Projekt 75: UWB Ortung

Quelle: https://www.pozyx.io/

Autor: Stephan Marks, Klaus Schmidt

Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Aufbau eines UWB-Ortungssystems (z.B. Posyx-Shield)

Erwartungen an die Projektlösung

• Recherche zu UWB-Positionierung
• Auswahl eines UWB Systems
• Beschaffung eines UWB-Systems
• Messaufbau
• Inbetriebnahme
• Validierung der Güte mit dem TopCon Lasertracker-System
• Machen Sie spektakuläre Videos, welche die Funktion visualisieren.
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Mittel (***)

Einleitung

Im Studiengang Mechatronik der Fachhochschule Hamm-Lippstadt wird im fünften Semester das Elektrotechnik-Fachpraktikum durchgeführt. Dies zählt zum Modul Mechatronische Systeme II und dient der Vertiefung der angewandten Elektrotechnik. In dem Praktikum werden zusätzlich zu verschiedenen Versuchen einzelne Projekte in den Bereichen Elektrotechnik und Regelungstechnik in Kleingruppen bearbeitet. Dieser Artikel dient der Projektdokumentation des Projekts 75 UWB-Ortung, dem Festhalten von Ergebnissen sowie der Interessensweckung für die Verwendung eines UWB-Ortungssystems.

Einführung

Das Wort UWB steht für Ultra Wide Brand (dt. Ultra Breitband). Ein großer Vorteil dieser Technologie ist ihre hohe Übertragungssicherheit. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist, dass das Nutzungssignal nur schwer erkenn- und ortbar ist, da die spektrale Leistungsdichte unterhalb des thermischen Rauschens gehalten wird. Somit ist es ideal für den militärischen Einsatz geeignet. Mit einer Bandbreite von mindestens 500 MHz der Mittenfrequenz werden in der UWB-Ortung extrem große Frequenzbereiche (3,1 GHz bis 10,6 GHz) genutzt. Dadurch eröffnet sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Bei der UWB-Ortung wird die Information durch eine definierte Folge kurzer digitaler Impulse übertragen. Hierdurch erhält das Signal die gewünschte hohe Bandbreite und die übertragene Leistung verteilt sich auf einen großen spektralen Bereich.

Das pozyx-System ist eine Hardwarelösung, die genaue Informationen zur Positionierung und Bewegung liefert. Das System besteht aus 5 Modulen, davon 4 Anker und ein Tag. Um eine Positioniergenauigkeit von wenigen Zentimetern zu erreichen, setzt das pozyx-System auf eine neuartige drahtlose Funktechnologie namens Ultra-Wideband (UWB). Die mit dieser Ultra-Breitband-Technologie erreichte Genauigkeit ist um ein Vielfaches besser als bei herkömmlichen Positionierungssystemen, die auf WiFi, Bluetooth, RFID oder GPS-Signalen basieren. Darüber hinaus können die Signale Wände durchdringen und sie für Innenräume geeignet machen.

Einige Anwendungsmöglichkeiten, die mit dem Pozyx-System realisiert werden könen:

• Einen Roboter oder eine Drohne sicher in einem Haus navigieren.
• Jede Entfernung messbar, sogar durch Wände!

Verwendete Bauteile

Pos.:	Bezeichnung:	Anzahl in Stk. sonst angegeben:
1.	HUWB-Ortungssystem: Pozyx Ready to Localize
2.	Holzgrundplatte
3.	Holzbalken
4.	Montagewinkel
5.	Holzschraube
6.	Klebeband
7.	Steckdosenleiste 6fach
8.	Arduino Uno Rev. 3
9.	Arduino Breadboard
10.	Arduino Verbindungskabel
11.	Powerbank
12.	Bluetoothmodul HC-05
13.	USB A-B-Kabel
13.	Bluetoothmodul HC-05
14.	Widerstand 1,2kΩ
15.	Widerstand 2,2kΩ

Projekt

Projektplan

Für das Projekt UWB-Ortung wird in Hinblick auf eine Livevorführung an einem Messestand ein kompakter Testaufbau erstellt. An diesem soll das Funktionsprinzip der Ultraweitband-Ortung veranschaulicht werden. Des Weiteren sollen die räumlichen Positionskoordinaten der Ortung in Form eines dreidimensionalen MATLAB-Plots visualisiert werden. Um eine praktikable Datenübertragung zu realisieren, ähnlich einer praktischen Anwendung wie beispielsweise die Ortung eines autonomen Roboters, wird die kabellose Datenübertragung per Bluetooth gewählt.

Projektziele

• Erstellen eines Testaufbaus zur Vorführung der UWB-Ortung in Form eines Messestands
• Inbetriebnahme des UWB-Ortungssystems
• Empfangen von dreidimensionalen Positionsdaten
• Implementierung eines Arduino-Sketches zur UWB-Ortung mittels Arduino-Shield
• Kabellose Datenübertragung per Bluetooth unter Verwendung des HC-05-Bluetoothmoduls
• Implementierung eines MATLAB-Skripts zur räumlichen Visualisierung der Positionskoordinaten
• Validierung der Ortungsgenauigkeit
• Dokumentation des Projekts

Projektdurchführung

Für dieses Projekt wird nun in Anlehnung das Ready to Localize Tutorial von Pozyx verwendet. Im nachfolgenden Abschnitt wird nun dieses Tutorial näher erläutert: In diesem Tutorial wird nun die Positionierung mit dem System durchgeführt. Als erstes werden zuerst die Ankerpositionen eingerichtet, um später eine Positionierung durchzuführen können. Danach werden genaue Positionsdaten des Pozyx relativ zum Ankeraufbau empfangen.

• Anker Setup und Messung

Das Pozyx-Positionierungssystem erfordert, dass die vier Anker in einem Bereich platziert werden, in dem positioniert werden möchte. Einige wichtige Regeln zur Ankerplatzierung werden nun im Folgenden gezeigt:

1. Die Anker müssen mit dem Antennenchip nach oben befestigt werden und in der Sichtlinie des Benutzers aufgebaut werden.

2. Die Anker müssen um den Benutzer verteilt werden und dürfen nicht auf einer Linie verteilt werden.

3. Für die 3D-Positionierung die in diesem Projekt verwendet wird gilt, dass die Anker auf verschiedenen Höhen platziert werden müssen.

Bevor die Anker positioniert werden, ist es sinnvoll eine Skizze mit den Positionen und den Adressen der Anker anzufertigen. Die Adresse der Anker befindet sich als Hexadezimalzahl auf einem Etikett der Anker. In der nachfolgend Abbildung „Abb.1 Positionierung der Anker“ werden nun die Positionen der Anker dargestellt.

Ergebnise und Herusforderungen

…Ergebnisse… …Ungenaue Ortung… Mögliche Gründer der abweichenden Ortungskoordinaten können zum einen der kompakte Testaufbau sein. ... Abstände zu nah… Zum Anderen sollten die Koordinaten der Sender durch eine genauere Vermessung ermittelt werden. Als herausfordernd stellte sich die kabellose Übertragung der Ortungsdaten heraus. Durch eine zunächst irreführende Beschreibung eines so genannten Remote-Modus durch die Dokumentation des Herstellers Pozyx stellte sich heraus, dass eine kabellose Übertragung der Koordinaten nur durch ein zusätzliches Bluetoothmodul möglich ist. Diese Erkenntnis entstand nach verschiedenen Testansätzen und wurde durch Kontaktaufnahmen mit dem Hersteller bestätigt. So wurde der Empfängeraufbau um ein HC-05-Bluetoothmoduls erweitert. Problematisch war zudem, dass das Pozxy-Empfändershield die einzige serielle Schnittstelle des Aurduino Unos verwendet. Somit konnte das Bluetoothmodul nicht an diese angeschlossen werden. Die Problematik wurde durch das Verwenden der SoftwareSerial-Library gelöst, welche mittels zwei digitalen Ein- beziehungsweise Ausgängen eine weitere serielle Schnittstelle nachbildet.

Weblinks

• Posyx-Shield

YouTube Video

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