超宽带 (UWB) 如何助力打造智能工厂?后面四个落地案例值得参考

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微定位对于通过工业 4.0、智能工厂和 LEAN 计划实现工业运营数字化至关重要。流程优化和保障安全是大多数行业的两个主要考虑因素。通过将人、事、时间、地点与人员、工具、用品、货物、机器和事件实时联系起来,使整个工作环境信息透明。

目前的定位技术,比如 GPS、Wi-Fi 和 Bluetooth® Low Energy(低能耗蓝牙),无法实现精密行业所需的微定位。精度达到 10 米以内的 GPS 使得零售业的电子商务取得爆炸性增长,并让我们能够扔掉那些大块头的地图书。Wi-Fi 帮助提高了定位的准确性。低能耗蓝牙在理想条件下可以定位到几英尺之内。但工业和商业应用需要更高的精度和更高的可靠性。

工业环境中的微定位

超宽带技术的厘米级精度使定位和通信精度都达到新的水平,令以前的这些技术望尘莫及。它是微定位服务背后的驱动技术,无线电锚点能将标签定位在几厘米以内。微定位可实时提供信息,并支持分析系统即时测量、分析和报警。来看看这些采用了 UWB 技术的场景。

 

  • 工艺流程:在生产流程中,材料之间的距离很小,战略性放置 UWB 标签和锚点可在整个生产过程中跟踪材料、货物、工艺和任务,同时更新生产系统,实时测量和计算效率,识别甚至是预测障碍物。
  • 资产利用和检索:可快速定位工厂中贴有标签的工具或其他资产,并通过手持设备上的高精度工厂地图引导员工找到使用。
  • 材料控制:贴有标签的设备、医疗设备和敏感物品,如医院里的管控物品,可以在建筑内的任何地方定位,并清楚地监测其使用情况。
  • 保障安全:机械臂和叉车等机械设备上的标签,以及员工的胸牌,让自动化安全系统能够以亚米级的精度和实时准确跟踪靠近情况,以便在发生违反安全区规定的情况时,使机械设备停止运行并提醒相关人员。
  • 紧急事件:员工胸牌上的 UWB 标签可以识别每位员工及其位置,从而确定他们是否脱离危险或指示前往救援的地点。将位置信息传递给赶往现场的救援人员,这样他们到达现场时就能采取更有效的急救措施,节省宝贵的时间来挽救生命。

 

还有许多其他潜在的用例,可以提高效率和效益、生产、安全和安保水平(图 1)。

 

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图 1. 工业环境中的 UWB 可以提高效率和效益、生产力、安全和安保水平。

UWB是如何做到如此精确的

工业和商业场所到处都是大型物体(通常是金属,可能还会移动),比如墙壁、车辆和机械,以及电信号噪音。GPS 信号通常无法有效穿透工业结构。而窄带 Wi-Fi 和低能耗蓝牙的无线电能量一般会随着与物体距离的增加而衰减、反射为多路径信号,或在这种环境中丢失。

在测距和定位方面,UWB 不像窄带 Wi-Fi 和低功耗蓝牙那样易受影响。在锚点和标签之间通信时,UWB 通信组件使用极低的信号发送功率,辐射更大的范围带宽,提供比窄带信号更快的脉冲上升和下降时间(图 2)。这种方法有助于确保信号的完整性,减少反射和噪声尖峰的影响,并减少基础设施所需的组件数量。

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图 2. 超宽带不受噪声尖峰的影响,这些噪声尖峰会影响窄带信号,降低定位能力。

UWB 使用飞行时间 (ToF) 来测量与标签之间的距离(图 3)。多种 ToF 方法可提高测量的准确性并降低基础设施成本。双向测距 (TWR) 和到达时间差 (TDoA) 测距方法可以消除墙面和机器反射(多路)对信号响度的影响。其他 UWB 测距方法包括到达相位差 (PDoA) 和反向 TDoA (RTDoA),为不同类型的部署提供优势。这些不同的测距技术可用于识别与物体的距离和方向(矢量)。

 

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图 3. 用 ToF 计算距离。

根据微定位服务的需要,可以部署不同的基础设施,实施不同的测距技术,并可以确定(计算)位置。

 

  • 在用于导航的标签本身内部,有一种称为下行 TDoA (DL-TDoA) 的方法。
  • 在基础设施内,当一个集中式平台需要追踪标签时。

 

凭借信号完整性和测距能力,UWB 可以比其他定位和测距技术覆盖更远的距离(图 4)。战略性放置锚点可以向一个标签对象报告不同的范围和向量,在二维和三维空间中非常准确地定位它们。

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图 4. UWB 提供更大的覆盖范围和更高精度,使微定位能够使用更少的组件,从而减少基础设施。

 


支持工业和其它行业的UWB生态系统

FiRa(精细测距)联盟 (www.firaconsortium.org) 定义了 UWB 设备规范并提供认证。该联盟支持使用 UWB 生态系统,以及 UWB 与其他技术之间的互操作性,以便为工业和消费者提供微定位服务。

 

即将出台的新 FiRa 标准 (FiRa 2.0) 为使用 UWB 实现微定位开启了更广阔的适用空间。它包含一些针对工业应用的特定功能。它将有助于实现消费者和工业设备之间更好的互操作性(UWB 已经部署在现代智能手机中)。这是将 UWB 纳入大规模实时定位系统 (RTLS) 的第一步,使室内和亚米级精度的地图服务成为可能,比如谷歌地图。

 

虽然 FiRa 2.0 将会有助于实现新的用例,但该生态系统预计 DL-TDoA 解决方案将取得突破。这些解决方案将使室内的微定位导航具有隐私性,因为只有移动设备才知道自己的位置。这样的服务很快就会出现在支持 UWB 的智能手机上。相关 UWB DL-TDoA 的部署将由基础设施设备的 OEM 厂商决定,例如部署将 UWB 锚点与 Wi-Fi 接入点相结合的接入点。但同时,可以安装在公共或私人设施中的照明和其他固定电源设备也可以触发 DL-TDoA,并在附近有 UWB 支持的设备时启动。

 

有关 UWB 的更多信息,除了本文档还可参阅 FiRa 网站的其他文章。UWB 解决方案已经部署在多种用例中。下面介绍其中一些用例。

 

欧足联

(美式)足球场一般为 105 米长,68 米宽(115 乘 74.4 码)。也就是 7140 平方米(将近 8540 平方码)。体育馆一般不设顶棚。因此,在球场周围以外的地方放置 UWB 锚点是不现实的。微定位解决方案供应商Noccela 开发了一款 UWB 测距解决方案,它同时使用了 TWR 和 TDoA 测距方法。在他们的解决方案中,每个锚点可以覆盖 500 平方米(近 600 平方码),对移动速度高达 60 公里/小时(超过 37 英里/小时)的物体,精确度可以达到两厘米(0.8 英寸)。使用 UWB 之后,他们可以使用 16 个锚点覆盖整个球场,这些锚点部署在球场周边,仍然能够提供高度精准的 3D 定位。

 

如果在田径运动中使用运动分析软件,微定位可以让团队优化成绩。但对于欧洲足球联赛来说,这一解决方案对于在疫情期间帮助欧洲球队保持比赛起到了重要作用。新冠病毒肆虐,在疫苗广泛供应之前,欧足联的球员和教练仍有工作要做。但他们需要一种方法,在与其他球员和团队人员近距离练习的同时,跟踪成员之间的社交距离和接触情况。如果不能对个人进行准确跟踪,新冠疫情的爆发可能会导致整个赛季停摆。

 

基于 UWB 的微定位解决方案可提供点对点跟踪,通过锚点上传成员标签位置。跟踪软件随后会记录上场人员(标签)在任何时间的位置。当团队之中出现传染病感染时,经理可以立刻确定所有潜在感染者并将他们隔离,避免感染整个球队。

 

VELUX Modular Skylights

VELUX Modular Skylights 产品在丹麦 Ostbrirk 生产。该公司希望在其生产基地的 2304 平方米(2756 平方码)范围内实现现代化操作和数字化制造流程,他们利用 Sewio 的 RTLS 解决方案实现了工厂车间的数字孪生。数字孪生可监测、跟踪、追踪和分析整个生产流程。数据的重要来源是 RTLS 对人员和机器的跟踪,包括叉车和自动工作台 (AGV),这些设备将在制品 (WIP) 移到作业现场,并根据每位工人的身高进行调整。

 

该解决方案采用了 12 个 UWB 锚点和 59 个 UWB 标签来追踪物体。对于制造过程中的每道工序,AGV 都会将 WIP 运送到工位,由熟练工人完成相应的任务。RTLS 可以识别最近的工人并调整到适当的高度,打造一个符合人体工程学的安全工作环境。如果工人不在现场,系统会提醒最近的熟练工人来完成任务。对材料和人员流动的数据进行处理,为管理人员提供了解工厂生产力所需的实时信息。这些数据还会用于管理机器维护工作。利用基于 UWB 的 RTLS,VELUX Modular Skylights 就能够:

 

  • 通过更好的车间管理,使生产力提升 10%。
  • 将维护活动的绩效提高 50%。
  • 将在制品减少 10%。

 

SEG Automotive

SEG Automotive 为世界上几乎所有的汽车制造商生产电机和启动器。该公司的生产车间和仓库位于两栋大楼内,用卡车将原材料从仓库运送至生产车间需要 10 分钟。订单分拣是使用即时程序手动完成的。人工操作容易出错,工时成本高,ERP 系统数据输入也会延迟,从而限制了库存和处理的可见性。

 

SEG Automotive 希望用一个完全数字化的实时资产登记和跟踪系统来取代人工操作。关键挑战是卡车与闸门的距离。为确保材料运送到正确的闸门,需要精度达到 30 厘米。

 

部署 Sewio 的 RTLS 只花了四个月的时间,需要在 2000 平方米(2392 平方英尺)的范围内安装 40 个锚点,以及 600 个标签,来追踪金属托盘。将基于 UWB 的 RTLS 与现有的数据跟踪和分析系统整合后,SEG Automotive 取得了以下成果:

  • 避免了人工分拣错误。
  • 交货时间缩短了 50%。
  • 将 15% 的员工转移到重复性较低的工作。
  • 在整个仓库中持续跟踪和追溯物料的移动。
  • 易于升级,可根据需要跟踪更多的对象,并扩展到生产现场。

 

Budweiser Budvar Brewery

虽然百威啤酒销往全球 76 个国家/地区,但在全球范围内 Budweiser Budvar 只在一个城市酿造啤酒,那就是捷克共和国的 České Budějovice (Budweis)。生产十种不同的啤酒,标签上有几十种语言,可组成 360 种产品组合进行分销。仓库储存了 2 万多个托盘,其中有两种不同尺寸的容器,有些在室内,有些在室外。

 

他们使用无源 RFID 系统管理库存,叉车上有 RFID 锚点,每个跟踪位置最多有 10 个标签,仅位于仓库内。传统的解决方案存在可靠性问题,维护和升级成本高,造成运营效率低下,而且无法始终正确提供货物的实际位置。如果没有准确、实时的跟踪,他们就无法利用最新的数据进行意大利面条图、热图和其他分析。

 

安装 Sewio 基于 UWB 的 RTLS 系统只需要一个月的时间,与其他 ERP 系统实现集成用了六个月时间。为了覆盖 15000 平方米(17940 平方码)的内部和外部仓库设施,他们部署了 70 个锚点,并为 15 台叉车配备了位置精度达到 30 厘米的标签。完成安装和集成后,成效显著:

 

  • 与传统 RFID 系统相比,正常运行时间提高了 19%。
  • 仓库利用率提高 19%。

 

UWB 技术能够为工业领域提供高精度的微定位服务。该技术已经在多个行业部署,为业务运营带来诸多优势。UWB 技术和解决方案供应商的生态系统与 FiRa 联盟合作,正在为未来的创新微定位服务铺平道路。

本文转载自Qorvo半导体微信公众号

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