Beschreibungdescription
Verfahren und .Anordnung sowie Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung ei- ner Karte zur Beschreibung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten KommunikationssignalsMethod and arrangement as well as computer program with program code means and computer program product for determining a card for describing a propagation behavior of a communication signal emitted by a base station in a communication network
Die Erfindung betrifft eine Modellierung und Kartographierung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Ko munikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals.The invention relates to a modeling and mapping of a propagation behavior of a communication signal emitted by a base station in a communication network.
Funk-KommunikationsSysteme, basieren auf z. B. ireless LAN, Bluetooth, GSM oder DECT, werden in den verschiedensten Be- reichen eingesetzt. In industriellen Produktionsanlagen und Büroumgebungen, aber auch im Gesundheitswesen sind sie om- nipräsent.Radio communication systems are based on e.g. B. ireless LAN, Bluetooth, GSM or DECT are used in a wide variety of areas. They are omnipresent in industrial production plants and office environments, but also in healthcare.
Ausbreitungseigenschaften eines elektromagnetischen Feldes, welches von der Kommunikationssignale ausstrahlenden Kommunikationsanlage erzeugt wird, bestimmen wesentlich eine Leistungsfähigkeit der Kommunikationsanlage hinsichtlich Flächendeckung, Verfügbarkeit und Übertragungsrate .Propagation properties of an electromagnetic field, which is generated by the communication system emitting communication signals, essentially determine the performance of the communication system with regard to area coverage, availability and transmission rate.
Funknetzbetreiber sind zum einen daran interessiert, die Verteilung der Feldausbreitungseigenschaften bzw. Signalcharak- teristika, wie z. B. elektromechanische Feldstärke, Bit- Fehlerrate, Signal-Rausch-Abstand, etc. zu ermitteln, um das Funknetz optimal planen zu können, nach Installation des Net- zes beauftragte Systemeigenschaften im Rahmen der Qualitätssicherung nachweisen zu können oder während des Betriebes der Anlage Fehlerzustände diagnostizieren zu können.
Zum andern sind die Netzdienstleister interessiert, ihren Kunden ortsabhängige Dienste anbieten zu können.On the one hand, radio network operators are interested in the distribution of the field propagation properties or signal characteristics, such as. For example, to determine electromechanical field strength, bit error rate, signal-to-noise ratio, etc. in order to be able to plan the radio network optimally, to be able to demonstrate commissioned system properties within the framework of quality assurance after installation of the network, or error states during operation of the system to be able to diagnose. On the other hand, the network service providers are interested in being able to offer their customers location-dependent services.
Hierfür muss die Position des Empfangsgeräts bekannt sein. Da für die Positionsschätzungen nur Daten, die während des normalen Netzbetriebes entsehen, verwendet werden sollen, bietet es sich an, auch hier die Signalcharakteristik zu betrachten.The position of the receiving device must be known for this. Since only data that is generated during normal network operation should be used for the position estimates, it is advisable to consider the signal characteristics here as well.
Aus dem Stand der Technik bekannt sind Ansätze und Vorgehens- weisen, die sich mit der Ortung von Endgeräten, wie DECT-Approaches and procedures are known from the prior art which are concerned with the location of end devices, such as DECT
Mobilteilen oder mit Wireless LAN ausgestatteten PDAs und Notebooks, in Funknetzen befassen.Handsets or wireless LAN-equipped PDAs and notebooks, in radio networks.
Bei einigen Ansätzen, wie bei dem aus [1] bekannten, basiert die Lokalisierung allein auf der Netzwerktopologie. Dabei wird die Position des Endgeräts anhand der Basisstation, mit der es verbunden ist, und seiner Verbindungsgeschichte bestimmt.In some approaches, such as that known from [1], the localization is based solely on the network topology. The position of the end device is determined on the basis of the base station to which it is connected and its connection history.
Die Genauigkeit eines solchen Verfahrens ist allerdings gering, da als möglicher Aufenthaltsort nur ein sehr großes Gebiet um die Basisstation, mit der das Endgerät verbunden ist, angegeben werden kann.However, the accuracy of such a method is low, since only a very large area around the base station to which the terminal is connected can be specified as a possible location.
Weitere bekannte Verfahren versuchen die Position auf Grund der empfangenen Feldstärken sämtlicher verfügbarer Sender zu schätzen. Teilweise wird dabei ein detailliertes physikalisches Modell für die Wellenausbreitung verwendet. Dafür sind allerdings detaillierte Informationen über die Umgebung von- nöten.Other known methods try to estimate the position based on the received field strengths of all available transmitters. In some cases, a detailed physical model for wave propagation is used. However, detailed information about the surroundings is required for this.
Aus [2] ist bekannt, das Wissen über die elektromagnetischen Eigenschaften der verschiedenen Wände im Gebäude zu verwenden. Solches Wissen ist im allgemeinen aber nicht verfügbar. Deshalb wird meistens zunächst eine Feldstärkekarte erstellt, die dann später zu Lokalisierung verwendet wird.
Häufig wird auf Basis der Feldstärkekarte eine Punktschätzung der Empfängerposition vorgenommen [3], [4].From [2] it is known to use knowledge of the electromagnetic properties of the various walls in the building. Such knowledge is generally not available. For this reason, a field strength map is usually first created, which is later used for localization. A point estimate of the receiver position is often made on the basis of the field strength map [3], [4].
In [5] wird ein rekursives stochastisches nichtlineares Filterverfahren zur Positionsschätzung von DECT-Mobiltelefonen beschrieben.[5] describes a recursive stochastic nonlinear filter method for position estimation of DECT mobile phones.
Bei den meisten dieser aus dem Stand, der Technik bekannten Vorgehensweisen wird die Karte von Hand vermessen, ein Aufwand, der im praktischen Einsatz schwer vertretbar ist.In most of these procedures known from the prior art, the card is measured by hand, an effort that is difficult to justify in practical use.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache, weniger aufwendige und automatisierbare Vorgehensweise zur Generierung einer solchen Karte anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying a simple, less complex and automatable procedure for generating such a card.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Anordnung sowie durch das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und das Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung einer Karte zur Beschreibung eines Ausbreitungsverhaltens eines von einer Basisstation in einem Kommunikationsnetz ausgesendeten Kommunikationssignals mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.This object is achieved by the method and the arrangement as well as by the computer program with program code means and the computer program product for determining a card for describing a propagation behavior of a communication signal emitted by a base station in a communication network with the features according to the respective independent claim.
Bei dem Verfahren zur Ermittlung der Karte wird an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz jeweils eine zu der jeweiligen ausgewählten Position zugehörige physikalische Eigenschaft des KommunikationsSignals gemessen. Dabei charakterisiert die physikalische Eigenschaft das Aus- breitungsverhalten des KommunikationsSignals .In the method for determining the card, a physical property of the communication signal associated with the respective selected position is measured at selected positions in the communication network. The physical property characterizes the propagation behavior of the communication signal.
Unter Verwendung der ausgewählten Positionen bzw. unter Verwendung entsprechender Ortsinformation der ausgewählten Positionen und der zugehörigen gemessenen physikalischen Eigen-
Schäften des Kommunikationssignals wird ein Modell für das Ausbreitungsverhalten ermittelt.Using the selected positions or using corresponding location information of the selected positions and the associated measured physical properties A model for the propagation behavior is determined for the shafts of the communication signal.
Unter Verwendung des Modells für das Ausbreitungsverhalten wird die Karte ermittelt werden, wobei das Modell selbst schon als Karte bezeichnet werden kann bzw. das Modell selbst schon die Karte sein kann.Using the model for the propagation behavior, the map will be determined, whereby the model itself can already be called a map or the model itself can already be the map.
Erfindungsgemäß werden die Messungen an den ausgewählten Po- sitionen unter Verwendung einer autonomen mobilen Einheit, wie einem autonomen Roboter, durchgeführt. Die autonome mobile Einheit ist dabei eingerichtet,, beispielweise durch eine entsprechende Messeinrichtung, zu einem Empfang des Kommunikationssignals und zur Messung der physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals.According to the invention, the measurements at the selected positions are carried out using an autonomous mobile unit, such as an autonomous robot. The autonomous mobile unit is set up, for example by means of a corresponding measuring device, for receiving the communication signal and for measuring the physical property of the communication signal.
Die Anordnung zur Ermittlung der Karte weist eine autonome mobile Einheit auf, welche eingerichtet ist, beispielweise durch eine entsprechende Messeinrichtung, zu einem Empfang des Kommunikationssignals und zur Messung einer physikalischen Eigenschaft des KommunikationsSignals .The arrangement for determining the card has an autonomous mobile unit, which is set up, for example by a corresponding measuring device, for receiving the communication signal and for measuring a physical property of the communication signal.
Dabei charakterisiert die physikalische Eigenschaft das Ausbreitungsverhalten des Kommunikationssignals.The physical property characterizes the propagation behavior of the communication signal.
Die autonome mobile Einheit führt Messungen durch an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz. Gemessen wird an ausgewählten Positionen in dem Kommunikationsnetz jeweils die zu der jeweiligen ausgewählten Position zugehörige physi- kaiische Eigenschaft des Kommunikationssignals .The autonomous mobile unit performs measurements at selected positions in the communication network. The physical property of the communication signal associated with the respectively selected position is measured at selected positions in the communication network.
Ferner weist die Anordnung eine Auswerteeinheit auf, welche unter Verwendung der ausgewählten Positionen bzw. unter Ver-
endung entsprechender Ortsinformation der ausgewählten Positionen und der zugehörigen gemessenen physikalischen Eigenschaften des Kommunikationssignals ein ModeXl für das Ausbreitungsverhalten ermittelt. Weiter ermittelt die Auswerte- einheit unter Verwendung des Modells für das Ausbreitungsverhalten die Karte .Furthermore, the arrangement has an evaluation unit which can be used using the selected positions or using a ModeXl for the propagation behavior is determined by ending the corresponding location information of the selected positions and the associated measured physical properties of the communication signal. The evaluation unit also determines the map using the model for the propagation behavior.
Anzumerken sei auch hier, dass das Modell selbst schon als Karte bezeichnet werden kann bzw. das Modell selbst schon die Karte sein kann.It should also be noted here that the model itself can already be called a card or that the model itself can be the card.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die autonome mobile Einheit die Messungen autonom und automatisierbar durchführen kann und dadurch die Karte automatisch erstellbar ist.An advantage of the invention is that the autonomous mobile unit can carry out the measurements autonomously and in an automated manner and the card can thereby be generated automatically.
Dies wiederum ermöglich, dass die Karte auch während des laufenden Betriebs des Kommunikationsnetzes ständig aktualisiert werden kann, so dass sie sich Änderungen in der Netzstruktur (z.B. Ausfälle einzelner Sendestationen) anpasst.This in turn enables the card to be updated continuously even while the communication network is in operation, so that it adapts to changes in the network structure (e.g. failures of individual transmitter stations).
Das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Karte durchzuführen, wenn, das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.The computer program with program code means is set up to carry out all the steps according to the inventive method for determining the card when the program is executed on a computer.
Das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Karte durchzuführen, wenn das Programm auf ei- nem Computer ausgeführt wird.The computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier is set up to carry out all the steps according to the inventive method for determining the card when the program is executed on a computer.
Die Anordnung sowie das Computerprogramm mit Programmcode- Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderi-
sehen Lokalisierungsverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sowie das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderischen Lokalisierungsverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sind insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner nachfolgend erläuterten Weiterbildungen.The arrangement and the computer program with program code means, set up to carry out all the steps according to the inventive see performing localization processes when the program is executed on a computer, and the computer program product with program code means stored on a machine-readable medium, set up to carry out all steps according to the inventive localization process when the program is executed on a computer are particularly suitable to carry out the method according to the invention or one of its further developments explained below.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen .Preferred developments of the invention result from the dependent claims.
Die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das Verfahren als auch auf die Anordnung sowei die Software-technischen Realisierungen.The further developments described below relate both to the method and to the arrangement and the software-technical implementations.
Die Erfindung und die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, bei- spielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.The invention and the further developments described below can be implemented both in software and in hardware, for example using a special electrical circuit.
Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im weiteren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computer- lesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildungen ausführt.Furthermore, an implementation of the invention or a further development described below is possible by means of a computer-readable storage medium, on which the computer program with program code means, which carries out the invention or further developments, is stored.
Auch kann die Erfindung oder jede im weiteren beschriebene Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildungen ausführt.
Bei einer Kommunikation in einem Kommunikationsnetz, wie einem Funknetzwerk, zwischen einer mobilen Kommunikationseinrichtung (Mobilstation) , beispielsweise einem Mobiltelefon, und einer Basisstation, beispielsweise einer Rundantenne bzw. einem Rundstrahler oder einer bzw. mehrerer sektoraler Antennen, werden Daten, die Kommunikationssignale, in Signalpake- ten, sogenannten bursts, übertragen.The invention or any further development described below can also be implemented by a computer program product which has a storage medium on which the computer program with program code means which carries out the invention or further developments is stored. In the case of communication in a communication network, such as a radio network, between a mobile communication device (mobile station), for example a mobile telephone, and a base station, for example an omnidirectional antenna or an omnidirectional antenna or one or more sectoral antennas, data, the communication signals, are converted into signal packets - ten, so-called bursts.
Basierend auf (messbaren) physikalischen Eigenschaften der übertragenen bzw. abgestrahlten KommunikationsSignalen bzw. Signalpaketen lassen sich verschiedene entfernungs-trelevante Parameter ermitteln, welche wiederum als Grundlage für die Ermittlung von Abstrahl- bzw. Signalcharakteristika. von (Sig- nal-) Sendern herangezogen werden können.Based on (measurable) physical properties of the transmitted or radiated communication signals or signal packets, various distance-relevant parameters can be determined, which in turn serve as the basis for the determination of radiation or signal characteristics. can be used by (signal) transmitters.
Ein solcher entfernungsrelevanter, d.h. entfernungsabhängiger, Parameter ist beispielsweise eine Feldstärke eines Kommunikationssignals bzw. Signalpakets, eine Bit-Fehler-Rate oder ein Signal-Rausch-Abstand.Such a distance-relevant, i.e. The distance-dependent parameter is, for example, a field strength of a communication signal or signal packet, a bit error rate or a signal-to-noise ratio.
Die Feldstärke eines ausgestrahlten Kommunikationssignals weist eine natürliche Abhängigkeit zur Entfernung von einem Sender, der (gesprächsführenden) Basisstation, auf und lie- fert demzufolge eine Information über das Ausbreitungsverhalten (Ausbreitungscharakteristik) des Senders.The field strength of a broadcast communication signal has a natural dependence on the distance from a transmitter, the (conversational) base station, and therefore provides information about the propagation behavior (propagation characteristic) of the transmitter.
Diese Abhängigkeit zwischen der Feldstärke, im allgemeinen der physikalischen Eigenschaft, und der Entfernung vom Sender bzw. dem (Empfangs-) Ort oder der (Empfangs-) Position in dem Kommunikationsnetz kann durch physikalische Modelle, welche ein Ausbreitungsverhalten von Signalen beschreiben,- beschrieben werden.
Bei einem sogenannten Vorwärts-Modell wird die physikalische Eigenschaft des Kommunikationssignals in Abhängigkeit von einer Position in dem Kommunikationsnetz bzw. einer Entfernung beschrieben.This dependency between the field strength, generally the physical property, and the distance from the transmitter or the (receiving) location or the (receiving) position in the communication network can be described by physical models which describe a propagation behavior of signals , In a so-called forward model, the physical property of the communication signal is described as a function of a position in the communication network or a distance.
Ein Rückwärts- bzw. inverses Modell beschreibt die Position in dem Kommunikationsnetz in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaft des Kommunikationssignals.A backward or inverse model describes the position in the communication network as a function of the physical property of the communication signal.
Ein geeignetes Modell vom Typ Vorwärts-Modell, ähnlich dem aus [5], weist beispielweise einen deterministischen Anteil (Teilmodell) und einen stochastischen Anteil (Teilmodell) auf.A suitable model of the forward model type, similar to that from [5], has, for example, a deterministic part (partial model) and a stochastic part (partial model).
Der deterministische Anteil beschreibt die Abhängigkeit zwischen der physikalischen Eigenschaft des KommunikationsSignals und einer Position in dem Kommunikationsnetz; der sto- chastische Anteil beschreibt eine Unsicherheit des deter i- nistischen Anteils.The deterministic part describes the dependency between the physical property of the communication signal and a position in the communication network; the stochastic part describes an uncertainty of the deterministic part.
Die Unsicherheit des deterministischen Anteils kann dabei eine Unsicherheit des Kommunikationssignals, insbesondere ein Messrauschen, und/oder eine Unsicherheit der Abhängigkeit, insbesondere eine Unsicherheit des Ausbreitungsmodells, sein.The uncertainty of the deterministic component can be an uncertainty of the communication signal, in particular a measurement noise, and / or an uncertainty of the dependency, in particular an uncertainty of the propagation model.
Größere Kommunikationsnetze weisen in der Regel mehrer oder eine Vielzahl von Basisstationen, deren jede ein Kommunikationssignal abstrahlt, auf.Larger communication networks generally have a plurality or a multiplicity of base stations, each of which emits a communication signal.
Hier ist es zweckmäßig, mehrere Karten bzw. Modelle zu ermitteln, wobei jeweils eine Karte bzw. Modell das Ausbreitungs-
verhalten eines von einer Basisstation in dem Kommunika"tions- netz ausgesendeten Ko munikationssignals beschreibt.Here it is advisable to determine several maps or models, one map or model each showing the spread behavior describes a communication signal emitted by a base station in the communication network.
Die mehreren Karten bzw. Modelle lassen sich zu einer Gesamt- karte zusammenfassen.The multiple cards or models can be combined into one overall card.
Ferner kann es zweckmäßig sein, die ausgewählten Positionen bzw. deren Ortsinformation durch die autonome mobile Einheit bestimmen zu lassen. Dazu kann die autonome mobile Einheit mit einem Positionsmesssystem zur Ermittlung der Position der autonomen mobile Einheit in dem Kommunikationsnetz und/oder einem BahnplanungsSystem zur Ermittlung einer Bewegungsbahn in dem Kommunikationsnetz ausgerüstet sein.Furthermore, it may be expedient to have the selected positions or their location information determined by the autonomous mobile unit. For this purpose, the autonomous mobile unit can be equipped with a position measuring system for determining the position of the autonomous mobile unit in the communication network and / or a path planning system for determining a trajectory in the communication network.
Bekannt sind beispielsweise Odometer und/oder bildverarbei- tende Positionsmesssysteme wie auch Systeme für eine Koppelnavigation.For example, odometers and / or image-processing position measuring systems as well as systems for dead reckoning are known.
Die durch die erfinderische Vorgehensweise erstellte Karte oder das Modell kann Grundlage für zahlreiche Anwendungen bei Kornmunikationsnetzen sein.The map or model created by the inventive procedure can be the basis for numerous applications in communication networks.
So kann die Karte bzw. das Modell und/oder die Gesamtkarte bzw. das Gesamtmodell eingesetzt werden/wird zu einer Planung und/oder einer Installation und/oder Inbetriebnahme und/oder Diagnose von Fehlerzuständen und/oder Qualitätssicherung des Kommunikationsnetzes .For example, the card or the model and / or the overall map or the overall model can be used for planning and / or installation and / or commissioning and / or diagnosis of error states and / or quality assurance of the communication network.
Auch kann das Modell für das Ausbreitungsverhalten und/oder die Karte und/oder die Modelle für die Ausbreitungsverhalten und/oder die Gesamtkarte eingesetzt werden/wird zu einer Lokalisierung mindestens einer mobilen Kommunikationseinrichtung in dem Kommunikationsnetz, welche mindestens eine mobile
Kommunikationseinrichtung eingerichtet ist zu einem Empfang des Kommunikationssignals und/oder zum Empfang der Kommunikationssignale.The model for the propagation behavior and / or the map and / or the models for the propagation behavior and / or the overall map can also be used / becomes a localization of at least one mobile communication device in the communication network which has at least one mobile Communication device is set up to receive the communication signal and / or to receive the communication signals.
Hierbei wird an einer zu bestimmenden Position in dem Kommα- nikationsnetz eine Messung der an dieser Position empfangbaren KommunikationsSignalen bzw. deren physikalischen Eigenschaften durchgeführt. Unter Verwendung der Karte bzw. des Modells kann dann und der gemessenen physikalischen Größen kann dann die zu bestimmende Position ermittelt werden.In this case, the communication signals that can be received at this position or their physical properties are measured at a position to be determined in the communication network. The position to be determined can then be determined using the map or the model and the measured physical quantities.
Weiter kann vorgesehen werden, die Erstellung der Karte bz*w. des Modells von einer Lokalisierung unabhängig zu machen. Dabei kann dann fortlaufend mittels des autonomen mobilen Sys- tems und der erfinderischen Vorgehensweise die Karte aktualisiert werden, während unter Verwendung bereits erstellter Karten mobile Kommunikationseinrichtung in dem Kommunikati— onsnetz lokalisiert werden können.It can also be provided that the map or * w. to make the model independent of localization. The map can then be continuously updated using the autonomous mobile system and the inventive procedure, while using already created maps, mobile communication devices can be located in the communication network.
Die Erfindung bzw. die erfinderische Erstellung der Karte eignet sich insbesondere zu einem Einsatz im Umfeld eines digitalen, zellularen Mobilfunksystems, wie eines GSM-Netzes , und dort beispielsweise zur Lokalisierung eines GSM—Telefons (Mobiltelefon) .The invention or the inventive creation of the card is particularly suitable for use in the environment of a digital, cellular mobile radio system, such as a GSM network, and there, for example, for the localization of a GSM telephone (mobile phone).
Dabei werden bei dem Einsatz der Erfindung nur die dem Mobiltelefon zur Verfügung stehenden Daten verwendet, wobei weder am GSM-Netz noch an Mobilstationen in dem GSM-Netz kostspielige Änderungen vorzunehmen sind.When using the invention, only the data available to the mobile phone are used, and there are no costly changes to be made either to the GSM network or to mobile stations in the GSM network.
Auch eignet sich die Erfindung zu einem Einsatz im Umfeld weiterer digitaler, zellularen Mobilfunksysteme, wie eines WLAN, eines Netzes auf Basis von Bluetooth oder eines DECT—
Netzes, und dort beispielsweise zur Lokalisierung eines DECT— Mobiltelefons .The invention is also suitable for use in the environment of further digital, cellular mobile radio systems, such as a WLAN, a network based on Bluetooth or a DECT. Network, and there for example for the localization of a DECT mobile phone.
In Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darge- stellt, welches im* weiteren näher erläutert wird.In figures, an embodiment of the invention provides ones shown, which will be explained in * greater detail below.
Es zeigenShow it
Figur 1 Vorgehensweise bei der Erstellung einer Feldstärken- karte mit anschließender Lokalisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel;Figure 1 procedure for creating a field strength map with subsequent localization according to an embodiment;
Figur 2 Vorgehensweise bei der Erstellung einer Feldstärkenkarte mit gleichzeitiger Lokalisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel;Figure 2 procedure for creating a field strength map with simultaneous localization according to an embodiment;
Figur 3 Skizze, die eine schematische Gegenüberstellung von Modellfehler und Messrauschen zeigt;FIG. 3 sketch which shows a schematic comparison of model errors and measurement noise;
Figur 4 Omnidirektionaler Roboter gemäß einem Ausführungsbei- spiel;FIG. 4 omnidirectional robot according to an exemplary embodiment;
Figur 5 Positionserkennung durch Bildverarbeitung;Figure 5 position detection by image processing;
Figur 6 Skizze, die einen Vergleicheiner Positionsschätzung basierend auf einer Koppelnavigation und Kameranavigation verdeutlicht;Figure 6 is a sketch illustrating a comparison of a position estimate based on dead reckoning and camera navigation;
Figur 7 erste (Teil-) Karte für eine erste Basisstation in dem Funknetz gemäß einem Ausführungsbeispiel;FIG. 7 first (sub) card for a first base station in the radio network according to an exemplary embodiment;
Figur 8 zweite (Teil-) Karte für eine zweite Basisstation in dem Funknetz gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiel: Automatische Kartographierung der Signalcharakeristik in einem FunknetzwerkFigure 8 second (sub) card for a second base station in the radio network according to an embodiment. Exemplary embodiment: automatic mapping of the signal characteristics in a radio network
Im Ausführungsbeispiel wird wie folgt dargestellt:In the exemplary embodiment it is represented as follows:
Zunächst werden Grundlagen einer Kartographierung von Funknetzen beschrieben. Anschließend wird eine Karte zur Beschreibung der Ausbrei- tungscharakteristika von Basisstationen in einem Funknetz sowie deren Erstellung beschrieben. Dabei wird beschrieben, wie sich die Karte aus einem deterministischen und einem sto- chastischen Teil zusammensetzt. Weiter wird eine auf dieser Karte basierende Lokalisierung beschrieben.First, the basics of mapping radio networks are described. A map for describing the propagation characteristics of base stations in a radio network and their creation is then described. It describes how the map is composed of a deterministic and a stochastic part. A location based on this map is also described.
Daran schließt sich eine Beschreibung einer experimentellen Verifikation der vorgestellten Vorgehensweise. Hier wird so- wohl ein Robotersystem zur automatischen Vermessung der Feldstärken beschrieben als auch die Qualität der Karten betrachtet.This is followed by a description of an experimental verification of the procedure presented. Here a robot system for the automatic measurement of the field strengths is described as well as the quality of the cards.
1. Kartographierung1. Mapping
Während des normalen Betriebs messen Funknetzempfänger, wie z. B. DECT Mobilteile, ständig die Feldstärken aller zur Verfügung stehenden Sendestationen.During normal operation, radio network receivers, such as B. DECT handsets, the field strengths of all available transmitters.
Wenn die genauen Positionen der Sendestationen bekannt sind und ein geeignetes physikalisches Modell zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen existiert, können diese Daten verwendet werden, um die Position des Benutzers zu schätzen.If the exact positions of the transmitting stations are known and a suitable physical model for the propagation of electromagnetic waves exists, this data can be used to estimate the position of the user.
In praktischen Szenarien sind die Positionen der Sendestationen zumeist nicht oder nur ungenau bekannt und von Änderungen betroffen.
Ein exaktes physikalisches Modell für die Wellenausbreitung lässt sich besonders für Innenbereiche nur schwer oder überhaupt nicht erstellen, da es in komplexer Weise von den Gebäudeeigenschaften abhängt [6] .In practical scenarios, the positions of the transmitting stations are mostly not known or are only vaguely known and are affected by changes. An exact physical model for wave propagation is difficult or impossible to create, especially for indoor areas, since it depends in a complex way on the properties of the building [6].
Deshalb wird wie folgt beschrieben zunächst eine Karte der Feldstärken der einzelnen Sender erstellt. Anschließend werden die Endgeräte mittels dieser Karte lokalisiert.Therefore, a map of the field strengths of the individual transmitters is first created as follows. The terminals are then located using this card.
Die Feldstärkekarte lässt sich durch das MessmodellThe field strength map can be determined by the measurement model
yk = = h(xk) + vk (1)
yk = = h (x k ) + v k (1)
beschreiben, das die logarithmischen gemessenen Signalstärken aller Senderdescribe the logarithmic measured signal strengths of all transmitters
?k,ς = 10 • logio (2) 1mW? k, ς = 10 • logio (2) 1mW
mit ζ = 1...N als deterministische nicht-lineare Funktion hς(xk) in Abhängigkeit von den Positionskoordinaten k = Lxl kx2 k.1 des Empfängers darstellt. k beschreibt den additiven Fehler der logarithmischen Mes- sung. Dies entspricht der multiplikativen Unsicherheit, die aus der unbekannten Dämpfung resultiert .with ζ = 1 ... N as a deterministic non-linear function hς (x k ) depending on the position coordinates k = L x lk x 2 k .1 of the receiver. k describes the additive error of the logarithmic measurement. This corresponds to the multiplicative uncertainty that results from the unknown damping.
In den betrachteten Funknetzwerken können die Sender durch eine eindeutige, bei der Kommunikation übertragene, ID iden- tifiziert werden. So lässt sich jede Messung genau einer der Messgleichungen zuordnen, was das Schätzproblem deutlich vereinfacht.
Auch in der Lokalisierungsphase soll nicht in den normalen Netzbetrieb eingegriffen werden. Zusätzliche Sensoren am Benutzer oder dem Empfangsgerät sind nicht erwünscht. Deshalb muss die Lokalisierung allein basierend auf den Feldstärke- messungen des Empfängers erfolgen.In the radio networks under consideration, the transmitters can be identified by a unique ID that is transmitted during communication. In this way, each measurement can be assigned to exactly one of the measurement equations, which significantly simplifies the estimation problem. Even in the localization phase, normal network operation should not be interfered with. Additional sensors on the user or the receiving device are not desired. Therefore, the localization has to be based solely on the field strength measurements of the receiver.
2. Kartographierung und Lokalisierung2. Mapping and localization
Wie Fig.l zeigt, wird zunächst in der Kartographierungsphase 100 vom Roboter 110 auf Basis von Messungen 111 und einer geschätzten Referenzlage 112 eine Feldstärkekarte 120 erstellt 115. Diese Karte 120 besteht aus Teilkarten 121, die die Sendecharakteristik jeweils einer Basisstation beschreiben.As shown in FIG. 1, a field strength map 120 is first created 115 in the mapping phase 100 by the robot 110 on the basis of measurements 111 and an estimated reference position 112. This map 120 consists of partial maps 121 which describe the transmission characteristics of a base station in each case.
In der späteren Lokalisierungsphase 150 können mehrere (menschliche) Benutzer 160, die ein Empfangsgerät, z. B. ein DECT Mobiltelefon oder einen mit Wireiess LAN oder Bluetooth ausgestatteten PDA, mit sich führen, anhand der Karte 120 lokalisiert werden 165.In the later localization phase 150, several (human) users 160, who use a receiving device, e.g. B. carry a DECT cell phone or a PDA equipped with Wireiess LAN or Bluetooth, can be localized 165 using the map 120.
Fig. 2 zeigt eine gleichzeitige Ausführung der beiden Phasen, der Kartographierungsphase 100 und der Lökalisierungsphase 150.2 shows a simultaneous execution of the two phases, the mapping phase 100 and the localization phase 150.
Hierbei aktualisiert der Roboter 110 die Karte 120, während die Benutzer 160 schon lokalisiert 165, 170 werden.The robot 110 updates the map 120 while the users 160 are already localized 165, 170.
Somit ist eine stets aktuelle Karte 120 gewährleistet, in die Änderungen des Netzwerks, wie z. B. Ausfall oder Austausch einzelner Sender, sofort einfließen.This ensures that the card 120 is always up-to-date, in which changes to the network, such. B. Failure or replacement of individual transmitters, flow immediately.
Kartographierungsphase (100)Mapping phase (100)
Deterministisches Messmodell
Bei dem bei der Erstellung der Karte zugrunde gelegten deterministischen Messmodell wird angenommen, dass die logarithmische empfangene Feldstärke eines Senders linear mit der Entfernung abnimmt.Deterministic measurement model In the deterministic measurement model on which the map is created, it is assumed that the logarithmic received field strength of a transmitter decreases linearly with distance.
Bei zweidimensionalen Positionskoordinaten xk lässt sich der lineare Abfall der logarithmischen Feldstärke der Basisstation ζ durch die MessgleichungWith two-dimensional position coordinates x k , the linear drop in the logarithmic field strength of the base station ζ can be determined by the measurement equation
hς(xk) = -^(xk - mς)τ + Δς (3) beschreiben.hς (x k ) = - ^ (x k - m ς ) τ + Δ ς (3).
In den so erhaltenen N Gleichungen (für jede Basisstation eine) , sind die insgesamt 6N Parameter aus mς, ςU d Δς zu schätzen.In the N equations thus obtained (one for each base station), the total of 6N parameters from m ς , ς U d Δ ς are to be estimated.
Stochastisches TeilmodellStochastic sub-model
Das stochastische Teilmodell der Unsicherheiten muss sowohl das Messrauschen als auch die Abweichung zwischen der tatsächlichen Sendercharakteristik und dem Messmodell in Betracht ziehen.The stochastic sub-model of the uncertainties must take into account both the measurement noise and the deviation between the actual transmitter characteristics and the measurement model.
Modellunsicherheitenmodel uncertainties
Die Modellunsicherheiten stellen den Unterschied zwischen dem exakten Modell der logarithmischen empfangenen Feldstärke und dem deterministischen Messmodell hς (xk) dar.The model uncertainties represent the difference between the exact model of the logarithmic received field strength and the deterministic measurement model h ς (x k ).
Fig.3 zeigt diesen Unterschied.Figure 3 shows this difference.
Dieser Fehler rührt zum einen von dem Modell. Zum anderen repräsentiert er aber auch lokale Abweichungen, die aus den spezifischen Gebäudeeigenschaften resultieren. Hierunter sind z. B. verschiedene Dämpfungs- oder Reflektionseigenschaften der verschiedenen Materialen zu verstehen. Die Modellunsi-
cherheiten werden hier mit dem Mittelwert μ^ und der Stan- dardabweichung
beschrieben.On the one hand, this error stems from the model. On the other hand, it also represents local deviations that result from the specific properties of the building. These include z. B. to understand different damping or reflection properties of the different materials. The model uni- Securities are shown here with the mean μ ^ and the standard deviation described.
Messrauschenmeasurement noise
Das Messrauschen stellt die zeitliche Variation der Messungen an einem Punkt dar. In Fig.3 ist beispielhaft zu erkennen, wie die Messwerte von der tatsächlichen Sendercharakteristik abweichen.The measurement noise represents the temporal variation of the measurements at a point. In FIG. 3 it can be seen, by way of example, how the measurement values deviate from the actual transmitter characteristic.
(2)(2)
Auch das Messrauschen lässt sich durch Mittelwert μ^ς' und (2)The measurement noise can also be determined by mean μ ^ ς 'and (2)
Standardabweichung σ beschreiben.Describe standard deviation σ.
Kombination der Unsicherheiten.Combination of uncertainties.
Die Unsicherheit des Gesamtmodells ist die Kombination von Modellunsicherheit und Messrauschen. Um ein einfaches Modell zu erhalten wird hier angenommen, dass die Unsicherheiten unabhängig und unkorreliert sind.The uncertainty of the overall model is the combination of model uncertainty and measurement noise. In order to obtain a simple model, it is assumed here that the uncertainties are independent and uncorrelated.
In diesem Fall lässt sich die Gesamtunsicherheit jedes Senders ς = 1,...,N durch eine Verteilung mit dem Mittelwert
und der StandardabweichungIn this case, the total uncertainty of each transmitter ς = 1, ..., N can be determined by a distribution with the mean and the standard deviation
σv,ς > <iv1,>ςf , + ( σ2,>ςλ2 (5)σv, ς><iv 1 ,> ςf, + ( σ2 ,> ς λ2 (5)
beschreiben,describe,
Lokalisierungsphase (150)
In der Lokalisierungsphase 150 sollen mehrere Endgeräte gleichzeitig lokalisiert werden können.Localization phase (150) In the localization phase 150, several terminals should be able to be localized at the same time.
Da für ortsabhängige Dienste die Positionsinformation server- seitig und nicht auf Klientenseite benötigt wird, sollte die Lokalisierung möglichst auf einem zentralen Rechner, auf dem auch die Karteninformationen gespeichert sind, ausgeführt werden.Since the location information is required on the server side and not on the client side for location-dependent services, the localization should, if possible, be carried out on a central computer on which the map information is also stored.
Dadurch ergeben sich für den Lokalisierungsalgorithmus folgende Anforderungen .This results in the following requirements for the localization algorithm.
Die Rechenleistung sollte möglichst frei zwischen den verschiedenen Lokalisierungsanwendungen verteilt werden können. Deshalb wird ein anytime-Algorithmus mit einstellbarer Genauigkeit benötigt.The computing power should be distributed as freely as possible between the different localization applications. Therefore, an anytime algorithm with adjustable accuracy is required.
Ein solcher liefert jederzeit ein sinnvolles Ergebnis. Ein früher Abbruch der Berechnung beeinflusst also nur die Genau- igkeit der Positionsschätzung, nicht aber ihre Verfügbarkeit. Mit längerer Laufzeit wird die Genauigkeit der Schätzung erhöht.This provides a meaningful result at all times. An early termination of the calculation therefore only affects the accuracy of the position estimate, but not its availability. The accuracy of the estimate is increased with a longer runtime.
Da bei der Positionsschätzung anhand der Feldstärkekarten Nichtlinearitäten auftreten können, muss ein nichtlineares Filterverfahren zum Einsatz kommen.Since nonlinearities can occur when estimating the position using the field strength maps, a nonlinear filter method must be used.
Dieses verwendet zusätzlich noch ein Modell für die Bewegung des Benutzers, um die Qualität der Schätzung zu verbessern und die Kombination von Messungen zu ermöglichen.This also uses a model for the movement of the user to improve the quality of the estimate and to enable the combination of measurements.
Geeignete Filterverfahren für die Lokalisierung sind z.B. das Progressive Bayes-Filter [7], das eine optimale Lösung findet, oder das PDSME-Filter [5] .
Letzteres ist zwar suboptimal, dafür allerdings deutlich einfacher und schon in der Anwendung auf Lokalisierungsproblemen in Funknetzen erprobt.Suitable filtering methods for localization are, for example, the Progressive Bayes filter [7], which finds an optimal solution, or the PDSME filter [5]. The latter is suboptimal, but it is much simpler and has already been tested for use in localization problems in radio networks.
Bei der Lokalisierung eines mobilen Kommunikationsgeräts wird dann zunächst eine oder mehrere Messungen der elektrischen Feldstärke an dem zu bestimmenden Ort durchgeführt.When locating a mobile communication device, one or more measurements of the electric field strength are then carried out at the location to be determined.
Mit Hilfe dieser Messungen und den zuvor erstellten Feldstär- kekarten kann eine OrtsSchätzung durchgeführt werden.A location estimate can be carried out using these measurements and the field strength maps created previously.
Hierzu kann beispielsweise das aus [12] bekannte Verfahren basierend auf ein Pattern Matching zusammen mit einer räumlichen Abtastung der Feldstärkekarten, das aus [5] bekannte Verfahren basierend auf nicht lineare Filtertechniken, oder eine Lösung der Navigationsgleichungen verwendet werden.For this purpose, for example, the method known from [12] based on pattern matching together with a spatial sampling of the field strength maps, the method known from [5] based on non-linear filter techniques, or a solution of the navigation equations can be used.
Die Lösung der Navigationsgleichungen (6) mit dem Ortsvektor x, den gemessenen Feldstärken Emess - Emess für die Basisstationen bzw. Antennen 1 - N, und den ortsabhängigen Karten, bzw. Modellen, der Feldstärken Eχ(x) - Ejτ( ) , geschieht beispielsweise mittels eines Nullstellensuchverfahrens, oder mittels einer Minimierung der quadratischen Gleichungsfehlersumme e (7) .The solution of the navigation equations (6) with the location vector x, the measured field strengths E mess - E mess for the base stations or antennas 1 - N, and the location-dependent maps or models, the field strengths Eχ (x) - Ejτ (), happens, for example, by means of a zero search method, or by minimizing the quadratic equation error sum e (7).
N e = i (E±( ) - E;. (7) i=lN e = i (E ± () - E ;. (7) i = l
3. Experimentelle Verifikation
Zur Verifizierung obig vorgestellter Vorgehensweise werden zunächst Messungen in einem WLAN, einem sogenannten DUKATH- Netz [8], vorgenommen.3. Experimental verification To verify the procedure presented above, measurements are first carried out in a WLAN, a so-called DUKATH network [8].
Da Interesse besteht ortsabhängige Dienste, wie z. B. das Ü- bertragen von Zusatzmaterial auf den PDA zu, anzubieten muss die Möglichkeit geboten werden, eine große Zahl von Benutzern gleichzeitig zu lokalisieren.Since there is interest in location-based services such. For example, to transfer additional material to the PDA, the possibility must be offered to localize a large number of users at the same time.
Die Ergebnisse sind aber nicht auf Wireless LAN und das DUKATH-Netz beschränkt. Sie lassen sich auch auf andere Funknetze z. B. gemäß den Bluetooth- oder DECT-Standards übertragen.However, the results are not limited to wireless LAN and the DUKATH network. You can also on other radio networks such. B. according to the Bluetooth or DECT standards.
Technischer Aufbautechnical structure
Die Kartenerstellung wird von einem autonomen mobilen Roboter (Fig.4, 400 bzw. 110) durchgeführt.The map is created by an autonomous mobile robot (Fig. 4, 400 or 110).
Es handelt sich hierbei um eine OmniBase-Plattform [9] .It is an OmniBase platform [9].
Für die Kartographierung wurde die Plattform mit einem spe- ziellen Aufbau versehen (Fig.4), auf dem ein Compaq iPAQ Pocket PC 401 mit einer Lucent Orinoco Wireless LAN-Karte angebracht ist.For the mapping, the platform was provided with a special structure (Fig. 4) on which a Compaq iPAQ Pocket PC 401 with a Lucent Orinoco Wireless LAN card is attached.
Während der Roboter 400 durch das Gebäude fährt, misst der iPAQ 401 die Feldstärken aller verfügbaren Sendestationen.As the robot 400 drives through the building, the iPAQ 401 measures the field strengths of all available transmission stations.
In einem auf IEEE 802.11 [10] basierenden Netzwerk senden die Basisstationen ständig Beacon-Signale. Diese Signale dienen den mobilen Endgeräten dazu die Station herauszufinden, zu der sie die beste Verbindung bekommen können. Bei der Vermessung der Feldstärken werden diese Beacon-Signale ausgewertet.
Die Netzzugehörigkeit der Stationen ist dabei unerheblich. Die zur Messung verwendete Netzwerkkarte verhält sich dabei passiv, d. h. sie sendet selbst keine Signale aus.In a network based on IEEE 802.11 [10], the base stations continuously send beacon signals. These signals are used by mobile devices to find out the station to which they can get the best connection. These beacon signals are evaluated when measuring the field strengths. The network affiliation of the stations is irrelevant. The network card used for the measurement behaves passively, ie it does not send any signals.
Die Messergebnisse werden über eine serielle Schnittstelle an den Roboter 400 übertragen, wo sie zusammen mit der vom Roboter geschätzten Referenzlage weiterverarbeitet werden.The measurement results are transmitted to the robot 400 via a serial interface, where they are further processed together with the reference position estimated by the robot.
Roboterlokalisierungrobot localization
Die OmniBase- lattformThe OmniBase platform
Die omnidirektionale Roboterplattform OmniBase ist modular aufgebaut. Sie besitzt vier gleichartige Radmodule mit je ei- nem Standard-Rad.The omni-directional robot platform OmniBase has a modular structure. It has four identical wheel modules, each with a standard wheel.
In jedem Radmodul sind zwei Antriebsmotoren untergebracht, von denen einer zur Lenkung und einer zum Antrieb des Rades dient . Da die insgesamt acht Motoren der Radmodule unabhängig von einander angesteuert werden können ist die Möglichkeit gegeben die Plattform frei in drei Freiheitsgraden (Position und Orientierung) zu bewegen.Each drive module houses two drive motors, one for steering and one for driving the wheel. Since the eight motors of the wheel modules can be controlled independently of each other, the platform can be freely moved in three degrees of freedom (position and orientation).
Die Koordination der Antriebe erfolgt mittels einer Low- Level-Steuerung in der Plattform. Die Plattform fährt immer auf Momentankreisen um den sog. ICR (Instantaneous Center of Rotation) .The drives are coordinated by means of a low-level control in the platform. The platform always runs on instantaneous circles around the so-called ICR (Instantaneous Center of Rotation).
Um eine vibrationsarme Fahrt zu erreichen müssen alle vier Räder auf konsistenten Bahnen um den ICR ausgeregelt werden.In order to achieve a low-vibration ride, all four wheels have to be adjusted on consistent tracks around the ICR.
Die Bahnplanung erfolgt in einem übergeordneten Steuerrechner, wobei die Kommunikation zwischen dem Steuerrechner und der Low-Level-Steuerung der Plattform über eine COR- BASchnittstelle erfolgt.The path planning takes place in a higher-level control computer, with the communication between the control computer and the low-level control of the platform taking place via a CORBAS interface.
Sie stellt drei Funktionen zur Verfügung:
- Abfragen der von der Odometrie geschätzten Lage des Roboters in globalen Koordinaten, Setzen der Lage in globalen Koordinaten und Setzen der Geschwindigkeiten.It provides three functions: - Querying the position of the robot estimated by the odometry in global coordinates, setting the position in global coordinates and setting the speeds.
Der Geschwindigkeitsvektor u = [χkYkΨkF gib die Soll- Geschwindigkeiten entlang der x- bzw. y-Achse des globalen Koordinatensystems und die Winkelgeschwindigkeit der Orientierung des Roboters an.The speed vector u = [ χ kYkΨkF indicate the target speeds along the x and y axes of the global coordinate system and the angular speed of the orientation of the robot.
Die Plattform wird also in globalen Koordinaten angesteuert.The platform is therefore controlled in global coordinates.
Bildverarbeitungimage processing
Der Roboter 400 lokalisiert sich mittels einer Deckenkamera 402 am gleichmäßigen Deckenmuster in Räumen.The robot 400 uses a ceiling camera 402 to locate itself on the uniform ceiling pattern in rooms.
Die Decke besteht beispielweise aus weißen quadratischen Deckenplatten mit 1200mm Seitenlänge. Zwischen den Platten be- finden sich graue Verstrebungen. Die Kreuzungen der Deckenverstrebungen werden als Landmarken betrachtet . Sie befinden sich auf einem 1200 mm-Raster.The ceiling consists, for example, of white square ceiling panels with a side length of 1200mm. There are gray struts between the plates. The intersections of the ceiling struts are considered landmarks. They are on a 1200 mm grid.
Zur Erkennung der Landmarken wird zunächst ein Eckenfilter aus der Intel Open Source Computer Vision Library [11] angewandt .A corner filter from the Intel Open Source Computer Vision Library [11] is used to identify the landmarks.
Vier Eckpunkte, die ein Quadrat mit einer Seitenlänge zwischen 20 Pixel und 35 Pixel bilden werden als Landmarke er- kannt. Als Quadrat gilt eine Figur aus Eckpunkten, wenn dieFour corner points, which form a square with a side length between 20 pixels and 35 pixels, are recognized as landmarks. A square is a figure made up of corner points if the
Seitenlängen nahezu gleich (Toleranz: 2 Pixel) und die Winkel nahezu 90° sind.Side lengths are almost the same (tolerance: 2 pixels) and the angles are almost 90 °.
Fig.5 zeigt ein Kamerabild 500, in dem eine Landmarke erkannt wurde.
5 shows a camera image 500 in which a landmark was recognized.
Die gemessene Lage des Roboters xm [xllLy ψ j ergibt sich aus der tatsächlichen Lage der Landmar und ihrer Lage im Kamerabild.The measured position of the robot x m [x llL y ψ j results from the actual position of the Landmar and its position in the camera image.
Lokalisierunglocalization
Da die in der Bildauswertung die Lage des Roboters in globalen Koordinaten bestimmt wird, lässt sich die Messgleichung zu
(8)Since the position of the robot is determined in global coordinates in the image evaluation, the measurement equation can be used (8th)
vereinfachen .simplify.
Der Systemfehler Messfehler vkwird als unkorreliert und normalverteilt um den Mittelwert Null mit der Kovarianz R angenommen .The system error measurement error v k is assumed to be uncorrelated and normally distributed around the mean zero with the covariance R.
In jedem Zeitschritt wird ein Prädiktionsschritt durchgeführt. Dabei wird x? , die prädizierte Lage des Roboters, von der Odometrie ermittelt . Die Fehlerkovarianz wird durchA prediction step is carried out in each time step. Where x? , the predicted location of the robot, determined by odometry. The error covariance is determined by
cl = c?-ι + Q <9> c l = c ? -ι + Q < 9 >
vereinfacht fortgeschrieben, wobei Q für die Kovarianzmatrix des Systemfehlers, Cp für die priore und Ce für die poste- riore Kovarianzmatrix stehen.Simplified, where Q stands for the system error covariance matrix, C p for the priore and C e for the posterior covariance matrix.
Immer wenn ein Messdatum vorliegt, d. h. eine Landmarke erkannt wurde, wird ein Messschritt durchgeführt. Dies muss nicht in jedem Zeitschritt der Fall sein. Der sog. Kalman- Gain Kk lässt sich wegen der einfachen Messgleichung vereinfacht als
darstellen. und die posteriore Ko-Whenever a measurement date is available, ie a landmark has been recognized, a measurement step is carried out. This does not have to be the case in every time step. The so-called Kalman gain K k can be simplified as because of the simple measurement equation represent. and the posterior co-
-= c£ - κ (12)- = c £ - κ (12)
Die geschätzte Lage des Roboters ,-ke wird anschließend auf der Plattform als aktuelle Position gesetzt.The estimated position of the robot, - k e is then set as the current position on the platform.
Fig.6 zeigt den Fehler der reinen Koppelnavigation gegenüber der Kameranavigation.Fig. 6 shows the error of the pure dead reckoning compared to the camera navigation.
Hierzu wurde ein Gang eines Gebäudes in dem Funknetz zehn mal durchfahren, was einer Gesamtstrecke von ca. 700m entspricht. Nach den zehn Durchfahrten betrug die Abweichung in der Orientierung mehr als 45°. Die Abweichung in der Position beträgt mehrere Meter. Wird die Bildverarbeitung hinzugenommen, beträgt der Fehler der Positionsschätzung im Mittel ca. 15 cm.For this purpose, a corridor of a building was traversed ten times in the radio network, which corresponds to a total distance of approx. 700 m. After the ten passes, the deviation in orientation was more than 45 °. The deviation in position is several meters. If the image processing is added, the error of the position estimate is approximately 15 cm on average.
Kartenerstellungmapping
Bei der Kartenerstellung werden die für jede Basisstation die 6 Parameter aus Gleichung 3 geschätzt, wobei für x^ die Referenzposition des Roboters und für hς {xk) die gemessene Feldstärke des Senders ς an der Stelle
eingesetzt wird.When creating the map, the 6 parameters from equation 3 are estimated for each base station, the reference position of the robot for x ^ and the measured field strength of the transmitter ς at that point for h ς {x k ) is used.
Die Schätzung erfolgt mit der Methode der kleinsten Quadrate.The estimate is made using the least squares method.
In den Figuren 7 und 8 sind die Teilkarten für zwei Basisstationen zu sehen.
Zusätzlich sind die tatsächlichen Messwerte und die gefahrene Bahn des Roboters eingezeichnet. In den Figuren 7 und 8 ist zu erkennen, dass die tatsächlichen Messwerte durch das Mo- dell gut beschrieben werden.The partial cards for two base stations can be seen in FIGS. In addition, the actual measured values and the path traveled by the robot are shown. It can be seen in FIGS. 7 and 8 that the actual measured values are well described by the model.
Die Gesamtunsicherheit des Systems lässt sich aus der Abweichung des Messmodells zu den Messwerten schätzen. Die Teilunsicherheiten sind unbekannt. Das Messrauschen ließe sich z. B. dadurch bestimmen, dass Mittelwert und Standardabweichung mehrerer Messungen an einem Punkt berechnet werden. Da hier aber die Messungen entlang verschiedener Bahnen gemacht werden, gibt es im Allgemeinen nur eine Messung pro Bahnpunkt.The overall uncertainty of the system can be estimated from the deviation of the measurement model from the measurement values. The partial uncertainties are unknown. The measurement noise could be e.g. B. Determine that the mean and standard deviation of several measurements are calculated at one point. However, since the measurements are made along different paths, there is generally only one measurement per path point.
Da sich Sendestationen des Funknetzes teilweise in unterschiedlichen Stockwerken von Gebäuden befinden als der Roboter kann die Genauigkeit des Modells gegebenenfalls dadurch erhöht werden, dass der Positionsvektor zu einem vierdimensi- onalen Lagevektor erweitert wird.Since transmitting stations of the radio network are located on different floors of buildings, in some cases, than the robot, the accuracy of the model can be increased if necessary by expanding the position vector to a four-dimensional position vector.
In diesem Fall würden z für die Höhe und außerdem ψ für die Orientierung in der x-y-Ebene ergänzt.In this case z would be added for the height and also ψ for the orientation in the x-y plane.
Da sich dadurch auch die Anzahl der zu schätzenden Parameter von 6N auf 15N erhöht, wären deutlich mehr Messwerte zur Kartenerstellung nötig. Idealerweise würden dazu auch Messfahrten in anderen Stockwerken durchgeführt.Since this also increases the number of parameters to be estimated from 6N to 15N, significantly more measurements would be required to create the map. Ideally, measurement trips would also be carried out on other floors.
Im obigen wurde ein System gemäß der vorliegenden Erfindung vorgestellt, das automatisch die örtlichen Signalcharakteristiken von Funknetzen vermisst und kartographiert .In the above, a system according to the present invention was presented that automatically measures and maps the local signal characteristics of radio networks.
Eine Anwendung dafür ist das Erstellen von Karten mit deren Hilfe Benutzer in Funknetzen lokalisiert werden können. Die erstellten Karten beschreiben die Feldstärkeverteilungen aller verfügbaren Sendestationen in analytischer Form.
Der Modellfehler und das Messrauschen werden stochastisch modelliert. Damit können zur Lokalisierung auf Basis dieser Karten analytische stochastische Filterverfahren eingesetzt werde .One application for this is the creation of maps with the help of which users can be localized in radio networks. The maps created describe the field strength distributions of all available transmitting stations in an analytical form. The model error and the measurement noise are modeled stochastically. This means that analytical stochastic filtering methods can be used for localization based on these maps.
Messungen wurden mit der omnidirektionalen Roboterplattform Omni-Base in einem Funknetz durchgeführt.
Measurements were carried out with the omni-directional robot platform Omni-Base in a radio network.
In diesem Dokument sind folgende Schriften zitiert:The following writings are cited in this document:
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[10] IEEE: IEEE Std 802.11-1997 Information Technology - Telecommunications And Information Exchange Between Sys- tems - Local And Metropolitan Area Networks-specific Re- quirements - Part 11: Wireless Lan Medium Access Control (MAC) And Physical Layer (PHY) Specifications . (1997)[10] IEEE: IEEE Std 802.11-1997 Information Technology - Telecommunications And Information Exchange Between Systems - Local And Metropolitan Area Networks-specific Requirements - Part 11: Wireless Lan Medium Access Control (MAC) And Physical Layer (PHY) Specifications. (1997)
[11] Intel Corporation: Open Source Computer Vision Library. (Stand: Juli 2003) http: //www. intel . co /research/mrl/research/opencv/[11] Intel Corporation: Open Source Computer Vision Library. (As of July 2003) http: // www. intel. co / research / mrl / research / opencv /
[12] DE-Patentanmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 10345255.9
[12] DE patent application with application number 10345255.9