Projekt 75: UWB Ortung

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	1
2.	Holzgrundplatte	1
3.	Holzbalken	4
4.	Montagewinkel	8
5.	Holzschraube	44
6.	Klebeband	1 m
7.	Steckdosenleiste 6fach	1
8.	Arduino Uno Rev. 3	1
9.	Arduino Breadboard	1
10.	Arduino Verbindungskabel	1 Packung
11.	Powerbank	1
12.	Bluetoothmodul HC-05	1
13.	USB A-B-Kabel	1
14.	Widerstand 1,2kΩ	1
15.	Widerstand 2,2kΩ	1

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:

Die Anker müssen mit dem Antennenchip nach oben befestigt werden und in der Sichtlinie des Benutzers aufgebaut werden.
Die Anker müssen um den Benutzer verteilt werden und dürfen nicht auf einer Linie verteilt werden.
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.

--Bild--

Vom Hersteller selber wird eine manuelle Kalibrierung zur Messung vorgeschlagen, da sie genauer ist als die automatische Kalibrierung. Für das Projekt wurden nun die Anker mit einem Zollstock ausgemessen.

Das Koordinatensystem

Ausgehend von der Abb.1 „Positionierung der Anker“, wird nun ein Koordinatensystem erzeugt um die Koordinaten der Anker zu bestimmen. Die Nachfolgende Abbildung 2 Das Koordinatensystem beschreibt nun diese Darstellung.

--Bild--

Ausgehend von dem Koordinatensystem bildet der Anker mit der Adresse 0x6926 den Ursprung des Koordinatensystems. Des Weiteren bilden die Anker 0x6926 und 0x690E die x-Achse. Auf der y-Achse befindet sich der Anker mit der Adresse 0x6932. Nun werden die Anker mit einem Zollstock vermessen. Zu beachten ist, dass ausgehend von der Mitte der Antenne des Ankers die Position bestimmt wird. Auf das Projekt bezogen ergibt sich folgende Tabelle mit den Positionsdaten der Anker in Millimeter:

Adresse	x-Koordinate	y-Koordinate	z-Koordinate
0x6926	0	0	758
0x6932	0	838	994
0x696B	1221	830	555
0x690E	1221	0	147

Im nachfolgend wird nun der Programm Code erläutert. Der Code wurde in einem Sketch in der Arduino Software geschrieben. In diesem ersten Abschnitt wurden nun die Koordinaten der Ankers eingefügt. Des Weiteren wurde die Bluetooth Schnittstelle eingebunden um später die Koordinaten Drahtlos zu empfangen.

--Programm Code --

Im Folgenden wird nun das Bluetooth Modul nähert erläutert. Für das Projekt wird das Bluetooth Modul HC-05, welches Kompatibel mit einem Arduino ist, verwendet. Dieses Modul dient dazu, dass die Positionsdaten des Tags Drahtlos übertragen werden. Im nachfolgenden wird der Programmcode des Moduls gezeigt, welcher mit der Software Matlab in einem Skript geschrieben wurde.

-- Matlab Skript --

Als letztes wird nun die Schnittstelle mit dem Pozyx System und Matlab beschrieben. In dem Matlab Skript wurde nun ein 3D-Plot erzeugt, welches die Positionsdaten des Tags grafisch darstellt.

-- Matlab Skript --

Ergebnise und Herusforderungen

…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.

Projektfortführung

Zusammenfassung

Literatur

Weblinks

Posyx-Shield

Projektunterlagen

YouTube Video

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