産業環境における距離測定および位置決めソリューション

正確な距離測定は、産業システムの効率と安全性を確保します

M2M（マシン間）およびH2M（人とマシン間）の相互作用における正確な距離測定を活用することで、特に産業オートメーション、インテリジェント輸送、人とロボットの協働などのさまざまなアプリケーションにおいて安全性を向上させることができます。距離測定アプリケーションでは、超音波、レーダー、LiDAR（光検出と測距）、またはUWB（超広帯域）などの技術が一般的に使用されます。これらの技術は、1メートル未満またはセンチメートル単位の測定精度を提供することができます。マシンや人との間の距離をリアルタイムで測定することで、正確な位置情報が生成され、それをアルゴリズムを用いて処理することが可能です。

産業環境において、衝突回避システムは重要です。自動化装置とロボットの間の正確な距離測定は、衝突を防止し、安全な操作を確保することができます。また、機械間の正確な距離測定は、移動経路の最適化に役立ち、不要なエネルギー消費や摩耗を削減し、システムの効率性と安全性を向上させることができます。

人間とロボットが協力する環境では、安全性が最重要です。距離測定技術を使用して人間とロボットの間の距離をリアルタイムで監視することで、システムは人間があまりにも近くに検知された場合にロボットの速度を自動的に遅らせたり停止したりして衝突を防ぐことができます。さらに、距離測定技術は危険なエリアを監視し、人間の作業者が誤って危険な作業ゾーンに侵入しないようにすることができます。

現在、複数の安全対策を採用することができます。例えば、マルチセンサーフュージョンでは、距離測定技術やセンサーデータ（カメラや赤外線センサーなど）を組み合わせることで、距離測定の信頼性と精度を向上させ、安全性をさらに強化します。別の方法として、人工知能や機械学習アルゴリズムを使用して距離データを分析し、潜在的な危険を予測して早期警告を発し、事故を防ぐことができます。これらの方法を通じて、M2MおよびH2M間の正確な距離測定機能は、産業システムや人間とロボットの協調作業における安全性確保に重要な役割を果たします。

リアルタイム位置情報システムは職場の安全性と運用効率を向上させることができます

リアルタイム位置測位システム (RTLS) は、物体や人の位置をリアルタイムで追跡および監視することができる技術です。これらは、安全管理や作業効率の監視に広く利用されています。RTLSの主要な技術は非常に多岐にわたります。たとえば、UWB (Ultra-Wideband) 技術は高精度な位置測定を提供でき、誤差範囲は通常数センチ以内であり、精密な追跡が求められるアプリケーションに理想的です。一方で、RFID (Radio Frequency Identification) システムは、タグとリーダー間で信号を送信することで物品や人の位置を追跡し、通常は低精度なポジショニングに使用されます。また、Wi-Fiポジショニングも利用可能で、信号強度の測定に基づいて動作し、既存のネットワークインフラ上で展開可能ですが、通常は精度が低くなります。

一方で、Bluetooth Low Energy (BLE) 技術を使用することができます。BLEビーコンは位置決定のために信号を送信してデバイスと通信し、中程度の精度を提供し、低消費電力のシナリオに適しています。Global Positioning System (GPS) は屋外環境に適していますが、屋内では性能が低下し、より多くの電力を消費します。さらに、カメラおよびコンピュータビジョン技術を使用して、物体や人の位置を検出して追跡することができ、通常、高精度な屋内アプリケーションに使用されます。

RTLSは幅広い用途があります。労働者の安全監視において、RTLSは職場内での労働者のリアルタイム位置を追跡し、危険なエリアに入らないよう保証します。労働者が危険な機器やエリアに近づいた場合、システムは警告を発したり、該当する機器を自動的に停止させたりすることができます。緊急事態においては、RTLSは迅速に労働者を特定し、救助チームを誘導して迅速な対応を支援することも可能です。さらに、異なるエリアでの労働者の活動を分析することで、作業工程の効率を評価し、タスクの割り当てを最適化し、時間の無駄を減らし、生産性を向上させることができます。

RTLSは広範囲にわたる用途があります。作業者の安全監視では、RTLSは作業場で作業者のリアルタイムな位置を追跡し、危険なエリアに入らないよう確認することができます。作業者が危険な機器やエリアに近づいた場合、システムが警告を発するか、関連する機器を自動的に停止させることができます。緊急事態では、RTLSは作業者の居場所を迅速に特定し、救助チームを誘導して即時対応を行うことにも役立ちます。また、作業者の活動をさまざまなエリアで分析することで、ワークフローの効率性を評価したり、タスクの割り当てを最適化したり、時間の浪費を削減して生産性を向上させることができます。

超広帯域技術は、安全かつ正確な距離測定を可能にします

UWB技術は、無線波に基づくTime of Flight (ToF)技術を使用して、安全で精密な距離測定を実行します。村田製作所は、NXPをベースとしたUWBモジュールや、QorvoおよびNordicチップを使用したUWBモジュールを製造・開発しています。

村田製作所のType 2BPは、NXPのTrimension SR150 UWBチップセット、クロック、フィルタ、周辺部品を含む超小型UWBモジュールで、一般的なIoTデバイスに最適です。この小型UWBモジュールは、UWBチャネル5および9をサポートし、SPIインターフェースと3アンテナサポート（3D AoAまたは2D AoA）を備えています。また、FCC/CEのリファレンス認証に合格しています。樹脂成形構造とコンフォーマルシールドを組み合わせて作られており、寸法はわずか6.6 × 5.8 × 1.2 mmです。電力校正とクリスタル校正をサポートしています。

村田製作所はまた、Type 2BPと組み合わせた評価ボードLBUA0VG2BP-EVK-Pを発売しました。評価ボードにはType 2BPとNXP QN9090（BLEチップ）、USB-UART変換ICが搭載されており、USBケーブルを介して電源供給が可能です。QN9090は、PCのCOMポートを通じてType 2BPを制御することができます。この開発キットは、Apple®のNearby Interactionフレームワークを使用して、U1チップを搭載したApple製品と相互作用するUWB対応アクセサリを評価するためにApple®によって承認されています。

NXP UWBチップセットを基にしたもう一つの村田製作所のUWBモジュールはType 2DKです。これは、NXPのTrimension™ SR040 UWBチップセット、NXPのQN9090 Bluetooth® LEおよびMCUチップセット、オンボードアンテナ、周辺コンポーネントを含むオールインワンのUWB-Bluetooth® LEコンボモジュールであり、コイン電池で動作するUWBタグ/トラッカーや一般的なIoTデバイスに最適です。また、FCC/CEの基準認証に合格しています。

村田製作所は、Type 2DK と組み合わせた LBUA2ZZ2DK-EVK 評価キットも提供しています。この評価キットには、Type 2DK、UART-USB IC、SWD ポート、およびコイン電池ホルダーが含まれています。

村田製作所のType 2ABモジュールは、超小型、高品質、低消費電力のUWBモジュールとして設計されており、小型のバッテリー駆動のIoTデバイスやアプリケーションに理想的です。Type 2ABはQorvo QM33120W UWBチップセットを使用し、チャネル5および9に対応しており、FCC/IC/TELECのリファレンス認証を取得しています。Nordic IC—nRF52840を統合しているため、ホスト不要のモジュールです。また、Bluetooth Low Energy を備えており、UWBの起動やファームウェア更新が可能です。統合された3軸センサーはバッテリー消費を抑え、UWBおよびMCU用の基準クロックが組み込まれています。Type 2ABは市場で最も小型の高集積UWBモジュールであり、CoBソリューションと比較して面積を75%削減しています。各デバイスは周波数、送信パワー、アンテナ遅延について校正されており、マルチアンテナ設計や評価をサポートできます。

LBUA5QJ2AB-828EVB評価キットは、MurataのUWB/Bluetooth Low EnergyモジュールType 2AB用の評価ボードです。このボードは、Type-C USB端子をUSBインターフェースを介してPCに接続することで電源供給が可能で、シリアルポートを備えています。お客様はシリアルターミナルを通じてATコマンドを入力することで、RF性能を評価できます。また、デモファームウェアをモジュールに再プログラムすることで、簡単なTWRおよびPDoA機能の評価も可能です。

レンジングおよびポジショニング用途向けのWi-FiおよびBluetoothモジュール

UWB技術に加えて、Wi-FiおよびBluetooth技術も測距および位置決めアプリケーションに使用することができます。Wi-FiとBluetoothを組み合わせることで、インターネットへの直接接続が可能となり、IoT製品に最も柔軟なワイヤレス技術を提供します。現在、村田製作所はIEEE 802.11a、11b、11g、11n、および11ac 2×2 MIMO規格、さらに2.4GHzおよび5GHz帯域のWi-Fi®およびBluetoothモジュールを多種提供しており、WLANおよびBluetooth® 4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR/LE通信に適しています。

村田製作所のType 2AEは、InfineonのCYW4373Eコンボチップセットに基づいた、コンパクトで高性能なモジュールで、Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/acとBluetooth® 5.2 BR/EDR/LEをサポートしています。Wi-Fi®のPHYデータレートは最大433Mbps、Bluetooth®は3MbpsのPHYデータレートをサポートします。WLANセクションはSDIO v3.0 DDR50インターフェースをサポートしており、Bluetooth®セクションは高速4線UARTインターフェースおよび音声データ用PCMをサポートしています。さらに、WLANおよびBluetooth®セクションはUSB 2.0インターフェースもサポートしています。

システム開発において、ソフトウェアはNXP i.MX（Linux/FreeRTOS）上で開発することができます。RTOS開発に関しては、InfineonのWICED™開発システムを使用することで、組込みデバイスにワイヤレス接続を追加する作業負担を大幅に軽減できます。SDKを利用することで、リソースが限られたマイコン向けのネットワーク対応アプリケーションを迅速に作成することが可能です。評価ツールに関しては、Embedded Artistsの2AE M.2モジュールをLinuxシステム上で使用することができます。

村田製作所のType 2EAは、InfineonのCYW55573コンボチップセットに基づく、もう一つのコンパクトで高性能なモジュールです。Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMOおよびBluetooth® 5.3 BR/EDR/LEをサポートしています。Wi-Fi®は最大1.2GbpsのPHYデータレートをサポートし、Bluetooth®はLegacy Bluetooth (EDR)で3Mbps、Bluetooth® LEで2MbpsのPHYデータレートをサポートします。WLANセクションはPCIe v3.0 Gen 2およびSDIO 3.0インターフェースをサポートし、Bluetooth®セクションは高速4線UARTインターフェースおよびオーディオデータ用PCMをサポートしています。

Type 2EA は、NXP i.MX Linux 上でサポートされるソフトウェア構成や、NXP i.MX プラットフォーム向けの Linux ドライバー/ファームウェアも備えています。村田による推奨評価用ハードウェアは、Embedded Artists の 2EA M.2 モジュールです。

Type 1XLは、NXPの88W9098コンボチップセットをベースにしたコンパクトで高性能なモジュールであり、Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMOおよびBluetooth® 5.3 BR/EDR/LEをサポートしています。Wi-Fi®のPHYデータレートは1200Mbps、Bluetooth®のPHYデータレートは3Mbpsです。WLANセクションはPCIe 2.0インターフェースをサポートしており、オプションとしてSDIO 3.0のサポートが可能です。Bluetooth®セクションは高速な4線式UARTインターフェース（オプションとしてSDIOサポート）および音声データ用のPCMをサポートしています。

ソフトウェア開発は、NXP i.MX Linuxの構成でもサポートされています。Murataは、評価用ハードウェアとしてEmbedded Artistsの1XL M.2モジュールを推奨しています。

村田製作所のType 2DLは、NXPのIW611コンボチップセットに基づく、コンパクトで高性能なモジュールで、Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/axおよびBluetooth® 5.3 BR/EDR/LEをサポートしています。Wi-Fi®は最大601MbpsのPHYデータレートを提供し、Bluetooth®は2MbpsのPHYデータレートを提供します。WLANセクションはSDIO v3.0 DDR50インターフェースをサポートし、Bluetooth®セクションは高速な4線式UARTインターフェースおよび音声データ用のPCMをサポートしています。

Type 2DL向けの開発ソフトウェアは、NXP i.MX Linux上でサポートされる構成とともに、まだ保留中です。村田製作所の推奨評価用ハードウェアは、Embedded Artistsの2DL M.2モジュールです。

結論

産業環境がますます複雑化し、自動化の需要が増加する中、精密な測距および位置決め技術は、安全の確保、生産効率の向上、資源管理の最適化においてますます重要な役割を果たしています。リアルタイム位置測定システム (RTLS)、レーザー測距技術、超広帯域 (UWB) 技術など、先進的な測距と位置決めソリューションを導入することで、企業は運用効率を大幅に向上させるだけでなく、インテリジェントな管理において競争力を得ることができます。村田製作所は、多種多様なUWBおよびWiFi/Bluetoothモジュールを製造しており、測距および位置決めのユースケースはモジュール事業ではなく「システム/ソリューション」事業に分類されるものの、産業用RTLSアプリケーションは成長市場になると期待されています。カスタマイズの必要性やスケーラビリティの制限を考慮すると、村田製作所はこの分野に積極的に参入するため、市場のサードパーティ製ソフトウェアやメーカーと協力することができます。