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Implementieren Sie schnell ein Echtzeit-Ortungssystem mit einer Genauigkeit von 10 cm

Freigabe auf : 19.04.2018

Ein integriertes Modul und eine Software von Decawave bieten Entwicklern eine einfachere RTLS-Lösung, die mit minimalem Aufwand genauere Lokalisierungsergebnisse liefern kann.

Dieser Artikel befasst sich mit RTLS-Anwendungen und -Algorithmen, einschließlich Zweiwege-Ranging und TDOA, und erörtert Implementierungsabsprachen, die mit verschiedenen RTLS-Methoden verknüpft sind. Der Artikel stellt dann einen Dekawave-UWB-Transceiver vor, der die spezifischen Anforderungen an das Design betont. Der Artikel schließt mit einer Diskussion der Decawave-Softwarearchitektur und begleitender Firmware-Entwicklung, die spezifische Techniken zur Entwicklung von Benutzeranwendungen auf der Decawave-Plattform veranschaulicht.

Die Rolle von RTLS-Systemen

Präzisions-RTLS haben sich als effektive Methode zur Bestimmung des Standortes oder der Verfolgung von Personen oder mobilen Anlagen in Bürokomplexen, Lagerhäusern, Fertigungsbetrieben und Montagelinien erwiesen. Bei diesem Ansatz tauscht ein mobiles Objekt (Tag) Informationen mit ortsfesten Vorrichtungen (Anchors) unter Verwendung von Standardformaten und UWB-Technologien aus, die in IEEE 802.15.4-2011 für drahtlose Netzwerke (LR-WPANs) mit niedriger Rate spezifiziert sind. Durch die Bestimmung der Entfernung zwischen dem Tag und mehreren Ankern können Anwendungen die relative Position des Tags zu diesen bekannten Ankern bestimmen - und damit die absolute Position des Tags.

RTLS-Methoden

RTLS-Anwendungen verwenden eine Vielzahl von Techniken zur Entfernungsbestimmung. Bei der einfachsten Vorgehensweise kann die Anwendung oder Markierung den Parameter RSSI (Received Signal Strength Indicator) verwenden, der bei den meisten Transceivern verfügbar ist, um die Position des Tags relativ zu den Sendeankern zu beurteilen. Aufgrund der vielen Faktoren, die das Linkbudget beeinflussen können, kann dieser Ansatz bestenfalls eine grobe Positionsschätzung liefern. Im Gegensatz dazu erfordern viele neue RTLS-basierte Anwendungen die Bestimmung der absoluten Position innerhalb weniger Zentimeter.

Hochpräzisions-RTLS verwendet Time-of-Flight-Methoden, die weitgehend immun gegen signifikante Änderungen der HF-Signalstärke sind. Bei diesem Ansatz kann der Ort eines Etiketts bestimmt werden, indem die Zeit gemessen wird, die ein HF-Signal benötigt, um von dem Etikett zu mehreren Ankern zu gelangen. Unter Verwendung der bekannten Laufzeitverzögerung von RF-Signalen durch Luft können RTLS-Anwendungen Flugzeit in Entfernung übersetzen.

Wenn beispielsweise die Laufzeit zwischen einem Tag und jedem der drei Anker genau gleich ist. Diese Situation kann nur vernünftigerweise auftreten, wenn das Tag von diesen Ankern gleich weit entfernt ist. Da die Anwendung die genaue Position jedes Ankers kennt, kann sie die absolute Position des Tags bestimmen.

Um die Laufzeit vom Tag-Sender zu messen, muss der Ankerempfänger jedoch die gleiche Zeitbasis wie das Tag verwenden, um die in die Tag-Nachricht eingebettete Zeitinformation korrekt zu bewerten. Wenn die Zeitbasis eines Ankers der Zeitbasis eines Tags nacheilt oder ihr vorauseilt, ist die berechnete Entfernung jeweils kürzer oder länger als die tatsächliche Entfernung.

Eine RTLS-Methode verwendet einen einfachen Ansatz zur Lösung dieses Problems durch zeitliches Synchronisieren der Tagsender- und Ankerempfänger, wobei sichergestellt wird, dass jeder Anker die Nachricht mit der gleichen Zeitbasis wie das Tag empfängt. Die Implementierung der Zeitsynchronisierung kann bestenfalls eine Herausforderung darstellen und in RTLS-Anwendungen, in denen sich drahtlose Tags bewegen, einfach unpraktisch sein.

Eine andere Methode, TDOA, synchronisiert nur die Anker, wodurch das Problem der Synchronisierung mobiler Tags entfällt. Um den Standort zu bestimmen, verwendet die RTLS-Anwendung die Unterschiede zwischen Ankunftszeiten eines Tag-Signals, das über mehrere Anker gemessen wird. Betrachten Sie zum Beispiel das frühere Beispiel von drei Ankern (A1, A2 und A3), die äquidistant um eine Markierung angeordnet sind. Wenn TDOA für jeden Anker 0, 1 Nanosekunde (ns) bzw. 0 ist, bedeutet dies, dass sich das Tag in einer direkten Linie von Anker A2 für ungefähr 30 Zentimeter (cm) bewegt hat (unter der Annahme von RF Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit). Die Anforderung von TDOA für die Ankersynchronisierung ist ein wesentlich einfacheres Problem als der Versuch, Anker und Tags zu synchronisieren. Gleichwohl hängt die Genauigkeit dieses Ansatzes von einer sehr genauen Synchronisation ab. Sogar ein Unterschied in der Synchronisation von Nanosekunden kann zu einem Unterschied von Zentimetern bei der Ortsmessung führen.

Zwei-Wege-Bereich

Zwei-Wege-RTLS-Verfahren eliminieren vollständig die Notwendigkeit einer präzisen Zeitsynchronisation, führen jedoch eine Anforderung für die Übertragungsfähigkeit in das Etikett ein. Dieser Ansatz vermeidet die Ungewissheit verschiedener Zeitbasen, indem Tag und Anker den Austausch von Zeitinformationen ermöglichen. Anstatt ihre Zeitbasis zu synchronisieren, verwenden das Tag und die Anker ein kurzes bidirektionales Nachrichtenprotokoll, das eine genaue Bestimmung der Flugzeit und Genauigkeit ermöglicht.