur der ermittelten Schalllaufzeit durch einen, bevorzugt konstanten oder dynamischen, Korrekturfaktor, um die durch Elektronikbaugruppen der ersten Kommunikationseinheit und/oder der zweiten Kommunikationseinheit zum Erzeugen und Empfangen des Akustiksignals und des Funksignals verursachten Verzögerungs- und/oder Latenzzeiten und/oder einer Funklaufzeit der Funksignale entlang der Funkstrecke (7) zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt einer Synchronisation von der ersten Kommunikationseinheit (2) und/oder der zweiten Kommunikationseinheit (3) zur Realisierung der Schalllaufzeitmittel (15) mit zugeordneten jeweiligen Zählermitteln (4, 12).
Verwendung des Lokalisierungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Verhindern eines automatisierten Verschließens eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKWs, wobei die erste Kommunikationseinheit (2) als mobile datenverarbeitende Telefonieeinheit, bevorzugt als Smartphone (17), einem Autoschlüssel räumlich zugeordnet ist, und die zweite Kommunikationseinheit (3) stationär im Kraftfahrzeug vorgesehen ist und ein Abstandsbestimmungsraum zwischen der ersten Kommunikationseinheit (2) und der zweiten Kommunikationseinheit (3) durch den Fahrzeuginnenraum bestimmt ist.
Verwendung eines erfindungsgemäßen Lokalisierungssystems zur Innenraum-Navigation, insbesondere Kurzbereichsnavigation und/oder zur selektiven lokalen Beleuchtungsvorrichtung in Lagerhallen, Gebäuden, einem Tunnelsystem oder zur geführten Sitzplatzvergabe in einem Zug oder Bus.