Positionsbestimmung in Innenräumen mit Ultrasonic/Ultraschall

Mit der Entwicklung neuer IoT Anwendungsfelder werden Positionierungskonzepte von Objekten in Innenräumen immer kritischer. Es werden Ultraschall-Tracking-Lösungen entwickelt, die in verschiedenen Anwendungen, insbesondere bei der Positionierung in Innenräumen, eingesetzt werden können. Die Technologie gibt an, dass sie das verlockende Potenzial besitzt, Objekte innerhalb weniger Zentimeter in Innenräumen zu lokalisieren. Es gibt Untersuchungen, die beweisen sollen, dass Ultraschall für eine vollwertige Navigation in Innenräumen eingesetzt werden kann. 

Bei der Ultraschallverfolgung werden Schallwellen abgesandt, die nach dem Abprall von Objekten vom Ultraschall erzeugenden Gerät wiederum erfasst werden, um den Standort eines Objekts zu bestimmen. Es funktioniert ähnlich wie bei Fledermäusen, aber vielleicht etwas weniger genau. Es wurden viele Vorschläge zur Verwendung von Ultraschall zur Navigation und Positionsbestimmung gemacht. Wenn Sie neugierig auf diese Technologie sind und wissen wollen, wie die Ultraschallverfolgung und -positionierung funktioniert, lesen Sie folgend über das Grundprinzip und dessen Anwendungsfälle. 

Was ist Ultraschall? 

Ultraschall ist ein Spektrum von Schallwellen, die Frequenzen über 20 kHz (Kilohertz) erzeugen. Die Frequenz von Ultraschall ist zu hoch, als dass Menschen sie hören könnten. Ultraschall ist ein in der Natur weit verbreitetes Phänomen. Fledermäuse benutzen ihn seit ihren Anfängen. Fledermäuse sind auf die Echolokalisierung angewiesen, um Objekte auf ihren Flugbahnen aufzuspüren. Sie verwenden sie auch zum Aufspüren von Insekten und anderen potenziellen Nahrungsquellen. Fledermäuse senden Ultraschallwellen von bis zu 200 kHz aus (abhängig von der Art). Und selbst ein subtiler Unterschied kann sie von ihrer Flugbahn ablenken (wir sprechen von extrem feinen Unterschieden – bis hinunter zu 0,0001 kHz). 

Abgesehen von Fledermäusen nutzen Meerestiere wie Wale, Delfine und einige andere Fischarten den Ultraschall zur Kommunikation, zur Jagd und zur Navigation durch den Ozean. Auch Katzen und Hunde reagieren empfindlich auf Ultraschallwellen, und Nagetiere wie Spitzmäuse verwenden Ultraschall zur Erkennung von Objekten und Navigation durch Gras und Büsche. 

Von der Natur inspiriert und in Technologie umgesetzt 

Es hat mehrere IoT Entwicklungen auf Basis der Ultraschalltechnologie gegeben, die auf biologischer Inspiration von Tieren fussen, die die Echolokation verwenden – Delfin, Grille, Fledermaus. 

Kurz gesagt, diese Technologie dient dazu, den Standort eines Objekts zu bestimmen, indem die Flugzeit der Welle vom Sender zum Empfänger gemessen wird. Infolgedessen erkennen sie den Standort eines Objekts mittels Trilateration. 

Das System der aktiven Fledermäuse ist den Wissenschaftlern in Bezug auf die Biomimikry am nächsten gekommen. Es enthält einen Tracker-Tag, der mit zwei Sendern Ultraschallimpulse aussendet. Die Sender ermöglichen es der Fledermaus, den Erfassungsbereich zu vergrößern. Außerdem gibt es ein Raster von an der Decke montierten Empfängern, die zum Empfang der Signale eingesetzt werden und diese an das zentrale System zurücksenden. Diese Technologie nutzt die Multilateration von drei oder mehr Empfängern zur Bestimmung der Position des Senders. Das zentrale System der Fledermaus verfügt über eine Genauigkeit innerhalb von 3 Zentimetern. 

Ein weiteres gutes Beispiel für diese Ultraschall-Biomimikry ist das Projekt DOLPHIN. Es handelt sich dabei um eine verbesserte Version der Fledermaus, die nur noch einige wenige Sensorknoten benötigt, um durch einen bestimmten Ort zu navigieren. 

Wie sieht es mit kommerziellen Lösungen aus? 

Die Ultraschall-Positionierung in Innenräumen kann eine Vielzahl von Anwendungen haben, wie z.B. in Hotels und Krankenhäusern, wo die Räume gekrümmt sind und Ultraschall wertvolle Informationen zur Positionierung von Objekten liefern kann. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass Fenster, Türen und Wände Ultraschall behindern können. Ultraschall kann folgedessen nicht aus dem Raum entweichen, im Gegensatz zu WiFi, dessen Signal im ganzen Haus zur Verfügung gestellt werden kann, unabhängig davon, wie viele Wände und Türen es gibt. Dies ist bei Ultraschall nicht der Fall. Solange sich also die Sender- und Empfängerpaare, die miteinander kommunizieren, im selben Raum befinden, sind Ultraschallsignale robust. Dadurch ist es möglich, jedes Objekt innerhalb des Raumes oder Gebäudes zu erkennen. 

Wir befinden uns noch in der frühen Entwicklung von Ultraschallanwendungen und sind gespannt, wohin uns die Technologie noch führt. 

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