Soluzioni di misurazione della distanza e di posizionamento in ambienti industriali

La misurazione precisa della distanza garantisce efficienza e sicurezza nei sistemi industriali

Utilizzando la misurazione precisa della distanza tra le interazioni M2M (machine-to-machine) e H2M (human-to-machine), la sicurezza può essere migliorata in varie applicazioni, specialmente nell'automazione industriale, nel trasporto intelligente e nella collaborazione uomo-robot. Le applicazioni di misurazione della distanza utilizzano tipicamente tecnologie come ultrasuoni, radar, LiDAR (rilevamento e misurazione della luce), o ultra-wideband (UWB). Queste tecnologie possono fornire un'accuratezza di misurazione a livello di sottometro o addirittura di centimetro. Misurando la distanza tra macchine o persone in tempo reale, è possibile generare e elaborare informazioni precise sulla posizione utilizzando algoritmi.

Negli ambienti industriali, i sistemi di evitamento delle collisioni sono fondamentali. La misurazione precisa della distanza tra le apparecchiature automatiche e i robot può prevenire collisioni e garantire un funzionamento sicuro. Inoltre, la misurazione precisa della distanza tra le macchine può aiutare a ottimizzare i loro percorsi di movimento, riducendo il consumo energetico non necessario e l'usura, migliorando così l'efficienza e la sicurezza del sistema.

Negli ambienti in cui gli esseri umani collaborano con i robot, la sicurezza è fondamentale. Utilizzando la tecnologia di misurazione della distanza per monitorare in tempo reale la distanza tra gli esseri umani e i robot, il sistema può rallentare automaticamente o fermare il robot quando viene rilevato che una persona si trova troppo vicino, prevenendo collisioni. Inoltre, la misurazione della distanza può monitorare le aree pericolose, garantendo che gli operatori umani non entrino inavvertitamente in zone di lavoro pericolose.

Attualmente, è possibile adottare diverse approcci di sicurezza, come la fusione multi-sensore, che combina varie tecnologie di misurazione della distanza e dati dei sensori (ad esempio, telecamere, sensori a infrarossi) per migliorare l'affidabilità e la precisione della misurazione della distanza, aumentando ulteriormente la sicurezza. In alternativa, algoritmi di intelligenza artificiale e machine learning possono essere utilizzati per analizzare i dati sulla distanza, prevedere potenziali pericoli e emettere avvisi tempestivi per prevenire incidenti. Attraverso questi metodi, la funzione di misurazione precisa della distanza tra M2M e H2M svolge un ruolo fondamentale nel garantire la sicurezza nei sistemi industriali e nella collaborazione tra esseri umani e robot.

I sistemi di localizzazione in tempo reale possono migliorare la sicurezza sul lavoro e l'efficienza operativa

Real-Time Location Systems (RTLS) are technologies capable of tracking and monitoring the location of objects or people in real-time. They are widely used in safety management and worker efficiency monitoring. The key technologies of RTLS are quite varied. For example, Ultra-Wideband (UWB) technology can provide high-precision positioning, with an error margin usually within a few centimeters, making it ideal for applications that require precise tracking. Alternatively, Radio Frequency Identification (RFID) systems track the location of items or people by transmitting signals between tags and readers, typically used for lower-precision positioning. Wi-Fi positioning can also be employed, based on signal strength measurements, which can be deployed over existing network infrastructures but typically offer lower accuracy.

D'altra parte, è possibile utilizzare la tecnologia Bluetooth Low Energy (BLE). I beacon BLE comunicano con i dispositivi inviando segnali per il posizionamento, offrendo una precisione moderata ed essendo adatti a scenari a bassa potenza. Il Global Positioning System (GPS) è adatto per ambienti esterni, anche se ha prestazioni scarse al chiuso e consuma più energia. Inoltre, possono essere utilizzate telecamere e tecnologia di visione artificiale per rilevare e tracciare la posizione di oggetti o persone, tipicamente per applicazioni indoor ad alta precisione.

RTLS ha una vasta gamma di applicazioni. Nel monitoraggio della sicurezza dei lavoratori, RTLS può tracciare la posizione in tempo reale dei lavoratori nel luogo di lavoro per garantire che non entrino in aree pericolose. Se i lavoratori si avvicinano ad attrezzature o aree pericolose, il sistema può emettere avvisi o interrompere automaticamente l'attrezzatura pertinente. In situazioni di emergenza, RTLS può anche aiutare a localizzare rapidamente i lavoratori e guidare le squadre di soccorso per una risposta rapida. Inoltre, analizzando l'attività dei lavoratori in diverse aree, i flussi di lavoro possono essere valutati per efficienza, l'assegnazione dei compiti può essere ottimizzata, si può ridurre lo spreco di tempo e migliorare la produttività.

RTLS ha una vasta gamma di applicazioni. Nel monitoraggio della sicurezza dei lavoratori, RTLS può tracciare la posizione in tempo reale dei lavoratori sul posto di lavoro per garantire che non entrino in aree pericolose. Se i lavoratori si avvicinano a attrezzature o aree pericolose, il sistema può emettere avvisi o fermare automaticamente l'attrezzatura pertinente. In situazioni di emergenza, RTLS può anche aiutare a localizzare rapidamente i lavoratori e guidare le squadre di soccorso per una risposta rapida. Inoltre, analizzando l'attività dei lavoratori in diverse aree, è possibile valutare l'efficienza dei flussi di lavoro, ottimizzare l'assegnazione dei compiti, ridurre il tempo sprecato e migliorare la produttività.

La tecnologia Ultra-Wideband consente misurazioni della distanza sicure e precise

La tecnologia UWB utilizza la tecnologia Time of Flight (ToF) basata su onde radio per effettuare misurazioni di distanza sicure e precise. Murata produce e sviluppa moduli UWB basati su NXP, oltre a moduli UWB che utilizzano chip Qorvo e Nordic.

Il Type 2BP di Murata è un modulo UWB ultra-compatto, che include il chipset UWB Trimension SR150 di NXP, orologio, filtri, e componenti periferici, rendendolo ideale per dispositivi IoT generali. Questo modulo UWB di piccole dimensioni supporta i canali UWB 5 e 9, con interfaccia SPI e supporto per 3 antenne (3D AoA o 2D AoA). Ha superato le certificazioni di riferimento FCC/CE. È realizzato con una struttura modellata in resina combinata con schermatura conformale, con dimensioni di soli 6,6 × 5,8 × 1,2 mm. Supporta la calibrazione della potenza e la calibrazione del cristallo.

Murata ha lanciato anche la scheda di valutazione LBUA0VG2BP-EVK-P abbinata a Type 2BP. La scheda di valutazione presenta Type 2BP e NXP QN9090 (un chip BLE), un IC convertitore USB-UART, e può essere alimentata tramite un cavo USB. Il QN9090 può controllare Type 2BP tramite la porta COM di un PC. Questo kit di sviluppo è stato approvato da Apple® per la valutazione degli accessori abilitati UWB, che interagiscono con i prodotti Apple contenenti il chip U1 utilizzando il framework di Nearby Interaction di Apple.

Un altro modulo UWB di Murata basato su chipset NXP UWB è il Type 2DK. Questo è un modulo combo UWB-Bluetooth® LE tutto-in-uno che include il chipset Trimension™ SR040 UWB di NXP, il chipset QN9090 Bluetooth® LE e MCU di NXP, antenne integrate e componenti periferici, rendendolo ideale per tag/tracker UWB alimentati da batterie a bottone, nonché per dispositivi IoT generali. E ha superato le certificazioni di riferimento FCC/CE.

Murata offre anche il kit di valutazione LBUA2ZZ2DK-EVK abbinato al Type 2DK. Questo kit di valutazione include il Type 2DK, un IC UART-USB, una porta SWD e un portabatterie a bottone.

Il modulo Type 2AB di Murata è progettato come un modulo UWB ultra-compatto, di alta qualità e a basso consumo energetico, rendendolo ideale per dispositivi e applicazioni IoT alimentati a batteria di piccole dimensioni. Il Type 2AB utilizza il chipset UWB Qorvo QM33120W, supporta i canali 5 e 9 e ha superato la certificazione di riferimento FCC/IC/TELEC. Integra un IC Nordic—nRF52840, rendendolo un modulo senza host. Dispone inoltre di Bluetooth Low Energy per attivare il UWB e aggiornamenti firmware. Il sensore a 3 assi integrato aiuta a risparmiare energia della batteria, e l'orologio di riferimento per UWB e MCU sono integrati. Il Type 2AB è il modulo UWB più piccolo e altamente integrato sul mercato, riducendo l'area del 75% rispetto alle soluzioni CoB. Ogni dispositivo è calibrato per frequenza, potenza di trasmissione e ritardo dell'antenna e può supportare la progettazione e valutazione multi-antenna.

Il kit di valutazione LBUA5QJ2AB-828EVB è una scheda di valutazione per il modulo UWB/Bluetooth Low Energy di Murata, Tipo 2AB. Può essere alimentato collegando il terminale USB Type-C presente sulla scheda a un PC tramite un'interfaccia USB e dispone di una porta seriale. I clienti possono inserire comandi AT tramite un terminale seriale per valutare le prestazioni RF. Se i clienti riprogrammano il firmware dimostrativo nel modulo, possono anche valutare semplici funzioni TWR e PDoA.

Moduli Wi-Fi e Bluetooth per applicazioni di portata e posizionamento

Oltre alla tecnologia UWB, anche le tecnologie Wi-Fi e Bluetooth possono essere utilizzate per applicazioni di ranging e posizionamento. Quando combinati, Wi-Fi e Bluetooth consentono anche la connessione diretta a Internet, rendendola la tecnologia wireless più flessibile per i prodotti IoT. Attualmente, Murata offre una varietà di moduli Wi-Fi® e Bluetooth che supportano gli standard IEEE 802.11a, 11b, 11g, 11n e 11ac 2×2 MIMO, oltre alle bande 2.4GHz e 5GHz, adatti per la comunicazione WLAN e Bluetooth® 4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR/LE.

Il modello Type 2AE di Murata è un modulo compatto e ad alte prestazioni basato sul chipset combo CYW4373E di Infineon, che supporta Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac combinato con Bluetooth® 5.2 BR/EDR/LE. Il PHY data rate su Wi-Fi® arriva fino a 433Mbps, e il Bluetooth® supporta un PHY data rate di 3Mbps. La sezione WLAN supporta un'interfaccia SDIO v3.0 DDR50, e la sezione Bluetooth® supporta un'interfaccia UART a 4 fili ad alta velocità e PCM per dati audio. Entrambe le sezioni WLAN e Bluetooth® supportano anche le interfacce USB 2.0.

Per lo sviluppo del sistema, il software può essere sviluppato su NXP i.MX (Linux/FreeRTOS). Per lo sviluppo di RTOS, può essere utilizzato il sistema di sviluppo WICED™ di Infineon, riducendo significativamente il carico di lavoro per aggiungere la connettività wireless ai dispositivi embedded. L'SDK consente agli sviluppatori di creare rapidamente applicazioni connesse in rete per microcontrollori con risorse limitate. In termini di strumenti di valutazione, il modulo 2AE M.2 di Embedded Artists può essere utilizzato su sistemi Linux.

Il Type 2EA di Murata è un altro modulo compatto e ad alte prestazioni basato sul chipset combo CYW55573 di Infineon. Supporta Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO e Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE. Il Wi-Fi® supporta una velocità dati PHY fino a 1,2 Gbps, e il Bluetooth® supporta una velocità dati PHY di 3 Mbps su Legacy Bluetooth (EDR) e 2 Mbps su Bluetooth® LE. La sezione WLAN supporta interfacce PCIe v3.0 Gen 2 e SDIO 3.0, mentre la sezione Bluetooth® supporta un'interfaccia UART a 4 fili ad alta velocità e PCM per i dati audio.

Il tipo 2EA presenta anche configurazioni software supportate su NXP i.MX Linux e driver/firmware Linux per la piattaforma NXP i.MX. L'hardware di valutazione consigliato da Murata è il modulo Embedded Artists’ 2EA M.2.

Il Tipo 1XL è un modulo compatto e ad alte prestazioni basato sul chipset combinato 88W9098 di NXP, che supporta Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO e Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE, con una velocità di trasmissione dati PHY di 1200 Mbps su Wi-Fi® e 3 Mbps su Bluetooth®. La sezione WLAN supporta l'interfaccia PCIe 2.0, con supporto SDIO 3.0 opzionale. La sezione Bluetooth® supporta un'interfaccia UART ad alta velocità a 4 fili (supporto opzionale SDIO) e PCM per dati audio.

Lo sviluppo software è supportato anche per le configurazioni su NXP i.MX Linux. Murata raccomanda il modulo Embedded Artists’ 1XL M.2 per l'hardware di valutazione.

Il type 2DL di Murata è un modulo compatto e ad alte prestazioni basato sul chipset combo IW611 di NXP, che supporta Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax e Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE. Wi-Fi® offre una velocità di trasmissione dati PHY fino a 601 Mbps, mentre il Bluetooth® fornisce una velocità dati PHY di 2 Mbps. La sezione WLAN supporta un'interfaccia SDIO v3.0 DDR50, e la sezione Bluetooth® supporta un'interfaccia UART a 4 fili ad alta velocità e PCM per i dati audio.

Il software di sviluppo per Type 2DL, con configurazioni supportate su NXP i.MX Linux, è ancora in sospeso. L'hardware di valutazione raccomandato da Murata è il modulo Embedded Artists’ 2DL M.2.

Conclusione

Con l'aumentare della complessità degli ambienti industriali e della domanda di automazione, le tecnologie di misurazione e posizionamento precise stanno giocando un ruolo sempre più importante nel garantire la sicurezza, migliorare l'efficienza produttiva e ottimizzare la gestione delle risorse. Implementando soluzioni avanzate di misurazione e posizionamento, come i sistemi di localizzazione in tempo reale (RTLS), la tecnologia di misurazione laser e la tecnologia Ultra-Wideband (UWB), le aziende possono non solo migliorare significativamente l'efficienza operativa, ma anche ottenere un vantaggio competitivo nella gestione intelligente. Murata produce una varietà di moduli UWB e WiFi/Bluetooth, e mentre i casi d'uso di misurazione e posizionamento rientrano nel business dei "sistemi/soluzioni" piuttosto che nel business dei moduli, ci si aspetta che le applicazioni RTLS industriali siano un mercato in crescita. Data la necessità di personalizzazione e la limitata scalabilità, Murata può collaborare con software e produttori di terze parti nel mercato per entrare attivamente in questo settore.