Analyse und Modellierung eines induktiven Ortungsprozesses unter Berücksichtigung der elektromagnetischen Wechselwirkungen planarer Spulensysteme

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines induktiv-basierten Lokalisierungsverfahrens mittels planarer Spulen, das auf magnetischer Kopplung beruht. Grundlage ist die elektromagnetische Induktion, bei der sich die entstehende Spannung proportional zur Gegeninduktivität verhält. Das Verfahren arbeitet im physikalischen Nahfeld und im Frequenzbereich von einigen kHz bis MHz, um eine effiziente Kopplung ohne Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zu gewährleisten. Im Vergleich zu etablierten Verfahren wie GPS oder Ultraschall zeigt die induktive Ortung Vorteile bei kurzer Reichweite, insbesondere durch hohe Genauigkeit im Zentimeterbereich und geringe Materialabhängigkeit. Zudem lässt sie sich in bestehende Technologien wie bei der drahtlosen Energieübertragung integrieren und durch Sensorfusion mit anderen Verfahren kombinieren. Zur Modellierung und Optimierung werden physikalische Eigenschaften von planaren Spulen und EM-Feldern analysiert und elektrische Ersatzschaltbilder eingesetzt. Die geometriebasierte Berechnung der Gegeninduktivität ermöglicht die Entwicklung und Bewertung geeigneter Ortungsalgorithmen. Stochastische Filterverfahren verbessern zusätzlich die Robustheit gegenüber Umgebungseinflüssen. Abschließend wird eine modulare Simulationsplattform vorgestellt, die als Grundlage für die Generierung von Trainingsdaten sowie zur Weiterentwicklung von Mess-, Ortungs- und Filtermethoden dient.

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This dissertation addresses the development of an inductively based localization method using planar coils, which relies on magnetic coupling. The underlying principle is electromagnetic induction, where the resulting voltage is proportional to the mutual inductance. The method operates in the physical near field and within a frequency range from a few kHz to MHz, ensuring efficient coupling without the propagation of electromagnetic waves. Compared to established methods such as GPS or ultrasound, inductive localization offers advantages at short range—particularly high accuracy in the centimeter range and low dependency on surrounding materials. Additionally, it can be integrated into existing technologies, such as wireless power transfer systems, and combined with other methods through sensor fusion. To support modeling and optimization, the physical properties of planar coils and electromagnetic fields are analyzed, and equivalent electrical circuit models are used. Geometry-based calculations of mutual inductance enable the development and evaluation of suitable localization algorithms. Stochastic filtering methods further enhance robustness against environmental influences. Finally, a modular simulation platform is presented, which serves as a foundation for generating training data as well as for the further development of measurement, localization, and filtering methods.