Distanzmessung und Positionierungslösungen in industriellen Umgebungen

Präzise Abstandsmessung gewährleistet Effizienz und Sicherheit in Industriesystemen

Durch die Nutzung präziser Distanzmessungen zwischen M2M (Machine-to-Machine) und H2M (Human-to-Machine) Interaktionen kann die Sicherheit in verschiedenen Anwendungen, insbesondere in der industriellen Automatisierung, der intelligenten Transporttechnik und der Mensch-Roboter-Kollaboration, verbessert werden. Anwendungen zur Distanzmessung verwenden typischerweise Technologien wie Ultraschall, Radar, LiDAR (Light Detection and Ranging) oder Ultra-Wideband (UWB). Diese Technologien können Messgenauigkeiten auf Sub-Meter- oder sogar Zentimeterebene bieten. Durch die Messung der Distanz zwischen Maschinen oder Menschen in Echtzeit können präzise Standortinformationen generiert und mithilfe von Algorithmen verarbeitet werden.

In industriellen Umgebungen sind Kollisionsvermeidungssysteme entscheidend. Eine präzise Abstandsmessung zwischen automatisierten Geräten und Robotern kann Kollisionen verhindern und einen sicheren Betrieb gewährleisten. Darüber hinaus kann eine präzise Abstandsmessung zwischen Maschinen helfen, ihre Bewegungswege zu optimieren, den unnötigen Energieverbrauch und Verschleiß zu reduzieren und so die Effizienz und Sicherheit des Systems zu verbessern.

In Umgebungen, in denen Menschen mit Robotern zusammenarbeiten, steht die Sicherheit an erster Stelle. Mit Abstandsmessungstechnologie zur Echtzeitüberwachung der Distanz zwischen Menschen und Robotern kann das System den Roboter automatisch verlangsamen oder stoppen, wenn ein Mensch zu nah erkannt wird, um Kollisionen zu vermeiden. Darüber hinaus kann die Abstandsmessung gefährliche Bereiche überwachen, um sicherzustellen, dass menschliche Bediener nicht versehentlich in gefährliche Arbeitszonen gelangen.

Derzeit können mehrere Sicherheitsansätze angenommen werden, wie etwa die Multi-Sensor-Fusion, die verschiedene Entfernungsmessungstechnologien und Sensordaten (z. B. Kameras, Infrarotsensoren) kombiniert, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Entfernungsmessung zu verbessern und die Sicherheit weiter zu erhöhen. Alternativ können künstliche Intelligenz und maschinelle Lernalgorithmen verwendet werden, um Entfernungsdaten zu analysieren, potenzielle Gefahren vorherzusagen und Frühwarnungen auszugeben, um Unfälle zu verhindern. Durch diese Methoden spielt die präzise Entfernungsmessungsfunktion zwischen M2M und H2M eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit in industriellen Systemen und der Mensch-Roboter-Kollaboration.

Echtzeit-Ortungssysteme können die Sicherheit am Arbeitsplatz und die Betriebseffizienz verbessern

Echtzeit-Lokalisierungssysteme (RTLS) sind Technologien, die in der Lage sind, den Standort von Objekten oder Personen in Echtzeit zu verfolgen und zu überwachen. Sie werden häufig im Sicherheitsmanagement und in der Überwachung der Arbeitseffizienz eingesetzt. Die Schlüsseltechnologien von RTLS sind ziemlich vielfältig. Zum Beispiel kann Ultra-Wideband (UWB)-Technologie eine hochpräzise Positionierung bieten, mit einer Fehlermarge, die normalerweise innerhalb von wenigen Zentimetern liegt, was sie ideal für Anwendungen macht, die präzises Tracking erfordern. Alternativ verfolgen Radiofrequenz-Identifikationssysteme (RFID) den Standort von Gegenständen oder Personen, indem sie Signale zwischen Tags und Lesegeräten übertragen, die typischerweise für Positionierungen mit geringerer Präzision verwendet werden. Auch die Wi-Fi-Positionierung kann eingesetzt werden, basierend auf Signalstärkemessungen, die über bestehende Netzwerk-Infrastrukturen implementiert werden können, aber typischerweise eine geringere Genauigkeit bieten.

Andererseits kann die Bluetooth Low Energy (BLE)-Technologie verwendet werden. BLE-Beacons kommunizieren mit Geräten, indem sie Signale zur Positionsbestimmung senden, was eine moderate Genauigkeit bietet und für Szenarien mit niedrigem Stromverbrauch geeignet ist. Das Global Positioning System (GPS) eignet sich für Außenbereiche, obwohl es in Innenräumen schlecht funktioniert und mehr Energie verbraucht. Zusätzlich können Kameras und Computer Vision-Technologie verwendet werden, um die Position von Objekten oder Personen zu erkennen und zu verfolgen, typischerweise für hochpräzise Innenanwendungen.

RTLS hat ein breites Anwendungsspektrum. Bei der Überwachung der Arbeitssicherheit kann RTLS den Echtzeitstandort von Arbeitern am Arbeitsplatz verfolgen, um sicherzustellen, dass sie keine gefährlichen Bereiche betreten. Wenn sich Arbeiter gefährlichen Geräten oder Bereichen nähern, kann das System Warnungen ausgeben oder die entsprechenden Geräte automatisch stoppen. In Notfällen kann RTLS auch dabei helfen, Arbeiter schnell zu lokalisieren und Rettungsteams für eine rasche Reaktion zu leiten. Außerdem können durch die Analyse der Arbeiteraktivitäten in verschiedenen Bereichen Arbeitsabläufe auf Effizienz bewertet, Aufgabenverteilung optimiert, Zeitverschwendung reduziert und Produktivität verbessert werden.

RTLS hat eine breite Palette von Anwendungen. Im Bereich der Arbeitssicherheitsüberwachung kann RTLS den Standort von Arbeitern in Echtzeit am Arbeitsplatz verfolgen, um sicherzustellen, dass sie keine gefährlichen Bereiche betreten. Wenn Arbeiter sich gefährlichen Maschinen oder Bereichen nähern, kann das System Warnungen ausgeben oder die entsprechenden Geräte automatisch abschalten. In Notfallsituationen kann RTLS auch helfen, Arbeiter schnell zu lokalisieren und Rettungsteams für eine schnelle Reaktion zu leiten. Darüber hinaus können durch die Analyse der Aktivitäten von Arbeitern in verschiedenen Bereichen Arbeitsabläufe auf Effizienz bewertet, die Aufgabenverteilung optimiert, Zeitverschwendung reduziert und die Produktivität gesteigert werden.

Ultra-Wideband-Technologie ermöglicht sichere und präzise Distanzmessungen

UWB-Technologie nutzt die Time of Flight (ToF)-Technologie basierend auf Funkwellen, um sichere und präzise Distanzmessungen durchzuführen. Murata fertigt und entwickelt UWB-Module basierend auf NXP sowie UWB-Module unter Verwendung von Qorvo- und Nordic-Chips.

Das Type 2BP von Murata ist ein ultra-kompaktes UWB-Modul, das den Trimension SR150 UWB-Chipsatz von NXP, Uhr, Filter und periphere Komponenten umfasst und es ideal für allgemeine IoT-Geräte macht. Dieses kleinformatige UWB-Modul unterstützt UWB-Kanäle 5 und 9, mit SPI-Schnittstelle und Unterstützung für 3 Antennen (3D AoA oder 2D AoA). Es hat die FCC/CE-Referenzzertifizierungen bestanden. Es ist mit einer harzgeformten Struktur in Kombination mit einer konformen Abschirmung gefertigt und hat Abmessungen von nur 6,6 × 5,8 × 1,2 mm. Es unterstützt Leistungskalibrierung und Kristallkalibrierung.

Murata hat auch das Evaluierungsboard LBUA0VG2BP-EVK-P zusammen mit dem Type 2BP eingeführt. Das Evaluierungsboard verfügt über Type 2BP und den NXP QN9090 (einen BLE-Chip), einen USB-UART-Konverter-IC und kann über ein USB-Kabel mit Strom versorgt werden. Der QN9090 kann Type 2BP über den COM-Port eines PCs steuern. Dieses Entwicklungskit wurde von Apple® zur Bewertung von UWB-fähigen Zubehörteilen genehmigt, die mit Apple-Produkten mit dem U1-Chip über das Nearby Interaction Framework von Apple interagieren.

Ein weiteres Murata UWB-Modul, das auf NXP UWB-Chipsets basiert, ist Typ 2DK. Dies ist ein All-in-One-UWB-Bluetooth®-LE-Kombinationsmodul, das NXP’s Trimension™ SR040 UWB-Chipset, NXP’s QN9090 Bluetooth® LE und MCU-Chipset, integrierte Antennen und Peripheriekomponenten umfasst und sich ideal für UWB-Tags/Tracker eignet, die von Knopfzellen angetrieben werden, sowie für allgemeine IoT-Geräte. Es hat die FCC/CE-Referenzzertifizierungen bestanden.

Murata bietet auch das LBUA2ZZ2DK-EVK Evaluation Kit in Kombination mit Typ 2DK an. Dieses Evaluation Kit enthält Typ 2DK, einen UART-USB-IC, einen SWD-Port und einen Knopfzellenbatteriefach.

Das Murata-Modul vom Typ 2AB ist als ultra-kompaktes, hochwertiges und energieeffizientes UWB-Modul konzipiert, das es ideal für kleine, batteriebetriebene IoT-Geräte und Anwendungen macht. Typ 2AB verwendet den Qorvo QM33120W UWB-Chipsatz, unterstützt die Kanäle 5 und 9 und hat die FCC/IC/TELEC-Referenzzertifizierung bestanden. Es integriert einen Nordic IC—nRF52840, wodurch es ein hostloses Modul wird. Es verfügt außerdem über Bluetooth Low Energy zur Aktivierung von UWB und für Firmware-Updates. Der integrierte 3-Achsen-Sensor hilft, Batterieleistung zu sparen, und die Referenzuhren für UWB und MCU sind eingebettet. Typ 2AB ist das kleinste und hochintegrierte UWB-Modul auf dem Markt und reduziert die Fläche im Vergleich zu CoB-Lösungen um 75 %. Jedes Gerät ist auf Frequenz, Sendeleistung und Antennenverzögerung kalibriert und kann Multi-Antennen-Design und -Evaluierung unterstützen.

Das LBUA5QJ2AB-828EVB-Evaluierungskit ist eine Evaluierungsplatine für Muratas UWB/Bluetooth Low Energy Module Typ 2AB. Es kann mit Strom versorgt werden, indem das Type-C USB-Terminal auf der Platine über eine USB-Schnittstelle mit einem PC verbunden wird, und es verfügt über einen seriellen Port. Kunden können AT-Befehle über ein serielles Terminal eingeben, um die HF-Leistung zu bewerten. Wenn Kunden die Demo-Firmware in das Modul neu programmieren, können sie auch einfache TWR- und PDoA-Funktionen evaluieren.

Wi-Fi- und Bluetooth-Module für Abstandsmess- und Positionierungsanwendungen

Neben der UWB-Technologie können auch Wi-Fi- und Bluetooth-Technologien für Ortungs- und Positionierungsanwendungen eingesetzt werden. In Kombination ermöglichen Wi-Fi und Bluetooth auch die direkte Verbindung zum Internet, was es zur flexibelsten drahtlosen Technologie für IoT-Produkte macht. Derzeit bietet Murata eine Vielzahl von Wi-Fi®- und Bluetooth-Modulen, die die IEEE 802.11a, 11b, 11g, 11n und 11ac 2×2 MIMO-Standards sowie 2,4GHz- und 5GHz-Bänder unterstützen und für WLAN- und Bluetooth® 4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR/LE-Kommunikation geeignet sind.

Muratas Typ 2AE ist ein kompaktes Hochleistungsmodul, das auf Infineons CYW4373E-Kombinationschipset basiert und Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac in Kombination mit Bluetooth® 5.2 BR/EDR/LE unterstützt. Die PHY-Datenrate bei Wi-Fi® beträgt bis zu 433 Mbps, und Bluetooth® unterstützt eine PHY-Datenrate von 3 Mbps. Der WLAN-Abschnitt unterstützt eine SDIO v3.0 DDR50-Schnittstelle, und der Bluetooth®-Abschnitt unterstützt eine Hochgeschwindigkeits-4-Draht-UART-Schnittstelle sowie PCM für Audiodaten. Sowohl der WLAN- als auch der Bluetooth®-Abschnitt unterstützen ebenfalls USB 2.0-Schnittstellen.

Für die Systementwicklung kann Software auf NXP i.MX (Linux/FreeRTOS) entwickelt werden. Für die RTOS-Entwicklung kann Infineons WICED™-Entwicklungssystem verwendet werden, was den Arbeitsaufwand zur Hinzufügung drahtloser Konnektivität zu Embedded-Geräten erheblich reduziert. Das SDK ermöglicht es Entwicklern, schnell vernetzte Anwendungen für ressourcenbeschränkte Mikrocontroller zu erstellen. In Bezug auf Evaluierungswerkzeuge kann das 2AE M.2-Modul von Embedded Artists auf Linux-Systemen verwendet werden.

Das Type 2EA von Murata ist ein weiteres kompaktes Hochleistungsmodul basierend auf dem CYW55573-Kombichipsatz von Infineon. Es unterstützt Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO und Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE. Wi-Fi® unterstützt eine PHY-Datenrate von bis zu 1,2 Gbps, und Bluetooth® unterstützt eine PHY-Datenrate von 3 Mbit/s bei Legacy Bluetooth (EDR) und 2 Mbit/s bei Bluetooth® LE. Der WLAN-Abschnitt unterstützt PCIe v3.0 Gen 2 und SDIO 3.0 Schnittstellen, während der Bluetooth®-Abschnitt eine Hochgeschwindigkeits-4-Leiter-UART-Schnittstelle und PCM für Audiodaten unterstützt.

Typ 2EA bietet auch Softwarekonfigurationen, die auf NXP i.MX Linux sowie Linux-Treiber/Firmware für die NXP i.MX-Plattform unterstützt werden. Die von Murata empfohlene Evaluierungshardware ist das Embedded Artists' 2EA M.2 Modul.

Type 1XL ist ein kompaktes Hochleistungsmodul basierend auf NXP’s 88W9098 Combo-Chipsatz, das Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO und Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE unterstützt, mit einer PHY-Datenrate von 1200Mbps über Wi-Fi® und 3Mbps über Bluetooth®. Der WLAN-Bereich unterstützt die PCIe 2.0-Schnittstelle, mit optionaler SDIO 3.0-Unterstützung. Der Bluetooth®-Bereich unterstützt eine High-Speed 4-Draht UART-Schnittstelle (optionale SDIO-Unterstützung) und PCM für Audiodaten.

Die Softwareentwicklung wird auch für Konfigurationen auf NXP i.MX Linux unterstützt. Murata empfiehlt das Embedded Artists’ 1XL M.2 Modul für Evaluierungshardware.

Muratas Typ 2DL ist ein kompaktes, leistungsstarkes Modul basierend auf NXPs IW611 Combo-Chipsatz und unterstützt Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax sowie Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE. Wi-Fi® bietet eine PHY-Datenrate von bis zu 601 Mbps, während Bluetooth® eine PHY-Datenrate von 2 Mbps bereitstellt. Der WLAN-Bereich unterstützt eine SDIO v3.0 DDR50 Schnittstelle, und der Bluetooth®-Bereich unterstützt eine Hochgeschwindigkeits-4-Draht-UART-Schnittstelle sowie PCM für Audiodaten.

Die Entwicklungssoftware für Typ 2DL, mit Konfigurationen, die auf NXP i.MX Linux unterstützt werden, steht noch aus. Muratas empfohlenes Evaluierungshardware ist das 2DL M.2 Modul von Embedded Artists.

Fazit

Da industrielle Umgebungen immer komplexer werden und die Nachfrage nach Automatisierung steigt, spielen präzise Abstandsmess- und Positionierungstechnologien eine zunehmend wichtige Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit, Verbesserung der Produktionseffizienz und Optimierung des Ressourcenmanagements. Durch die Implementierung fortschrittlicher Abstandsmess- und Positionierungslösungen wie z.B. Real-Time Location Systems (RTLS), Lasermesstechnik und Ultra-Wideband (UWB)-Technologie können Unternehmen nicht nur die betriebliche Effizienz erheblich steigern, sondern auch einen Wettbewerbsvorteil im intelligenten Management erzielen. Murata produziert eine Vielzahl von UWB- und WiFi/Bluetooth-Modulen, und obwohl Abstandsmess- und Positionierungsanwendungsfälle eher zur „Systeme/Lösungen“-Sparte als zum Modulgeschäft gehören, wird erwartet, dass industrielle RTLS-Anwendungen ein wachsender Markt sind. Angesichts des Bedarfs an Anpassungen und begrenzter Skalierbarkeit kann Murata mit Drittanbietersoftware und Herstellern auf dem Markt zusammenarbeiten, um aktiv in dieses Feld einzusteigen.