Soluciones de medición de distancia y posicionamiento en entornos industriales
En los entornos industriales modernos, a medida que la tecnología de automatización avanza rápidamente, la medición precisa de distancias y la tecnología de posicionamiento se han convertido en factores clave para mejorar la eficiencia de producción, garantizar la seguridad de los trabajadores y optimizar la asignación de recursos. Con el avance adicional de la Industria 4.0, tecnologías como los sistemas de ubicación en tiempo real (RTLS, por sus siglas en inglés), la medición de distancia mediante láser y la tecnología de banda ultraancha (UWB, por sus siglas en inglés) han surgido como tecnologías fundamentales para lograr una gestión refinada y operaciones inteligentes. Este artículo explorará las aplicaciones actuales, los desafíos y las tendencias de desarrollo futuro de estas tecnologías en los entornos industriales, así como las soluciones relacionadas introducidas por Murata.
La medición precisa de distancias garantiza la eficiencia y la seguridad en los sistemas industriales
Al utilizar mediciones de distancia precisas entre interacciones M2M (máquina a máquina) y H2M (humano a máquina), se puede mejorar la seguridad en diversas aplicaciones, especialmente en automatización industrial, transporte inteligente y colaboración humano-robot. Las aplicaciones de medición de distancia suelen emplear tecnologías como ultrasonido, radar, LiDAR (detección y rango por luz) o banda ultra ancha (UWB). Estas tecnologías pueden proporcionar una precisión de medición a nivel submétrico o incluso en centímetros. Al medir la distancia entre máquinas o personas en tiempo real, se puede generar y procesar información precisa de ubicación utilizando algoritmos.
En entornos industriales, los sistemas de prevención de colisiones son fundamentales. La medición precisa de la distancia entre equipos automatizados y robots puede prevenir colisiones y garantizar una operación segura. Además, la medición precisa de la distancia entre máquinas puede ayudar a optimizar sus trayectorias de movimiento, reduciendo el consumo innecesario de energía y el desgaste, mejorando así la eficiencia y la seguridad del sistema.
En entornos donde los humanos colaboran con robots, la seguridad es primordial. Al utilizar tecnología de medición de distancia para monitorear en tiempo real la distancia entre humanos y robots, el sistema puede reducir automáticamente la velocidad o detener el robot cuando se detecta a un humano demasiado cerca, evitando colisiones. Además, la medición de distancia puede supervisar áreas peligrosas, garantizando que los operadores humanos no ingresen inadvertidamente a zonas de trabajo peligrosas.
Actualmente, se pueden adoptar múltiples enfoques de seguridad, como la fusión de sensores múltiples, que combina diversas tecnologías de medición de distancia y datos de sensores (por ejemplo, cámaras, sensores infrarrojos) para mejorar la fiabilidad y la precisión de la medición de distancia, incrementando así la seguridad. Alternativamente, se pueden utilizar algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático para analizar datos de distancia, predecir peligros potenciales y emitir advertencias tempranas para prevenir accidentes. A través de estos métodos, la función precisa de medición de distancia entre M2M y H2M desempeña un papel fundamental en garantizar la seguridad en los sistemas industriales y la colaboración entre humanos y robots.
Los sistemas de localización en tiempo real pueden mejorar la seguridad en el lugar de trabajo y la eficiencia 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.
Por otro lado, se puede utilizar la tecnología Bluetooth de bajo consumo energético (BLE, por sus siglas en inglés). Los balizas BLE se comunican con los dispositivos enviando señales para posicionamiento, proporcionando una precisión moderada y siendo adecuadas para escenarios de bajo consumo energético. El sistema de posicionamiento global (GPS) es adecuado para entornos al aire libre, aunque su rendimiento es deficiente en interiores y consume más energía. Además, se pueden emplear cámaras y tecnología de visión por computadora para detectar y rastrear la ubicación de objetos o personas, generalmente para aplicaciones de alta precisión en interiores.
El RTLS tiene una amplia gama de aplicaciones. En la supervisión de la seguridad de los trabajadores, el RTLS puede rastrear la ubicación en tiempo real de los empleados en el lugar de trabajo para garantizar que no entren en áreas peligrosas. Si los trabajadores se aproximan a equipos o zonas peligrosas, el sistema puede emitir advertencias o detener automáticamente el equipo relevante. En situaciones de emergencia, el RTLS también puede ayudar a localizar rápidamente a los trabajadores y guiar a los equipos de rescate para una respuesta rápida. Además, al analizar la actividad de los trabajadores en diferentes áreas, se pueden evaluar los flujos de trabajo para mejorar la eficiencia, optimizar la asignación de tareas, reducir el desperdicio de tiempo y aumentar la productividad.
El RTLS tiene una amplia gama de aplicaciones. En la monitorización de la seguridad de los trabajadores, el RTLS puede rastrear la ubicación en tiempo real de los empleados en el lugar de trabajo para garantizar que no ingresen a áreas peligrosas. Si los trabajadores se acercan a equipos o zonas peligrosas, el sistema puede emitir alertas o detener automáticamente el equipo correspondiente. En situaciones de emergencia, el RTLS también puede ayudar a localizar rápidamente a los trabajadores y guiar a los equipos de rescate para una respuesta rápida. Además, mediante el análisis de la actividad de los trabajadores en diferentes áreas, se pueden evaluar los flujos de trabajo en términos de eficiencia, optimizar la asignación de tareas, reducir el desperdicio de tiempo y mejorar la productividad.
La tecnología de banda ultraancha permite una medición de distancia segura y precisa
La tecnología UWB utiliza la tecnología de Tiempo de Vuelo (ToF) basada en ondas de radio para realizar mediciones de distancia seguras y precisas. Murata fabrica y desarrolla módulos UWB basados en NXP, así como módulos UWB que utilizan chips de Qorvo y Nordic.
El Type 2BP de Murata es un módulo UWB ultra compacto que incluye el chipset Trimension SR150 UWB de NXP, reloj, filtros y componentes periféricos, lo que lo hace ideal para dispositivos IoT en general. Este módulo UWB de tamaño reducido es compatible con los canales 5 y 9 de UWB, cuenta con una interfaz SPI y soporte para 3 antenas (AoA 3D o AoA 2D). Además, ha pasado las certificaciones de referencia FCC/CE. Está construido con una estructura moldeada en resina combinada con un blindaje conformado, con unas dimensiones de solo 6,6 × 5,8 × 1,2 mm. Admite calibración de potencia y calibración de cristal.
Murata también lanzó la placa de evaluación LBUA0VG2BP-EVK-P acompañada del Tipo 2BP. La placa de evaluación cuenta con Tipo 2BP y NXP QN9090 (un chip BLE), un convertidor IC USB-UART, y puede ser alimentada mediante un cable USB. El QN9090 puede controlar el Tipo 2BP a través del puerto COM de una PC. Este kit de desarrollo ha sido aprobado por Apple® para evaluar accesorios habilitados con UWB, que interactúan con productos de Apple que contienen el chip U1 utilizando el marco de Interacción Cercana de Apple.
Otro módulo UWB de Murata basado en chipsets UWB de NXP es el Tipo 2DK. Este es un módulo combo todo-en-uno de UWB-Bluetooth® LE que incluye el chipset UWB Trimension™ SR040 de NXP, el chipset Bluetooth® LE y MCU QN9090 de NXP, antenas integradas y componentes periféricos, lo que lo hace ideal para etiquetas/rastreadores UWB alimentados por baterías tipo botón, así como para dispositivos generales de IoT. Además, ha pasado las certificaciones de referencia FCC/CE.
Murata también ofrece el kit de evaluación LBUA2ZZ2DK-EVK combinado con el Type 2DK. Este kit de evaluación incluye el Type 2DK, un IC UART-USB, un puerto SWD y un soporte para batería de celda tipo botón.
El módulo Tipo 2AB de Murata está diseñado como un módulo UWB ultra compacto, de alta calidad y bajo consumo de energía, lo que lo hace ideal para dispositivos y aplicaciones IoT alimentados por batería pequeña. El Tipo 2AB utiliza el chipset UWB Qorvo QM33120W, soporta los canales 5 y 9, y ha pasado la certificación de referencia FCC/IC/TELEC. Integra un circuito integrado Nordic—nRF52840—lo que lo convierte en un módulo sin necesidad de host. También cuenta con Bluetooth Low Energy para activar el UWB y realizar actualizaciones de firmware. El sensor integrado de 3 ejes ayuda a ahorrar energía de la batería, y el reloj de referencia para UWB y MCU están integrados. El Tipo 2AB es el módulo UWB más pequeño y altamente integrado del mercado, reduciendo el área en un 75% en comparación con las soluciones CoB. Cada dispositivo se calibra para frecuencia, potencia de transmisión y retardo de antena, y puede soportar diseño y evaluación con múltiples antenas.
El kit de evaluación LBUA5QJ2AB-828EVB es una placa de evaluación para el módulo UWB/Bluetooth Low Energy Tipo 2AB de Murata. Puede alimentarse conectando el terminal USB Tipo-C de la placa a un PC a través de una interfaz USB, y cuenta con un puerto serial. Los clientes pueden ingresar comandos AT a través de un terminal serial para evaluar el rendimiento RF. Si los clientes reprograman el firmware de demostración en el módulo, también pueden evaluar funciones simples de TWR y PDoA.
Módulos de Wi-Fi y Bluetooth para aplicaciones de posicionamiento y medición de distancia
Además de la tecnología UWB, las tecnologías Wi-Fi y Bluetooth también pueden utilizarse para aplicaciones de posicionamiento y medición de distancias. Cuando se combinan, Wi-Fi y Bluetooth permiten una conexión directa a Internet, convirtiéndolas en la tecnología inalámbrica más flexible para productos IoT. Actualmente, Murata ofrece una variedad de módulos Wi-Fi® y Bluetooth que soportan los estándares IEEE 802.11a, 11b, 11g, 11n y 11ac 2×2 MIMO, así como las bandas de 2.4GHz y 5GHz, adecuados para la comunicación WLAN y Bluetooth® 4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR/LE.
El Tipo 2AE de Murata es un módulo compacto y de alto rendimiento basado en el chipset combinado CYW4373E de Infineon, que ofrece soporte para Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac combinado con Bluetooth® 5.2 BR/EDR/LE. La tasa de datos PHY en Wi-Fi® alcanza hasta 433Mbps, y Bluetooth® admite una tasa de datos PHY de 3Mbps. La sección WLAN es compatible con una interfaz SDIO v3.0 DDR50, mientras que la sección Bluetooth® incluye soporte para una interfaz UART de 4 cables de alta velocidad y PCM para datos de audio. Tanto las secciones WLAN como Bluetooth® también son compatibles con interfaces USB 2.0.
Para el desarrollo de sistemas, el software puede desarrollarse en NXP i.MX (Linux/FreeRTOS). Para el desarrollo de RTOS, se puede utilizar el sistema de desarrollo WICED™ de Infineon, lo que reduce significativamente la carga de trabajo al agregar conectividad inalámbrica a dispositivos embebidos. El SDK permite a los desarrolladores crear rápidamente aplicaciones en red para microcontroladores con recursos limitados. En cuanto a las herramientas de evaluación, se puede utilizar el módulo M.2 2AE de Embedded Artists en sistemas Linux.
El modelo Type 2EA de Murata es otro módulo compacto y de alto rendimiento basado en el chipset combo CYW55573 de Infineon. Es compatible con Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO y Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE. Wi-Fi® admite una tasa de datos PHY de hasta 1.2 Gbps, y Bluetooth® admite una tasa de datos PHY de 3 Mbps en Bluetooth Legacy (EDR) y 2 Mbps en Bluetooth® LE. La sección WLAN admite interfaces PCIe v3.0 Gen 2 y SDIO 3.0, mientras que la sección Bluetooth® admite una interfaz UART de 4 hilos de alta velocidad y PCM para datos de audio.
El tipo 2EA también incluye configuraciones de software compatibles con NXP i.MX Linux y controladores/firmware de Linux para la plataforma NXP i.MX. El hardware de evaluación recomendado por Murata es el módulo 2EA M.2 de Embedded Artists.
El modelo Type 1XL es un módulo compacto y de alto rendimiento basado en el chipset combinado 88W9098 de NXP, que admite Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO y Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE, con una velocidad de datos PHY de 1200Mbps en Wi-Fi® y 3Mbps en Bluetooth®. La sección WLAN es compatible con la interfaz PCIe 2.0, con soporte opcional para SDIO 3.0. La sección Bluetooth® admite una interfaz UART de alta velocidad de 4 hilos (soporte SDIO opcional) y PCM para datos de audio.
El desarrollo de software también es compatible con configuraciones en NXP i.MX Linux. Murata recomienda el módulo 1XL M.2 de Embedded Artists como hardware de evaluación.
El modelo Type 2DL de Murata es un módulo compacto y de alto rendimiento basado en el chipset combo IW611 de NXP, que admite Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax y Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE. Wi-Fi® ofrece una tasa de datos PHY de hasta 601 Mbps, mientras que Bluetooth® proporciona una tasa de datos PHY de 2 Mbps. La sección WLAN admite una interfaz SDIO v3.0 DDR50, y la sección Bluetooth® admite una interfaz UART de 4 hilos de alta velocidad y PCM para datos de audio.
El software de desarrollo para Type 2DL, con configuraciones compatibles en NXP i.MX Linux, aún está pendiente. El hardware de evaluación recomendado por Murata es el módulo 2DL M.2 de Embedded Artists.
Conclusión
A medida que los entornos industriales se vuelven más complejos y aumenta la demanda de automatización, las tecnologías de medición precisa y posicionamiento están desempeñando un papel cada vez más importante en garantizar la seguridad, mejorar la eficiencia de producción y optimizar la gestión de recursos. Al implementar soluciones avanzadas de medición y posicionamiento, como los Sistemas de Localización en Tiempo Real (RTLS), la tecnología de medición láser y la tecnología de Banda Ultra Ancha (UWB), las empresas pueden no solo mejorar significativamente la eficiencia operativa, sino también ganar una ventaja competitiva en la gestión inteligente. Murata produce una variedad de módulos de UWB y WiFi/Bluetooth, y aunque los casos de uso de medición y posicionamiento caen dentro del negocio de "sistemas/soluciones" en lugar del negocio de módulos, se espera que las aplicaciones industriales de RTLS sean un mercado en crecimiento. Dada la necesidad de personalización y la escalabilidad limitada, Murata puede colaborar con terceros fabricantes y proveedores de software en el mercado para ingresar activamente a este campo.
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