Ultra-Wideband – Lokalisierung

Use Cases – UWB Ranging

Die UWB-Technologie ermöglicht eine präzise Messung der Signallaufzeit zwischen zwei UWB-Sensoren (Initiator und Responder), wodurch auf Basis der Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen beiden bestimmt werden kann. Verfügt man über mehrere Geräte mit einem UWB-Sensor (im Folgenden auch als UWB-Knoten oder UWB-Anker bezeichnet), so können die Distanzen vom Initiator zu allen Respondern bestimmt werden.

Aus den ermittelten Einzeldistanzen mehrerer UWB-Anker können durch algorithmische Verfahren zur Lokalisierung (z.B. Tri- oder Multilateration) genaue Positionen bestimmt werden. Zusätzliche algorithmische Verfahren der Signalverbesserung (z.B. Rauschunterdrückung, gewichtete Mittelung, Machine Learning, Filterung) können die Genauigkeit der Lokalisierung erheblich verbessern.

Daraus entsteht eine Vielzahl an Use Cases in vielen technischen Bereichen. Im Folgenden sind Anwendungen im Bereich Automobil dargestellt. Die Grafik zeigt zwei Fahrzeuge mit verschiedenen Einbaupositionen der UWB-Anker, die je nach Use Case optimiert werden sollten. Sie spannen ein Basis-Koordinatensystem auf, in dem weitere UWB-Knoten geortet werden können.

Smart Car Access / Keyless Entry

Sicherheit: Ausschluss der Relais-Attacke

Für den schlüssellosen Fahrzeugzugang (Keyless Entry) ist die Positionsbestimmung des Schlüssels entscheidend, um festzustellen, ob die Tür-öffnende Person die Zugangsberechtigung (Schlüssel am Körper) besitzt. Herkömmliche Methoden der Ortung haben die Schwachstelle, dass das Funksignal durch Diebe mit der sogenannten Relais-Attacke verlängert werden kann.

Verwendet man UWB-Technologie für die Schlüsselortung, kann die Relais-Attacke ausgeschlossen werden. Dies wird durch die Signallaufzeitmessung und somit Abstandsmessung zwischen dem Schlüssel und dem Fahrzeug ermöglicht, wodurch Diebe keine Chance haben sich unbefugt Zugang zum Fahrzeug zu verschaffen.

Weitere Effekte durch UWB

Die genaue Lokalisierung des Schlüssels ermöglicht zudem,
das Welcome Light positionsabhängig nachzuführen. Der Weg zum Fahrzeug kann in der Dunkelheit situationsspezifisch beleuchtet werden (Komfortfunktion).

Durch Kombination mit weiteren algorithmischen Verfahren werden zusätzliche Öffnungsmethoden ermöglicht:

  • Gestenerkennung (Kombination mit UWB Radar)
  • Authentifizierung am Gangmuster (Kombination mit IMU)
  • Magic Key Geste (Kombination mit IMU)
  • Fußtap-Geste (Kombination mit IMU)
  • Drehung zum Fahrzeug (Kombination mit IMU)
  • Speech Features (Zusätzlich Mikrofon)

Weitere Infos dazu hier

UWB-Tags – Hast Du an das Handy gedacht?

Wo liegt das Portemonnaie, der Schlüsselbund, das Handy? Die genaue Lokalisierung per UWB kann dazu genutzt werden verloren gegangene persönliche Gegenstände zu orten. Dafür besitzen sie entweder einen integrierten UWB-Knoten (bspw. bei neueren Mobiltelefonen) oder man befestigt einen UWB-Tag am entsprechenden Gegenstand. Mit dieser Funktionalität ergeben sich zwei interessante Use Cases:

Item Finder: 


Deine UWB-Anlage im Automobil, in der Homeautomation, in der Industrieanlage oder in Deiner Parkgarage kann UWB-getagte Gegenstände Orten. Nötig ist dazu noch ein User-Interface, das die Ortungsergebnisse zugänglich macht. Dafür eignet sich typischerweise eine Mobile-App (bspw. in der Parkgarage, vgl. Abb. Rechts) aber auch ein Webinterface in einem Krankenhaus oder einer Industrieanlage (User-Terminal, bspw. Ortung von Arbeits-Equipment). Im Fall des Automobils eignet sich besonders das integrierte Car-Infotainment-System oder das graphische HMI. Du kommst ab sofort nicht mehr zu spät, weil Du zu lange deinen Wohnungsschlüssel gesucht hast.

Item Reminder:

Wie oft ist es Dir passiert, dass Du zur Arbeit fährst und auf halber Strecke zusammenzuckst, weil Dir einfällt, dass Dein Mobiltelefon noch im Bad liegt? Oder Du stehst vor Deiner Firma und kommst nicht rein, weil Deine Zugangskarte versehentlich zu Hause geblieben ist? Das Taggen von wichtigen Gegenständen wie Schlüssel, Portemonnaie, Zugangskarte oder Mobiltelefon (hier ist der UWB-Knoten ggf. bereits integriert) ermöglicht es, dass Dein Auto Dich beim Losfahren automatisch erinnert, wenn etwas nicht dabei ist. Die vergessene Zugangskarte oder das vergessene Mobiltelefon gehören der Vergangenheit an.

Autonomes Parken in der privaten Garage

Durch die Ausstattung der privaten Garage mit UWB-Ankerpunkten, kann der Einparkvorgang unterstützt oder sogar ein automatischer Einparkvorgang eingeleitet werden. Durch die Höhe Lokalisierungsgenauigkeit von UWB wird sichergestellt, dass das Fahrzeug auch bei wenig Platz sicher eingeparkt werden kann.

Automatisiertes Parkhaus

Wieviel Zeit verbringt man in Innenstädten oder am Flughafen, mit dem Abstellen und Wiedereinsammeln seines Autos? 
Mit UWB kann dieses Szenario der Vergangenheit angehören

Ähnlich wie in der privaten Garage kann die Lokalisierung durch UWB für Autonomes Fahren/Parken verwendet werden. Das Parkhaus benötigt dafür entsprechende Ausrüstung mit UWB-Ankern sowie eine Leitsoftware für die parkenden Autos. Es gibt dann nur noch einen Abgabe- und Abholbereich, direkt vor der Tür. Das UWB-bestückte Auto fährt von da aus exakt nach der durch die UWB-Anlage vorgegebenen Route und parkt sicher ein. Stress und Wartezeiten am Eingang des Parkhhauses können somit vermieden werden.

Autonomes Befahren einer Teststrecke

Du bist Automobilhersteller und arbeitest seit Jahren an der Vollautomatisierung Deiner Produktion. Aber was ist mit der Testfahrt oder mit der Überfahrt von Produktionsbereich A nach B. Muss das Auto manuell gefahren werden, oder kann die Testfahrt oder Überfahrt autonom stattfinden?

UWB macht eine unbemannte Testfahrt auf einer UWB-ausgestatteten Teststrecke möglich, analog zum Use Case des Automatisierten Parkhauses. Wenn Du denkst, dass der Testfahrer auch noch andere Funktionen hat, etwa die Erkennung von fehlersignalisierenden Geräuschen bei der Testfahrt, dann empfehlen wir das Gespräch mit Embedded AI. Die automatische Erkennung von akustischen Signalen gehört ebenfalls zu unseren Kernkompetenzen. Hier finden wir sicher eine angebrachte Lösung.

Automatic EV Charging

Für das automatisierte Laden von Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle) existieren folgende Ansätze:

  • Laderoboter steckt Roboterarm in die herkömmliche Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs (schematische Abbildung links).
  • Laderoboter/Ladestation dockt von unten automatisiert am Fahrzeugboden an, entweder als elektrische Steckerverbindung oder induktiv ausgeführt (schematische Abbildung rechts).

In allen Fällen ist wieder UWB der Schlüssel, denn die Positionen der entsprechenden Ladestecker und -buchsen bzw. der Induktionsflächen müssen sich zusammenfinden. Zunächst gilt hierfür wieder autonomes Parken in der Ladezone (Öffentlicher Parkplatz oder heimische Parkgarage) und anschließend Feinjustierung durch Laderoboter/Ladestation.

Demonstration Lokalisierung UWB

Embedded Ai erarbeitet seit 2017 kontinuierlich Lösungen im Bereich UWB für Automobile. Im folgenden Film werden einige Inspirationen 
zur Ortung des Autoschlüssels gezeigt. Der Film zeigt auch die wichtige Innen-Außen-Unterscheidung. Die Anordnungen der UWB-Anker ist so gewählt, dass sie nicht nur für den Außenbereich optimal funktionieren sondern auch für die Innenraum-Überwachung (mehr Details) optimal nutzbar sind. Dies bietet ein hohes Einsparpotenzial, da mit einem UWB-Sensorsystem mehrere herkömmliche Sensoren eliminiert werden können.