WINKEL

Die Fähigkeit der Positionsbestimmung von Objekten zu jedem beliebigen Zeitpunkt (Echtzeit-Lokalisation) ist eine Schlüsseltechnologie des Internet of Things (IoT) und der digitalen Transformation. Außerhalb von Gebäuden sind satellitengestützte Navigationssysteme, wie etwa GPS, etabliert. Innerhalb von Gebäuden können derartige Systeme jedoch nicht eingesetzt werden, so dass alternative Ansätze herangezogen werden müssen.

Ziel von WINKEL ist die Entwicklung eines neuartigen infrastrukturarmen Lokalisierungssystems auf Grundlage der Ultra-Wideband (UWB)­-Funktechnik, welches mit geringem Aufwand in bestehende Umgebungen integriert werden kann und die Ortung einer großen Anzahl mobiler Objekte in Echtzeit ermöglicht. Kern der Innovation ist die Kombination hochgenauer Ankunftswinkel- sowie extrem schneller und ebenfalls hochgenauer Abstandsmessungen auf Basis von UWB-Signalen, um die unbekannte Position mobiler Objekte zu ermitteln.

Die Entfernung zwischen UWB-Transceivern kann durch Messung der Signallaufzeit bestimmt werden. Durch die präzise Erfassung des Signaleinganges an den Antennen mehrerer UWB-Transceiver lässt sich zudem eine Schätzung des Signalankunftswinkels (Angle of Arrival, AoA) durchführen. Im Rahmen des Projekts werden daher spezielle, neuartige Funkknoten, so genannte AoA-Anker, entwickelt, welche neben Distanz- auch relative Winkelinformationen bzgl. anderer Kommunikationspartner bereitstellen können.

AoA-Anker kennen ihre eigene Position im Raum und dienen daher als Referenz- bzw. Infrastruktureinheiten. Sie können einerseits ortsfest, alternativ aber auch auf mobilen Plattformen, wie z.B. fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) oder Gabelstaplern, installiert werden. Als mobile Infrastrukturknoten können AoA-Anker somit die Abdeckung einer Umgebung mit Referenzdaten erhöhen und zudem die benötigte Menge von ortsfest vorzusehenden Ankern reduzieren.

Zur Lokalisation von mobilen Objekten werden diese mit einem UWB-Transceiver (Tag) oder mobilem AoA-Anker ausgestattet. Die Ortung eines Objektes ist dann bereits durch Kenntnis des relativen Winkels und der Distanz zu einem einzelnen AoA-Anker möglich. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen ist hierdurch die Anzahl der benötigten Infrastrukturknoten gering. Durch Verkürzung der benötigten Zeitdauer pro Distanzmessung kann zudem eine große Anzahl von Objekten mit hoher Genauigkeit in Echtzeit lokalisiert werden.

Weiterhin ist im Rahmen der autonomen Navigation von Fahrzeugen, neben der Kenntnis der eigenen Position, insbesondere die Orientierungsinformation von immenser Bedeutung. Diese kann ein einzelner AoA-Anker pro Fahrzeug unmittelbar zur Verfügung stellen. Schließlich ist auch die relative Ortung anderer Fahrzeuge oder Personen zum Zwecke des Kollisionsschutzes mit einem einzelnen, auf dem Fahrzeug installierten, AoA-Anker realisierbar.

Neben der Erfassung von Messdaten können alle Funkknoten untereinander kommunizieren und somit wechselseitig Nutzdaten austauschen. Sobald die Position eines mobilen Objekts geschätzt wurde, kann diese anderen Teilnehmenden zur Verfügung gestellt werden und somit als zusätzliche Referenzinformation dienen. Dieses als „kooperative Lokalisation“ bezeichnete Verfahren kann die Abdeckung und Genauigkeit des Gesamtsystems zusätzlich erhöhen und kommt daher im Projekt zur Anwendung.