DE102017214283A1

DE102017214283A1 - Verfahren zur Wiedergabe von Pilottönen über eine elektroakustische Anlage zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude und Verfahren zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude unter Verwendung von Pilottönen

Info

Publication number: DE102017214283A1
Application number: DE102017214283.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Buck; Simon Schneider; Stefan Leidich; Matthias Kuehnel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-02-21
Also published as: CN109407053A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergabe von Pilottönen (112, 114, 116) über eine elektroakustische Anlage (104) zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts (102) in einem Gebäude, wobei die elektroakustische Anlage (104) zumindest einen ersten Lautsprecher (LS1) zur Wiedergabe eines ersten Pilottons (112), einen zweiten Lautsprecher (LS2) zur Wiedergabe eines zweiten Pilottons (114) und einen dritten Lautsprecher (LS3) zur Wiedergabe eines dritten Pilottons (116) aufweist. Durch das Verfahren werden der erste Lautsprecher (LS1), der zweite Lautsprecher (LS2) und der dritte Lautsprecher (LS3) so angesteuert, dass der erste Pilotton (112), der zweite Pilotton (114) und der dritte Pilotton (116) je in einem vom menschlichen Ohr nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich wiedergegeben werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren oder einer Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Die Outdoor-Navigation mittels GPS ist fester Bestandteil des Stands der Technik mobiler Endgeräte. Innerhalb von Gebäuden ist die Navigation mittels GPS quasi unmöglich, da hier die Signalstärke oftmals zu gering ist und Mehrfachreflexionen große Abweichungen verursachen können. Die Realisierung einer äquivalenten Indoor-Navigation stellt ein überaus wichtiges technologisches Thema dar. Die Anwendungen sind vielfältig und das Marktvolumen unüberschaubar groß.
Ein bekanntes Konzept zur Realisierung ist die Verwendung von WLAN-Routern. In vielen öffentlichen Gebäuden kann ein mobiles Endgerät die Signale einer Vielzahl von Routern empfangen. Durch Korrelationen mit der Signalstärke und der bekannten Positionierung der Router kann auf die Position des Endgeräts geschlossen werden. Die Genauigkeit ist jedoch oft unzureichend. Die Installation spezieller zusätzlicher Sender an optimierten Positionen ist eine naheliegende Erweiterung, erfordert jedoch eine Ausrüstung der Gebäude mit zusätzlicher Technik.
Es sind noch andere technische Lösungen bekannt, die jedoch in den meisten Fällen den Aufbau einer lokalen Infrastruktur erforderlich machen. Der hohe Aufwand und die Heterogenität der Konzepte verhindern zumeist einen flächendeckenden Einsatz.
Die Druckschriften US 20130188456 A1 und US 9146301 B2 beschreiben Verfahren zur Ortsbestimmung mittels der akustischen Laufzeit pseudozufälliger Sequenzen und modulierter Musik.
In der Druckschrift US 20150156637 A1 ist ein Verfahren zur Indoor-Lokalisierung mit einem herkömmlichen Smartphone mit Mikrofon beschrieben. In einem Bereich in einem Gebäude sind mehrere Lautsprecher angeordnet. Jeder Lautsprecher kann ein akustisches Signal mit einer akustischen Information zur Identifikation des jeweiligen Lautsprechers übertragen. Wird ein akustisches Signal vom Mikrofon aufgenommen, so kann eine ID des Lautsprechers, von dem das Signal kommt, anhand der akustischen Information bestimmt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zur Wiedergabe von Pilottönen über eine elektroakustische Anlage zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, ein Verfahren zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude unter Verwendung von Pilottönen, ein mobiles Endgerät sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Verfahren zur Wiedergabe von Pilottönen über eine elektroakustische Anlage zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude vorgestellt, wobei die elektroakustische Anlage zumindest einen ersten Lautsprecher zur Wiedergabe eines ersten Pilottons, einen zweiten Lautsprecher zur Wiedergabe eines zweiten Pilottons und einen dritten Lautsprecher zur Wiedergabe eines dritten Pilottons aufweist, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Schritt umfasst:
Ansteuern des ersten Lautsprechers, des zweiten Lautsprechers und des dritten Lautsprechers, um den ersten Pilotton, den zweiten Pilotton und den dritten Pilotton je in einem vom menschlichen Ohr nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich wiederzugeben.
Unter einer elektroakustischen Anlage, kurz ELA, kann eine Beschallungsanlage verstanden werden, die im Wesentlichen der Informationsweitergabe in Form von Durchsagen dient. Die elektroakustische Anlage kann dementsprechend auf Verständlichkeit und Reichweite optimiert sein. Die Lautsprecher der elektroakustischen Anlage können innerhalb eines Raumes oder auch getrennt in unterschiedlichen Räumen oder unterschiedlichen Stockwerken des Gebäudes angeordnet sein. Bei den Lautsprechern kann es sich beispielsweise um (dicht) verteilte, fest installierte Lautsprecher handeln. Unter einem Pilotton kann ein akustisches Signal verstanden werden, das außerhalb und unabhängig von einem Nutzsignal über einen Kommunikationskanal der elektroakustischen Anlage übertragen werden kann und beispielsweise zu Kontroll-, Steuerungs-, Referenz- oder Überwachungszwecken dienen kann. Beispielsweise kann zu Selbsttestzwecken der elektroakustischen Anlage ein elektrisches Signal über Zuleitungen zu den Lautsprechern geschickt werden und dort parasitär in einen Pilotton in Form eines unhörbaren akustischen Signals umgewandelt werden. Unter einem mobilen Endgerät kann beispielsweise ein Smartphone, Tablet oder Laptop verstanden werden. Unter einem vom menschlichen Ohr nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich kann beispielsweise ein Bereich oberhalb von 16 kHz oder unterhalb von 16 Hz verstanden werden.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein System zur Ortsbestimmung mobiler Endgeräte in Gebäuden auf der Basis von Pilottönen einer im Gebäude installierten elektroakustischen Anlage realisiert werden kann. Die Pilottöne fungieren dabei als akustische Signalleuchten. Durch Verwendung dieser akustischen Signale zur Indoor-Lokalisierung können gängige Lokalisierungstechniken an solchen Orten ergänzt werden, an denen beispielsweise ein GPS-Empfang grundsätzlich schlecht möglich ist, wie etwa in Gebäuden. Die akustischen Signale werden dabei als unhörbare Pilottöne von mehreren Lautsprechern abgegeben und sind je nach Ausführungsform durch ihre zeitliche Abfolge oder spektrale Ausgestaltung von Lautsprecher zu Lautsprecher unterscheidbar. Bei dem mobilen Endgerät handelt es sich typischerweise um ein Empfangsgerät in Form eines Mobiltelefons oder Tablets mit integrierter Mikrofonhardware, durch die die akustischen Signale aller Lautsprecher aufgenommen werden können. Anhand der unterschiedlichen Laufzeiten der akustischen Signale können dann die jeweiligen Abstände des Empfangsgerätes zu den Lautsprechern bestimmt werden.
Die Position des Empfangsgerätes im Gebäude kann beispielsweise durch Multilateration anhand eines bereitzustellenden Kartenmaterials, in dem die jeweiligen Positionen der Lautsprecher und deren charakteristische Signaleigenschaften eingetragen sind, bestimmt werden. Ein derartiges Lokalisierungsverfahren, das die Positionsbestimmung innerhalb eines Gebäudes mittels einer elektroakustischen Anlage ermöglicht, kann beispielsweise in einer Navigationsanwendung verwendet werden.
Vorteilhafterweise erfordert ein solches Konzept kaum zusätzliche Infrastrukturmaßnahmen, da elektroakustische Anlagen in vielen Gebäuden bereits installiert sind und standardmäßig ausgebildet sind, um Pilottöne auszugeben. Die einzelnen Lautsprecher können zusätzlich so modifiziert werden, dass sie in der Lage sind, individuelle Pilottöne auszugeben. Das Konzept erfordert zudem keine Änderung der Empfangshardware und kann mit handelsüblichen Mobiltelefonen, Tablets, Laptops oder Ähnlichem umgesetzt werden. Das Konzept ermöglicht vor allem auch die Lokalisierung in großen Gebäudekomplexen, in denen bislang keine Lokalisierungsmöglichkeiten angeboten werden. Insbesondere ermöglicht das Konzept Positionsangaben mit einer Genauigkeit von kleiner 1 Meter.
Da die Lautsprecher der elektroakustischen Anlage sowohl zur Informationsweitergabe als auch zur Lokalisierung verwendet werden, sollte sichergestellt werden, dass sich die beiden Funktionen nicht gegenseitig behindern. Dies wird mit dem hier vorgestellten Ansatz erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt des Ansteuerns der erste Lautsprecher, der zweite Lautsprecher oder der dritte Lautsprecher oder zumindest zwei der drei Lautsprecher angesteuert werden, um den ersten Pilotton, den zweiten Pilotton oder den dritten Pilotton oder zumindest zwei der drei Pilottöne in einem Frequenzbereich zwischen 18 und 30 kHz wiederzugeben. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Pilottöne von im Gebäude befindlichen Personen nicht als störende Töne oder Geräusche wahrgenommen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können im Schritt des Ansteuerns der erste Lautsprecher, der zweite Lautsprecher und der dritte Lautsprecher angesteuert werden, um den ersten Pilotton, den zweiten Pilotton und den dritten Pilotton als zeitlich und/oder spektral und/oder durch unterschiedliche Codierungen voneinander abweichende akustische Signale wiederzugeben. Dadurch kann eine eindeutige Zuordnung der Pilottöne zu je einem der Lautsprecher gewährleistet werden.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn im Schritt des Ansteuerns der erste Lautsprecher, der zweite Lautsprecher und der dritte Lautsprecher angesteuert werden, um den ersten Pilotton, den zweiten Pilotton und den dritten Pilotton zeitsynchron wiederzugeben. Dies ist so zu verstehen, dass die drei Pilottöne in Bezug auf eine gemeinsame Zeitbasis wiedergegeben werden. Dabei können die drei Pilottöne entweder zeitgleich oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten wiedergegeben werden. Dadurch wird eine synchronisierte Wiedergabe der Pilottöne über die Lautsprecher ermöglicht.
Des Weiteren können im Schritt des Ansteuerns der erste Lautsprecher, der zweite Lautsprecher oder der dritte Lautsprecher angesteuert werden, um den ersten Pilotton, den zweiten Pilotton und den dritten Pilotton in Pulsen wiederzugeben, wobei sich die Pulse des ersten Pilottons, die Pulse des zweiten Pilottons und die Pulse des dritten Pilottons spektral nicht überlappen. Dadurch kann ein Kanalübersprechen bei gleichzeitiger Wiedergabe der drei Pilottöne verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns zumindest ein weiterer Lautsprecher der elektroakustischen Anlage angesteuert werden, um den ersten Pilotton wiederzugeben, sofern ein Schallausbreitungsraum des weiteren Lautsprechers keinen Schnittpunkt mit einem Schallausbreitungsraum des ersten Lautsprechers aufweist, oder, zusätzlich oder alternativ, den zweiten Pilotton wiederzugeben, sofern ein Schallausbreitungsraum des weiteren Lautsprechers keinen Schnittpunkt mit einem Schallausbreitungsraum des zweiten Lautsprechers aufweist, oder, zusätzlich oder alternativ, den dritten Pilotton wiederzugeben, sofern ein Schallausbreitungsraum des weiteren Lautsprechers keinen Schnittpunkt mit einem Schallausbreitungsraum des dritten Lautsprechers aufweist. Unter einem Schallausbreitungsraum kann ein kugel- oder halbkugelförmiger Raum rundum einen Lautsprecher verstanden werden, dessen Ausdehnung in radialer Richtung von einer akustischen Reichweite der von dem Lautsprecher ausgesandten akustischen Signale abhängig ist. Durch diese Ausführungsform können die Kanäle weiterer Lautsprecher der elektroakustischen Anlage, die sich beispielsweise in einer größeren Entfernung zum ersten, zweiten oder dritten Lautsprecher befinden, zur Wiedergabe des ersten, zweiten oder dritten Pilottons wiederverwendet werden. Der erste, zweite oder dritte Pilotton kann somit mehrfach innerhalb des Gebäudes wiedergegeben werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude unter Verwendung von Pilottönen, die mittels eines Verfahrens gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen wiedergegeben werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Ermitteln einer Laufzeit des ersten Pilottons vom ersten Lautsprecher zum mobilen Endgerät, einer Laufzeit des zweiten Pilottons vom zweiten Lautsprecher zum mobilen Endgerät und einer Laufzeit des dritten Pilottons vom dritten Lautsprecher zum mobilen Endgerät unter Verwendung je eines von einem Mikrofon des mobilen Endgeräts erzeugten elektrischen Signals; und
Bestimmen einer Entfernung des mobilen Endgeräts zum ersten Lautsprecher unter Verwendung der Laufzeit des ersten Pilottons, einer Entfernung des mobilen Endgeräts zum zweiten Lautsprecher unter Verwendung der Laufzeit des zweiten Pilottons und einer Entfernung des mobilen Endgeräts zum dritten Lautsprecher unter Verwendung der Laufzeit des dritten Pilottons, um eine einen Ort des mobilen Endgeräts im Gebäude repräsentierende Ortskoordinate zu erhalten.

Gegenstand des hier vorgestellten Ansatzes ist auch ein mobiles Endgerät mit Einheiten, die ausgebildet sind, um das Lokalisierungsverfahren gemäß der vorstehenden Ausführungsformen auszuführen und/oder anzusteuern. Hierzu kann das mobile Endgerät, etwa ein Smartphone, Tablet oder Laptop, mit einem Mikrofon zur Detektion der Pilottöne ausgestattet sein.
Die im Zusammenhang mit dem hier vorgestellten Ansatz genannten Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts und eines mobilen Endgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Blockdiagramm zur Beschreibung eines Signalflusses in einem mobilen Endgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung dreier Lautsprecher einer elektroakustischen Anlage zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein Ablaufdiagramm eines Wiedergabeverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Lokalisierungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts 100 und eines mobilen Endgeräts 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist eine Anordnung dreier Lautsprecher LS1, LS2, LS3 einer elektroakustischen Anlage 104, die je mit dem Steuergerät 100 verbunden sind. Die drei Lautsprecher LS1, LS2, LS3 sind beispielsweise fest in einem Gebäude installiert. Das mobile Endgerät 102 befindet sich ebenfalls in dem Gebäude. Das Steuergerät 100 weist eine Ansteuereinheit 105 auf, die ausgebildet ist, um die Lautsprecher LS1, LS2, LS3 durch Ausgeben je eines entsprechenden elektrischen Ansteuersignals 106, 108, 110 derart anzusteuern, dass über den ersten Lautsprecher LS1 ein erster Pilotton 112, über den zweiten Lautsprecher LS2 ein zweiter Pilotton 114 und über den dritten Lautsprecher LS3 ein dritter Pilotton 116 je in einem vom menschlichen Ohr nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich wiedergegeben wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinheit 105 ausgebildet, um die Lautsprecher LS1, LS2, LS3 so anzusteuern, dass der erste Lautsprecher LS1 den ersten Pilotton 112 in Form von Schallpulsen in einer ersten Frequenz f₁, der zweite Lautsprecher LS2 den zweiten Pilotton 114 in Form von Schallpulsen in einer zweiten Frequenz f₂ und der dritte Lautsprecher LS3 den dritten Pilotton 116 in Form von Schallpulsen in einer dritten Frequenz f₃ sendet. Das mobile Endgerät 102 wird von den Schallpulsen der ersten Frequenz f₁ zu einem ersten Zeitpunkt t₁ , von den Schallpulsen der zweiten Frequenz f₂ zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ und von den Schallpulsen der dritten Frequenz f₃ zu einem dritten Zeitpunkt t₃ je auf direktem Weg und nach entsprechenden entfernungsabhängigen Laufzeiten τ₁ = t₁ - t₀, τ₂ = t₂ - t₀ und τ₃ = t₃ - t₀ erreicht.
Der Sendezeitpunkt t₀ ist zunächst unbekannt. Ein weiterer hier beispielhaft skizzierter Ausbreitungspfad ergibt sich durch Reflexion der Schallpulse der ersten Frequenz f₁ . Dieser reflektierte Anteil der Schallpulse erreicht das mobile Endgerät 102 nach einer Zeit τ_1a .
Unterhalb der schematischen Darstellung der elektroakustischen Anlage sind ferner drei Schaubilder gezeigt, die die Amplitudenverläufe dreier von einem Mikrofon 117 des mobilen Endgeräts 102 beim Detektieren der drei Pilottöne 112, 114, 116 erzeugter Empfangssignale 118, 120, 122 getrennt nach den drei Trägerfrequenzen f₁ , f₂ , f₃ darstellen. Das mobile Endgerät 102 weist eine Ermittlungseinheit 124 zum Ermitteln der drei Laufzeiten τ₁ , τ₂ , τ₃ unter Verwendung der drei Empfangssignale 118, 120, 122 auf. Eine Bestimmungseinheit 126 des mobilen Endgeräts 102 ist ausgebildet, um anhand der drei von der Ermittlungseinheit 124 ermittelten Laufzeiten τ₁ , τ₂ , τ₃ eine jeweilige Entfernung des mobilen Endgeräts 102 zu den Lautsprechern LS1, LS2, LS3 zu bestimmen und auf der Basis dieser Entfernungen eine einen Ort des mobilen Endgeräts 102 im Gebäude repräsentierende Ortskoordinate 128 zu berechnen und auszugeben.
Beispielsweise sind die Lautsprecher LS1, LS2, LS3 an bekannten Positionen im Raum angebracht und senden kurze akustische Pulse aus. Zur Unterscheidung der Lautsprecher ist die verwendete Trägerfrequenz von Lautsprecher zu Lautsprecher verschieden. Insbesondere liegen die jeweiligen Trägerfrequenzen der Lautsprecher in einem Band von 18 bis 30 kHz. Die Trägerabstände sind dabei beispielsweise so gewählt, dass sich die Spektren der Pulse benachbarter Lautsprecher nicht überlappen. Ferner ist eine Pulsdauer dτ so gewählt, dass unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit v eine ausreichende räumliche Auflösung von dx=v×dτ erreicht wird. Für eine beispielhafte Auflösung von dx = 30 cm und v = 330 m/s ergibt sich beispielsweise eine maximale Pulsdauer von dτ = 0,9 ms. Im idealisierten Fall Gauß-förmiger Pulse ergibt sich eine spektrale Pulsbreite von df = 1/dτ = 1,1 kHz. Somit können verschiedene Lautsprecher mit 1,1 kHz Trägerabstand senden, wenn geeignete Maßnahmen zur Verhinderung von Kanalübersprechen getroffen werden. Im Frequenzband von 18 bis 30 kHz können entsprechend bis zu elf Lautsprecher gleichzeitig senden.
Durch die geringe Reichweite der akustischen Signale von typischerweise kleiner 100 m, vorangehend auch Pilottöne genannt, ist es möglich, die Kanäle weiterer Lautsprecher der elektroakustischen Anlage 104 in größerer Entfernung wiederzuverwenden. Die akustischen Signale können somit innerhalb des Gebäudes auch mehrfach vorkommen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird über Wi-Fi bereits eine Groblokalisierung des mobilen Endgeräts 102 vorgenommen. Dadurch können Mehrdeutigkeiten in den Senderfrequenzen ausgeglichen werden.
Die Pulse aller Lautsprecher werden insbesondere zeitsynchron, aber nicht zwingend gleichzeitig abgesendet, wobei die einzelnen Lautsprecher entweder durch eine konventionell vorhandene Signalleitung synchronisiert werden oder durch Funkverbindung mit dem Steuergerät 100 eine gemeinsame Zeitbasis erhalten.
Das mobile Endgerät 102 wandelt alle Pulse mit dem Mikrofon 117 in elektrische Signale 118, 120, 122 um und verarbeitet diese in einer Software weiter, wie dies beispielhaft in 2 dargestellt ist.
2 zeigt ein Blockdiagramm zur Beschreibung eines Signalflusses in einem mobilen Endgerät 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa dem vorangehend anhand von 1 beschriebenen Endgerät. Gezeigt sind das Mikrofon 117, ein Analog-digital-Umsetzer A/D, ein Bandpassfilter BPF, ein Gleichrichter RECT, ein Tiefpassfilter TP, eine Peakdetektionseinheit PKD, Berechnungseinheiten τ/r für die Abstandsberechnung aus den Laufzeiten und eine Multilaterationseinheit ML zur Berechnung von Ortskoordinaten (x, y, z) in einem Multilaterationsverfahren.
Zunächst wird eine Bandpassfilterung vorgenommen, um die Signale der einzelnen Lautsprecher zu trennen. Die einzelnen Kanäle werden daraufhin gleichgerichtet und tiefpassgefiltert, um die Pulse von ihren Trägern zu trennen. Die Ankunftszeitpunkte der Pulse werden zum Beispiel aus deren Maximalwerten oder deren Flanken bestimmt. Im Fall der Ankunftszeitbestimmung über Maximalwerte werden beispielsweise Gauß-Kurven an die empfangenen Signaldaten gefittet, wobei der Zeitpunkt eines Maximums der Gauß-Kurven als Ankunftszeitpunkt gewertet wird. Soll die Ankunftszeit aus der Signalflanke eines Pulses bestimmt werden, wird das Signal zunächst geglättet, um Rauscheinflüsse zu unterdrücken, und in der Folge zeitlich differenziert. Flanken im Ursprungssignal stellen sich dann als Pulse dar und können über Pulsfitting und Ablesen der Maximumszeitpunkte bestimmt werden. Um bei Mehrwegeausbreitung den Pfad auf der Sichtlinie für die Ortsbestimmung zu nutzen, wird beispielsweise der jeweils erste Puls ausgewählt, der bei unterschiedlich langen Ausbreitungspfaden jenen Pulsen vorangeht, die auf indirektem Weg empfangen wurden. In 1 gilt beispielsweise t₁ < t_1a, sodass dementsprechend die auf direktem Weg empfangenen Pulse des ersten Pilottons für die Lokalisierung ausgewählt werden.
Aus den gemessenen Signallaufzeiten τ₁... τ₃ ergeben sich unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit v die Distanzen r₁...₃ = τ₁...₃ × v zu den Lautsprechern. Durch Multilateration wird aus den einzelnen Distanzen zu mehreren Lautsprechern die Lage des Empfangsgerätes im Raum bestimmt, wie in 3 gezeigt. Ist nur ein Lautsprecher in Reichweite, wird die Position beispielsweise auf eine Kugeloberfläche eingrenzt. Ist ein zweiter Lautsprecher in Reichweite, ergibt sich aus dem Schnitt der beiden Kugeloberflächen ein Kreis. Mit einem dritten Lautsprecher verbleiben zwei Kreisschnittpunkte. Oftmals kann einer der Schnittpunkte ausgeschlossen werden, etwa wenn dieser oberhalb einer Raumdecke liegt. Durch weitere Lautsprecher kann die Robustheit des Systems erhöht werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung dreier Lautsprecher LS1, LS2, LS3 einer elektroakustischen Anlage zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei den drei Lautsprechern LS1, LS2, LS3 handelt es sich beispielsweise um die vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Lautsprecher. Gezeigt ist eine Anordnung eines dem ersten Lautsprecher LS1 zugeordneten ersten Schallausbreitungsraumes 300, eines dem zweiten Lautsprecher LS2 zugeordneten zweiten Schallausbreitungsraumes 302 und eines dem dritten Lautsprecher LS3 zugeordneten dritten Schallausbreitungsraumes 304. Beispielhaft sind die drei Schallausbreitungsräume 300, 302, 304 als Abstandshalbkugeln dargestellt. Das mobile Endgerät 102 befindet sich in den Abständen r₁ , r₂ , r₃ zu den jeweiligen Lautsprechern. Aus den drei Abständen r₁ , r₂ , r₃ ergibt sich ein gemeinsamer Schnittpunkt der Schallausbreitungsräume 300, 302, 304, der der Position des mobilen Endgeräts 102 im Gebäude entspricht.
Für die Bestimmung der Pulslaufzeiten τ aus den Empfangszeitpunkten t ist eine gemeinsame Zeitbasis des Empfangssystems mit dem Sendersystem notwendig. Diese wird entweder, ebenso wie zwischen den Lautsprechern, per Funk hergestellt oder aber durch einen oder mehrere weitere Lautsprecher akustisch übertragen. Werden beispielsweise die Laufzeiten der drei Lautsprecher LS1, LS2, LS3 für eine Lokalisierung benötigt, kann ein Empfangszeitpunkt t₄ von Pulsen des weiteren Lautsprechers zur Bestimmung der Zeitbasis herangezogen werden. Dazu wird ein Gleichungssystem der Multilateration um die unbekannte Größe t₀ = t_i - τ_i, mit i = 1...n erweitert. Dabei gibt n die Anzahl der miteinbezogenen Lautsprechersignale an. Durch diese zusätzliche Unbekannte sind vier Lautsprecher zur Bestimmung erforderlich.
Bei einer Übertragung der Zeitbasis vom Sendersystem zum Empfänger per Funk sendet das Steuergerät zur Ansteuerung der Lautsprecher über eine Antenne ein entsprechendes Synchronisierungssignal aus, das dann beim mobilen Endgerät 102 mit einer Antenne, beispielsweise einer Wi-Fi-Antenne, empfangen wird. Im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit ist das elektromagnetische Funksignal quasi verzögerungsfrei übertragbar und das Empfängersystem kann sich anhand dieses Signals synchronisieren.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Wiedergabeverfahrens 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 zur Wiedergabe von Pilottönen zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude kann beispielsweise von einem Steuergerät, wie es vorangehend anhand der 1 bis 3 beschrieben ist, ausgeführt werden. Dabei werden in einem Schritt 410 zumindest drei Lautsprecher der elektroakustischen Anlage angesteuert, um zumindest drei je in einem vom menschlichen Ohr nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich liegende Pilottöne innerhalb des Gebäudes wiederzugeben.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Lokalisierungsverfahren 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts in einem Gebäude kann beispielsweise unter Verwendung eines vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebenen mobilen Endgeräts ausgeführt werden. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 510, in dem die jeweiligen Laufzeiten der von den Lautsprechern der elektroakustischen Anlage wiedergegebenen Pilottöne anhand elektrischer Signale eines Mikrofons des mobilen Endgeräts ermittelt werden. Die Pilottöne werden dabei beispielsweise durch das vorangehend anhand von 4 beschriebene Verfahren erzeugt. In einem weiteren Schritt 520 werden die Laufzeiten ausgewertet, um eine jeweilige Entfernung zwischen dem mobilen Endgerät und den Lautsprechern zu ermitteln. Die Entfernungen ergeben dabei die dreidimensionale Ortskoordinate des mobilen Endgeräts im Gebäude.
Der Kern des hier vorgestellten Ansatzes besteht in der Verwendung fest installierter Lautsprecher einer elektroakustischen Anlage für die Emission eines akustischen Signals, das von einem mobilen Endgerät mit einem Mikrofon zur Lokalisierung innerhalb von Gebäuden genutzt werden kann. Dazu strahlen die ohnehin fest installierten Lautsprecher das akustische Signal im nicht hörbaren Frequenzbereich ab, insbesondere wobei sich das akustische Signal von Lautsprecher zu Lautsprecher unterscheidet und eine zusätzliche zeitliche oder spektrale Variation aufweist. Das akustische Signal wird am Endgerät detektiert und es werden die individuellen Laufzeiten zu den Lautsprechern bestimmt. Die jeweiligen Distanzen zu den Lautsprechern werden aus den entsprechenden Signallaufzeiten berechnet. Unter Verwendung der festen Ortskoordinaten der Lautsprecher kann die Position des Senders durch Multilateration bestimmt werden, wenn mindestens drei Lautsprecher und eine gemeinsame Zeitbasis oder vier Lautsprecher ohne Zeitbasis vorhanden sind.
Das Signal verschiedener Lautsprecher unterscheidet sich beispielsweise in der Trägerfrequenz, kann aber auch durch Codierung unterschieden werden, etwa unter Verwendung digitaler orthogonaler Spreizcodes. Zur Bestimmung der Laufzeit werden die Signale je nach Ausführungsbeispiel zeitlich amplituden-, phasen- oder frequenzmoduliert, gepulst oder mit einem Chirp versehen. Diese zeitliche Variation wird empfangsseitig genutzt, um bei Kenntnis eines Absendezeitpunkts auf die Signallaufzeit und damit auf die Wegstrecke zwischen Empfangsgerät und dem jeweiligen Lautsprecher zu schließen.
Das hier beschriebene Lokalisierungskonzept lässt sich beispielsweise zur Navigation innerhalb von Gebäuden nutzen, in denen der GPS-Empfang meist zu stark gedämpft ist, beispielsweise in Bahnhöfen, Flughäfen, öffentlichen Einrichtungen, großen Behörden, Universitäten, Einkaufszentren, Lagern oder Fabrikhallen. Dadurch können Nutzer Veranstaltungsräume, Treffpunkte, Gates, Geschäfte oder Ware leichter auffinden. Darüber hinaus kann damit im Brandfall eine anwendungsgesteuerte individualisierte Fluchtwegnavigation realisiert werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20130188456 A1 [0005]
US 9146301 B2 [0005]
US 20150156637 A1 [0006]

Claims

Verfahren (400) zur Wiedergabe von Pilottönen (112, 114, 116) über eine elektroakustische Anlage (104) zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts (102) in einem Gebäude, wobei die elektroakustische Anlage (104) zumindest einen ersten Lautsprecher (LS1) zur Wiedergabe eines ersten Pilottons (112), einen zweiten Lautsprecher (LS2) zur Wiedergabe eines zweiten Pilottons (114) und einen dritten Lautsprecher (LS3) zur Wiedergabe eines dritten Pilottons (116) aufweist, wobei das Verfahren (400) den folgenden Schritt umfasst: Ansteuern (410) des ersten Lautsprechers (LS1), des zweiten Lautsprechers (LS2) und des dritten Lautsprechers (LS3), um den ersten Pilotton (112), den zweiten Pilotton (114) und den dritten Pilotton (116) je in einem vom menschlichen Ohr nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich wiederzugeben.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Ansteuerns (410) der erste Lautsprecher (LS1) angesteuert wird, um den ersten Pilotton (112) in einem Frequenzbereich zwischen 18 und 30 kHz wiederzugeben, und/oder der zweite Lautsprecher (LS2) angesteuert wird, um den zweiten Pilotton (114) in einem Frequenzbereich zwischen 18 und 30 kHz wiederzugeben, und/oder der dritte Lautsprecher (LS3) angesteuert wird, um den dritten Pilotton (116) in einem Frequenzbereich zwischen 18 und 30 kHz wiederzugeben.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ansteuerns (410) der erste Lautsprecher (LS1), der zweite Lautsprecher (LS2) und der dritte Lautsprecher (LS3) angesteuert werden, um den ersten Pilotton (112), den zweiten Pilotton (114) und den dritten Pilotton (116) als zeitlich und/oder spektral und/oder durch unterschiedliche Codierungen voneinander abweichende akustische Signale wiederzugeben.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ansteuerns (410) der erste Lautsprecher (LS1), der zweite Lautsprecher (LS2) und der dritte Lautsprecher (LS3) angesteuert werden, um den ersten Pilotton (112), den zweiten Pilotton (114) und den dritten Pilotton (116) zeitsynchron wiederzugeben.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ansteuerns (410) der erste Lautsprecher (LS1), der zweite Lautsprecher (LS2) und der dritte Lautsprecher (LS3) angesteuert werden, um den ersten Pilotton (112), den zweiten Pilotton (114) und den dritten Pilotton (116) in Pulsen wiederzugeben, wobei sich die Pulse des ersten Pilottons (112), die Pulse des zweiten Pilottons (114) und die Pulse des dritten Pilottons (116) spektral nicht überlappen.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ansteuerns (410) zumindest ein weiterer Lautsprecher der elektroakustischen Anlage (104) angesteuert wird, um den ersten Pilotton (112) wiederzugeben, sofern ein Schallausbreitungsraum des weiteren Lautsprechers keinen Schnittpunkt mit einem Schallausbreitungsraum (300) des ersten Lautsprechers (LS1) aufweist, und/oder den zweiten Pilotton (114) wiederzugeben, sofern ein Schallausbreitungsraum des weiteren Lautsprechers keinen Schnittpunkt mit einem Schallausbreitungsraum (302) des zweiten Lautsprechers (LS2) aufweist, und/oder den dritten Pilotton (116) wiederzugeben, sofern ein Schallausbreitungsraum des weiteren Lautsprechers keinen Schnittpunkt mit einem Schallausbreitungsraum (304) des dritten Lautsprechers (LS3) aufweist.
Steuergerät (100) mit einer Einheit (105), die ausgebildet ist, um das Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen und/oder anzusteuern.
Verfahren (500) zur Lokalisierung eines mobilen Endgeräts (102) in einem Gebäude unter Verwendung von Pilottönen (112, 114, 116), die mittels eines Verfahrens (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 wiedergegeben werden, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst: Ermitteln (510) einer Laufzeit (τ₁) des ersten Pilottons (112) vom ersten Lautsprecher (LS1) zum mobilen Endgerät (102), einer Laufzeit (τ₂) des zweiten Pilottons (114) vom zweiten Lautsprecher (LS2) zum mobilen Endgerät (102) und einer Laufzeit (τ₃) des dritten Pilottons (116) vom dritten Lautsprecher (LS3) zum mobilen Endgerät (102) unter Verwendung je eines von einem Mikrofon (117) des mobilen Endgeräts (102) erzeugten elektrischen Signals (118, 120, 122); und Bestimmen (520) einer Entfernung (r₁) des mobilen Endgeräts (102) zum ersten Lautsprecher (LS1) unter Verwendung der Laufzeit (τ₁) des ersten Pilottons (112), einer Entfernung (r₂) des mobilen Endgeräts (102) zum zweiten Lautsprecher (LS2) unter Verwendung der Laufzeit (τ₂) des zweiten Pilottons (114) und einer Entfernung (r₃) des mobilen Endgeräts (102) zum dritten Lautsprecher (LS3) unter Verwendung der Laufzeit (τ₃) des dritten Pilottons (116), um eine einen Ort des mobilen Endgeräts (102) im Gebäude repräsentierende Ortskoordinate (128) zu erhalten.
Mobiles Endgerät (102) mit Einheiten (117, 124, 126), die ausgebildet sind, um das Verfahren (500) gemäß Anspruch 8 auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder das Verfahren (500) gemäß Anspruch 8 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.