Positiebepaling binnenshuis op 10 cm nauwkeurig. Hoe werkt dat?

    Vorige Volgende

    21-aug-2017 17:25:42 | Door ir. Gijs Meuleman

    ir. Gijs Meuleman

    uwb-positioning.jpg

    Positiebepaling binnenshuis op 10 cm nauwkeurig. Hoe werkt dat?

    Dit artikel is een vervolg op een eerdere gepubliceerde blog “Wat kun je met Ultra Wide Band technologie?

    Voor positiebepaling buitenshuis wordt veel gebruik gemaakt van GPS. In huizen of gebouwen werkt deze techniek helaas niet, omdat communicatie met GPS satellieten dan niet mogelijk is.
    Zoals uitgelegd in “Wat kun je met Ultra Wide Band technologie?” is UWB uitermate geschikt voor positiebepaling in huizen of gebouwen, vooral doordat het robuust is tegen multi-pad storing. Hieronder leggen we uit hoe positiebepaling met UWB werkt.


    Methode 1 – Two way ranging


    In het onderstaande voorbeeld zijn drie vaste punten (anchors A1, A2 en A3) en een bewegend object (tag T) te zien. Het doel is om de locatie van de tag te bepalen. Om dit te doen moet je de afstand van de tag tot ieder ‘anchor’ weten. Vervolgens kun je drie cirkels trekken, de intersectie tussen de cirkels is de positie van de tag.

    positiebepaling two way ranging



    Hoe bepalen we de afstand tussen een tag (T) en een anchor (A)?
    Er zijn verschillende manieren om dit te doen, een veelgebruikte techniek is de zogenaamde ’time-of-flight’ meting. Hierbij stuur je een draadloos signaal van tag naar anchor en meet je de tijd die het signaal nodig heeft om van de tag naar het anchor te reizen. Omdat de snelheid van het signaal bekend is (ong. 300.000 km/s) kun je vervolgens uitrekenen wat de afstand tussen anchor en tag is.
    afstand = snelheid x tijd
    Daarmee weet je de afstand tussen een anchor en een tag. Vervolgens doe je dit voor alle 3 de anchors en je weet de positie. Deze techniek heet ’two-way ranging’.

    Het principe is erg eenvoudig en bestaat uit de volgende procedure:

    1. Een anchor stuurt een signaal en noteert het tijdstip (t1) waarop het signaal verstuurd is.
    2. De tag ontvangt het signaal en stuurt het direct weer terug.
    3. Het anchor ontvangt het signaal en noteert het tijdstip (t2)
    4. Het anchor berekend de afstand aan de hand van het tijdsverschil (t2 – t1)

    afstand* = snelheid x (t2-t1) / 2
    Een nadeel van deze techniek is dat een tag in luister mode moet staan, omdat het een signaal van een anchor op moet vangen en terug moet sturen. Dit kost veel energie, waardoor de tag minder lang mee zal gaan op een batterij.


    Methode 2 – Time Difference of Arrival


    Een andere methode

    1. Alle anchors synchroniseren de tijd
    2. De tag stuurt een signaal
    3. Alle anchors noteren het tijdstip waarop het signaal van de tag ontvangen wordt. (TOA1, TOA2, TOA3)
    4. De anchors communiceren deze tijdstippen naar 1 centraal anchor.
    5. Het centrale anchor berekent aan de hand van de tijdstippen de positie.

    De positie bepaling aan de hand van deze tijdstippen is iets lastiger, omdat alleen het tijdsverschil in ontvangst van het signaal bekend is. We leggen dit uit aan de hand van een voorbeeld met 2 anchors.

    TDOA - Ultra wide band



    In de bovenstaande afbeelding is de tag ergens gepositioneerd op de dikgedrukte groene lijn (TDOA1). Het signaal vanuit de tag arriveert veel eerder bij A2 (tijdstip TOA2) dan bij A1 (tijdstip TOA1). Hieruit kunnen we afleiden hoeveel dichter de tag bij A2 ligt ten opzichte van A1. De groene lijn geeft de mogelijke posities aan waar de tag zich kan bevinden.

    Door meer anchors toe te voegen kunnen meerdere lijnen getekend worden, de intersectie van de lijnen bepaalt vervolgens de positie van de tag.

    time of arrival



    Deze plaatsbepaling techniek heet multi-lateration.

    Een voordeel van deze techniek is dat een tag alleen maar een signaal hoeft te zenden en tussendoor in een energie-zuinige slaapstand kan gaan. Dit bespaart energie en zorgt ervoor dat de tag langer meegaat op een batterij.

    Een nadeel van deze techniek is dat er een stricte tijdsynchronisatie nodig is tussen de verschillende anchors. Om een indruk te geven, 1 nanoseconde tijdverschil tussen de anchors resulteert in ongeveer 30 cm afstandsfout.

    Conclusie

    • UWB kan gebruikt worden voor accurate positiebepaling in huizen en gebouwen (dm nauwkeurigheid)
    • Twee veelgebruikte plaatsbepaling technieken in UWB zijn ’two-way ranging’ en ’time difference of arrival’
    • ‘Two way ranging’ heeft als nadeel dat de tag in luister mode moet zijn, waardoor de tag minder lang meegaat op een batterij
    • ’Time-difference of arrival’ lost dit probleem op, maar vereist een zeer nauwkeurige tijd synchronisatie tussen de anchors ( minder dan 1 ns)

    * Voor de eenvoud houden we hier geen rekening met de verwerkingstijd, de tijd die de tag nodig heeft om het signaal te verwerken en weer terug te sturen.

    Wilt u meer weten over deze techniek en hoe u die kunt toepassen in uw applicatie? Neem dan contact met ons op.

    Deel deze blog