Distanzmessung und Positionierungslösungen in industriellen Umgebungen

Präzise Distanzmessung gewährleistet Effizienz und Sicherheit in industriellen Systemen

Durch die präzise Distanzmessung zwischen M2M- (Maschine-zu-Maschine) und H2M- (Mensch-zu-Maschine) Interaktionen kann die Sicherheit in verschiedenen Anwendungen verbessert werden, insbesondere in der industriellen Automatisierung, im intelligenten Verkehr und bei der Mensch-Roboter-Kollaboration. Anwendungen zur Distanzmessung verwenden typischerweise Technologien wie Ultraschall, Radar, LiDAR (Light Detection and Ranging) oder Ultra-Wideband (UWB). Diese Technologien können Messgenauigkeiten im Sub-Meter- oder sogar Zentimeterbereich bieten. Durch die Echtzeitmessung der Entfernung zwischen Maschinen oder Personen kann präzise Standortinformation erzeugt und mithilfe von Algorithmen verarbeitet werden.

In industriellen Umgebungen sind Kollisionsvermeidungssysteme entscheidend. Präzise Abstandsmessungen zwischen automatisierten Geräten und Robotern können Kollisionen verhindern und einen sicheren Betrieb gewährleisten. Darüber hinaus können präzise Abstandsmessungen zwischen Maschinen dazu beitragen, ihre Bewegungswege zu optimieren, unnötigen Energieverbrauch und Verschleiß zu reduzieren und somit die Systemeffizienz und Sicherheit zu verbessern.

In Umgebungen, in denen Menschen mit Robotern zusammenarbeiten, hat Sicherheit oberste Priorität. Durch den Einsatz von Distanzmesstechnologie, die den Abstand zwischen Menschen und Robotern in Echtzeit überwacht, kann das System den Roboter automatisch verlangsamen oder stoppen, wenn ein Mensch zu nah erkannt wird, um Kollisionen zu vermeiden. Darüber hinaus kann die Distanzmessung gefährliche Bereiche überwachen, um sicherzustellen, dass menschliche Bediener nicht versehentlich in gefährliche Arbeitszonen eintreten.

Derzeit können mehrere Sicherheitsansätze angewendet werden, wie beispielsweise die Multisensor-Fusion, die verschiedene Distanzmesstechnologien und Sensordaten (z. B. Kameras, Infrarotsensoren) kombiniert, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Distanzmessung zu verbessern und so die Sicherheit weiter zu erhöhen. Alternativ können künstliche Intelligenz und maschinelle Lernalgorithmen genutzt werden, um Distanzdaten zu analysieren, potenzielle Gefahren vorherzusagen und frühzeitige Warnungen auszugeben, um Unfälle zu vermeiden. Durch diese Methoden spielt die präzise Distanzmessfunktion zwischen M2M und H2M eine entscheidende Rolle für die Sicherstellung der Sicherheit in industriellen Systemen und der Mensch-Roboter-Kollaboration.

Echtzeit-Ortungssysteme können die Sicherheit am Arbeitsplatz und die operative Effizienz verbessern

Real-Time Location Systems (RTLS) sind Technologien, die in der Lage sind, Objekte oder Personen in Echtzeit zu verfolgen und deren Standort zu überwachen. Sie werden häufig im Sicherheitsmanagement und zur Überwachung der Arbeitseffizienz eingesetzt. Die Schlüsseltechnologien von RTLS sind recht vielfältig. Beispielsweise kann die Ultra-Wideband (UWB)-Technologie eine hochpräzise Positionsbestimmung ermöglichen, mit einer Fehlergrenze, die normalerweise nur wenige Zentimeter beträgt. Dies macht sie ideal für Anwendungen, die eine präzise Verfolgung erfordern. Alternativ erfassen Radio Frequency Identification (RFID)-Systeme die Position von Objekten oder Personen durch Signale, die zwischen Tags und Lesegeräten übertragen werden, und werden typischerweise für Positionsbestimmungen mit geringerer Genauigkeit eingesetzt. Auch die Positionsbestimmung über WLAN kann verwendet werden, basierend auf Messungen der Signalstärke, die über bestehende Netzwerk-Infrastrukturen eingesetzt werden kann, jedoch meist eine geringere Genauigkeit bietet.

Andererseits kann die Bluetooth Low Energy (BLE)-Technologie verwendet werden. BLE-Beacons kommunizieren mit Geräten, indem sie Signale zur Positionierung senden, wobei sie eine moderate Genauigkeit bieten und für Szenarien mit niedrigem Energiebedarf geeignet sind. Das Global Positioning System (GPS) ist für Außenumgebungen geeignet, funktioniert jedoch in Innenbereichen schlecht und verbraucht mehr Energie. Darüber hinaus können Kameras und Computer-Vision-Technologie verwendet werden, um den Standort von Objekten oder Personen zu erkennen und zu verfolgen, normalerweise für hochpräzise Anwendungen im Innenbereich.

RTLS hat ein breites Anwendungsspektrum. Bei der Überwachung der Arbeitssicherheit kann RTLS den Echtzeitstandort von Arbeitnehmern im Arbeitsbereich verfolgen, um sicherzustellen, dass sie keine gefährlichen Bereiche betreten. Wenn sich Arbeiter gefährlichem Gerät oder Gefahrenbereichen nähern, kann das System Warnungen ausgeben oder die entsprechenden Geräte automatisch stoppen. In Notsituationen kann RTLS außerdem helfen, Arbeiter schnell zu lokalisieren und Rettungsteams für eine rasche 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.

RTLS hat ein breites Anwendungsspektrum. Bei der Überwachung der Arbeitssicherheit kann RTLS die Echtzeitposition von Mitarbeitern im Arbeitsumfeld verfolgen, um sicherzustellen, dass sie keine Gefahrenbereiche betreten. Wenn sich Mitarbeiter gefährlichen Geräten oder Bereichen nähern, kann das System Warnungen ausgeben oder die entsprechenden Geräte automatisch stoppen. In Notfallsituationen kann RTLS zudem dabei helfen, Mitarbeiter schnell zu lokalisieren und Rettungsteams für eine schnelle Reaktion zu leiten. Darüber hinaus können durch die Analyse der Mitarbeiteraktivitäten in verschiedenen Bereichen Arbeitsabläufe auf Effizienz geprüft, die Aufgabenverteilung optimiert, Zeitverschwendung reduziert und die Produktivität gesteigert werden.

Die Ultra-Wideband-Technologie ermöglicht sichere und präzise Distanzmessungen

UWB-Technologie nutzt die Time-of-Flight-(ToF)-Technologie auf Basis von Radiowellen, um sichere und präzise Distanzmessungen durchzuführen. Murata stellt UWB-Module auf Basis von NXP her und entwickelt sie, ebenso wie UWB-Module mit Chips von Qorvo und Nordic.

Muratas Typ 2BP ist ein ultra-kompaktes UWB-Modul, das den Trimension SR150 UWB-Chipsatz von NXP, eine Uhr, Filter und Peripheriekomponenten integriert und ideal für allgemeine IoT-Geräte ist. Dieses kleinformatige UWB-Modul unterstützt UWB-Kanäle 5 und 9, verfügt über eine SPI-Schnittstelle sowie Unterstützung für 3 Antennen (3D AoA oder 2D AoA). Es hat die FCC/CE-Referenzzertifizierungen bestanden. Das Modul besteht aus einer harzgeformten Struktur mit konformer Abschirmung und hat Abmessungen von nur 6,6 × 5,8 × 1,2 mm. Es unterstützt Leistungskalibrierung und Kristallkalibrierung.

Murata hat ebenfalls das Evaluierungsboard LBUA0VG2BP-EVK-P zusammen mit Type 2BP auf den Markt gebracht. Das Evaluierungsboard verfügt über Type 2BP und 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® für die Evaluierung von UWB-fähigen Zubehörteilen zugelassen, die mit Apple-Produkten mit U1-Chip über Apples Nearby Interaction Framework interagieren.

Ein weiteres Murata UWB-Modul basierend auf NXP UWB-Chipsätzen ist das Type 2DK. Dabei handelt es sich um ein All-in-One UWB-Bluetooth® LE-Kombimodul, das NXP’s Trimension™ SR040 UWB-Chipsatz, NXP’s QN9090 Bluetooth® LE- und MCU-Chipsatz, integrierte Antennen und Peripheriekomponenten umfasst. Es ist ideal für UWB-Tags/Tracker, die von Knopfzellenbatterien betrieben werden, sowie für allgemeine IoT-Geräte. Das Modul hat zudem die FCC/CE-Referenzzertifizierungen bestanden.

Murata bietet außerdem das LBUA2ZZ2DK-EVK Evaluierungskit zusammen mit Typ 2DK an. Dieses Evaluierungskit umfasst Typ 2DK, einen UART-USB-IC, einen SWD-Port und einen Batteriehalter für Knopfzellen.

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

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

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

Zusätzlich zur UWB-Technologie können auch Wi-Fi- und Bluetooth-Technologien für Mess- und Positionsanwendungen eingesetzt werden. In Kombination ermöglichen Wi-Fi und Bluetooth zudem die direkte Verbindung zum Internet, was sie zur flexibelsten drahtlosen Technologie für IoT-Produkte macht. Derzeit bietet Murata eine Vielzahl an Wi-Fi®- und Bluetooth-Modulen an, die die IEEE 802.11a, 11b, 11g, 11n und 11ac 2×2 MIMO-Standards sowie die 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, hochleistungsfähiges Modul, das auf Infineons CYW4373E Combo-Chipset basiert und Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac in Kombination mit Bluetooth® 5.2 BR/EDR/LE unterstützt. Die PHY-Datenrate für Wi-Fi® beträgt bis zu 433 Mbps, und Bluetooth® unterstützt eine PHY-Datenrate von 3 Mbps. 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. Sowohl der WLAN- als auch der Bluetooth®-Bereich unterstützen zudem USB 2.0-Schnittstellen.

Für die Systementwicklung kann Software auf NXP i.MX (Linux/FreeRTOS) entwickelt werden. Für die Entwicklung von RTOS kann das WICED™-Entwicklungssystem von Infineon verwendet werden, das den Arbeitsaufwand für die Integration von drahtloser Konnektivität in eingebettete Geräte erheblich reduziert. Das SDK ermöglicht Entwicklern, schnell vernetzte Anwendungen für ressourcenbeschränkte Mikrocontroller zu erstellen. Was Evaluierungswerkzeuge betrifft, kann das 2AE M.2-Modul von Embedded Artists auf Linux-Systemen verwendet werden.

Muratas Typ 2EA ist ein weiteres kompaktes, hochleistungsfähiges Modul, das auf Infineons CYW55573 Combo-Chipset basiert. Es unterstützt Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO und Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE. Wi-Fi® ermöglicht eine PHY-Datenrate von bis zu 1,2 Gbps, und Bluetooth® unterstützt eine PHY-Datenrate von 3 Mbps bei Legacy Bluetooth (EDR) und 2 Mbps bei Bluetooth® LE. Der WLAN-Bereich unterstützt PCIe v3.0 Gen 2 und SDIO 3.0-Schnittstellen, während der Bluetooth®-Bereich eine Hochgeschwindigkeits-4-Draht-UART-Schnittstelle sowie PCM für Audiodaten unterstützt.

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

Der Typ 1XL ist ein kompakter, leistungsstarker Modul, der auf dem 88W9098 Combo-Chipsatz von NXP basiert und Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO sowie Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE unterstützt. Er bietet eine PHY-Datenrate von 1200 Mbps für Wi-Fi® und 3 Mbps für Bluetooth®. Der WLAN-Bereich unterstützt die PCIe 2.0-Schnittstelle, mit optionaler Unterstützung für SDIO 3.0. Der Bluetooth®-Bereich unterstützt eine hochgeschwindigkeitsfähige 4-Draht-UART-Schnittstelle (optionale SDIO-Unterstützung) sowie PCM für Audiodaten.

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

Muratas Typ 2DL ist ein kompaktes Hochleistungsmodul, das auf NXPs IW611 Combo-Chipsatz basiert und Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax sowie Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE unterstützt. 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, ist noch ausstehend. Die von Murata empfohlene Evaluierungshardware ist das Embedded Artists 2DL M.2-Modul.

Fazit

Da industrielle Umgebungen zunehmend komplexer werden und die Nachfrage nach Automatisierung steigt, spielen präzise Distanz- und Positionierungstechnologien eine immer wichtigere Rolle bei der Gewährleistung von Sicherheit, der Verbesserung der Produktionseffizienz und der Optimierung des Ressourcenmanagements. Durch die Implementierung fortschrittlicher Distanz- und Positionierungslösungen wie Echtzeit-Lokalisierungssysteme (RTLS), Laserdistanztechnologie und Ultra-Wideband-Technologie (UWB) können Unternehmen nicht nur die Betriebseffizienz erheblich steigern, sondern auch einen Wettbewerbsvorteil im intelligenten Management gewinnen. Murata produziert eine Vielzahl von UWB- und WiFi/Bluetooth-Modulen, und obwohl Anwendungsfälle für Distanz- und Positionierungstechnologien eher in den Bereich „Systeme/Lösungen“ als in das Modulgeschäft fallen, wird erwartet, dass industrielle RTLS-Anwendungen ein wachsender Markt sind. Angesichts des Bedarfs an Anpassung und begrenzter Skalierbarkeit kann Murata mit Drittanbietern von Software und Herstellern auf dem Markt zusammenarbeiten, um aktiv in dieses Feld einzutreten.