工業(yè)環(huán)境中的測(cè)距與定位應(yīng)用解決方案

在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，準(zhǔn)確的測(cè)距與定位技術(shù)成為了提高生產(chǎn)效率、保障工人安全和優(yōu)化資源分配的關(guān)鍵因素。隨著工業(yè)4.0的進(jìn)一步推進(jìn)，實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）、激光測(cè)距技術(shù)、超寬帶（UWB）技術(shù)等表現(xiàn)突出的測(cè)距與定位解決方案，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理和智能化運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)。本文將探討這些技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)，與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以及由Murata（村田制作所）所推出的相關(guān)解決方案。

準(zhǔn)確測(cè)距功能確保工業(yè)系統(tǒng)的

效率和安全性

利用M2M（機(jī)器與機(jī)器）和H2M（人與機(jī)器）之間的準(zhǔn)確測(cè)距功能，可以增強(qiáng)多種應(yīng)用中的安全性，尤其是在工業(yè)自動(dòng)化、智能交通和人機(jī)協(xié)作領(lǐng)域。測(cè)距應(yīng)用通常會(huì)使用包括超聲波、雷達(dá)、激光雷達(dá)（LiDAR）或超寬帶（UWB）等技術(shù)。這些技術(shù)能夠提供亞米級(jí)甚至厘米級(jí)的距離測(cè)量精度。通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)器或人之間的距離，可以生成準(zhǔn)確的位置信息，并通過(guò)算法對(duì)其進(jìn)行處理。

在工業(yè)環(huán)境中，防碰撞系統(tǒng)相當(dāng)重要，自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人之間的準(zhǔn)確測(cè)距可以避免相互碰撞，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。此外，機(jī)器之間的準(zhǔn)確測(cè)距還可以幫助優(yōu)化其移動(dòng)路徑，減少不必要的能量消耗和磨損，從而提高系統(tǒng)的效率和安全性。

在人與機(jī)器人協(xié)作的環(huán)境中，人機(jī)協(xié)作的安全便相當(dāng)關(guān)鍵，通過(guò)測(cè)距技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控兩者之間的距離，當(dāng)檢測(cè)到人員過(guò)近時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)減速或停止機(jī)器人以防止發(fā)生碰撞。此外，測(cè)距技術(shù)還可以用于監(jiān)控危險(xiǎn)區(qū)域，確保人類(lèi)操作員不會(huì)無(wú)意中進(jìn)入危險(xiǎn)的工作區(qū)。

目前已可采用多種技術(shù)結(jié)合的安全保障方式，像是進(jìn)行多傳感器組合，將多種測(cè)距技術(shù)和傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合（如攝像頭、紅外線傳感器等），可以提高測(cè)距的可靠性和準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步增強(qiáng)安全性，或是利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析測(cè)距數(shù)據(jù)，可以預(yù)估潛在危險(xiǎn)，并提前發(fā)出警告，以避免事故發(fā)生。通過(guò)以上方式，M2M和H2M之間的準(zhǔn)確測(cè)距功能，在保障工業(yè)和人機(jī)協(xié)作安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)可提高工作場(chǎng)所的

安全性和運(yùn)營(yíng)效率

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS, Real-Time Location Systems）是一種能夠?qū)崟r(shí)跟蹤和監(jiān)控物體或人員位置的技術(shù)，大量應(yīng)用于安全管理和工人效率監(jiān)控。RTLS的關(guān)鍵技術(shù)相當(dāng)多樣，像是UWB技術(shù)可提供高精度的定位，誤差范圍通常在幾公分以?xún)?nèi)，非常適合需要準(zhǔn)確跟蹤的應(yīng)用場(chǎng)景?；蚴遣捎?a target="_blank">射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)，通過(guò)在標(biāo)簽和讀取器之間傳輸信號(hào)來(lái)跟蹤物品或人員的位置，它通常用于較低精度的定位。此外，也可采用Wi-Fi定位，其可基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量，可以在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上部署，但定位精度通常較低。

另一方面，還可使用藍(lán)牙低功耗（BLE）技術(shù)，BLE信標(biāo)通過(guò)發(fā)送信號(hào)與設(shè)備通信來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，精度適中，適合低功耗需求的場(chǎng)景。全球定位系統(tǒng)（GPS）則是適合在戶(hù)外環(huán)境中使用，在室內(nèi)定位的效果較差且耗電較多。此外，也可利用攝像頭和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)檢測(cè)和跟蹤物體或人員的位置，通常用于需要高精度的室內(nèi)應(yīng)用。

RTLS的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)寬廣，像是在工人安全監(jiān)控應(yīng)用中，RTLS可以實(shí)時(shí)跟蹤工人在工作環(huán)境中的位置，確保他們不會(huì)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。如果工人靠近危險(xiǎn)設(shè)備或區(qū)域，系統(tǒng)可以發(fā)出警告或自動(dòng)停止相關(guān)設(shè)備。在發(fā)生緊急情況時(shí)，RTLS也可以幫助迅速定位工人并引導(dǎo)救援人員進(jìn)行迅速救援。此外，還可通過(guò)分析工人在不同區(qū)域的活動(dòng)，可以評(píng)估工作流程的效率，優(yōu)化任務(wù)分配，減少時(shí)間浪費(fèi)，提高生產(chǎn)力。

RTLS還可以用于跟蹤和管理工具、設(shè)備和物料，減少丟失和誤放的情況，確保設(shè)備的有效利用。在倉(cāng)庫(kù)和物流中心，RTLS可以?xún)?yōu)化庫(kù)存管理，減少訂單處理時(shí)間，提升供應(yīng)鏈的整體效率。在醫(yī)院環(huán)境中，RTLS可用于跟蹤醫(yī)護(hù)人員、病人和關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備的位置，確保及時(shí)響應(yīng)和資源的有效使用。

超寬帶技術(shù)可實(shí)現(xiàn)安全、準(zhǔn)確的距離測(cè)量

UWB技術(shù)利用基于無(wú)線電波飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)，來(lái)進(jìn)行的安全、準(zhǔn)確的距離測(cè)量。Murata生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)了基于NXP的UWB模塊，以及采用Qorvo與Nordic芯片的UWB模塊。

Murata的Type 2BP是超小型UWB模塊，包括NXP的Trimension SR150 UWB芯片組、時(shí)鐘、濾波器和外圍器件，非常適合一般物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。這款小尺寸UWB模塊支持UWB 5與9頻道，具有SPI接口與3天線支持（3D AoA或2D AoA），并已通過(guò)FCC/CE參考認(rèn)證，采用樹(shù)脂模制結(jié)合共形屏蔽結(jié)構(gòu)，尺寸僅有6.6 × 5.8 × 1.2 mm，支持功率校準(zhǔn)和晶體校準(zhǔn)。

Murata還推出搭配Type 2BP的評(píng)估板── LBUA0VG2BP-EVK-P，該評(píng)估板上有Type 2BP和NXP QN9090（BLE芯片）、USB-UART轉(zhuǎn)換IC，可通過(guò)USB電纜供電，并通過(guò)PC的COM端口運(yùn)用QN9090控制Type 2BP。該開(kāi)發(fā)套件已獲得Apple批準(zhǔn)，用于評(píng)估支持UWB的配件，這些配件利用Apple的附近交互框架，可與包含U1芯片的Apple產(chǎn)品進(jìn)行交互。

Murata的另一款基于NXP UWB芯片組的UWB模塊是Type 2DK，這是一款一體化UWB結(jié)合藍(lán)牙LE組合模塊，集成了NXP Trimension SR040 UWB芯片組、NXP QN9090藍(lán)牙 LE與MCU芯片組、板載天線和外圍器件，非常適合使用鈕扣電池供電的UWB標(biāo)簽／跟蹤器，以及一般物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并已通過(guò)FCC/CE參考認(rèn)證。

Murata也有推出搭配Type 2DK的評(píng)估套件── LBUA2ZZ2DK-EVK，該評(píng)估套件上配有Type 2DK、UART-USB IC、SWD端口和幣形電池座。

Murata的Type 2AB模塊則是被設(shè)計(jì)為超小型、高質(zhì)量和低功耗的UWB模塊，非常適合小型電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用。Type 2AB采用Qorvo QM33120W UWB芯片組，支持5和9頻道，并通過(guò)FCC/IC/TELEC參考認(rèn)證，集成了Nordic IC—nRF52840，是無(wú)主機(jī)模塊，它還具有藍(lán)牙低功耗功能，用于喚醒UWB和更新固件，集成的3軸傳感器可節(jié)省電池電量，并嵌入U(xiǎn)WB和MCU的參考時(shí)鐘。Type 2AB是市場(chǎng)上特別小巧、高度集成的UWB模塊，比CoB解決方案面積減少75%，每個(gè)器件的頻率、發(fā)射功率和天線延遲均經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，可支持多天線設(shè)計(jì)和評(píng)估。

LBUA5QJ2AB-828EVB評(píng)估套件是Murata UWB／藍(lán)牙低功耗模塊Type 2AB的評(píng)估板，可通過(guò)USB接口將板上的Type-C USB端子與PC連接并通電，且有串口，客戶(hù)可以通過(guò)串口終端輸入AT命令來(lái)評(píng)估RF性能。如果客戶(hù)將演示固件重新編程到模塊中，還可以評(píng)估簡(jiǎn)單的TWR和PDoA功能。

應(yīng)用于測(cè)距與定位領(lǐng)域的Wi-Fi與藍(lán)牙模塊

除了UWB技術(shù)之外，Wi-Fi與藍(lán)牙技術(shù)也可用于測(cè)距與定位應(yīng)用，當(dāng)Wi-Fi與藍(lán)牙結(jié)合時(shí)還可讓您直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，因此它是適合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品特別靈活的無(wú)線技術(shù)。目前Murata已有多種Wi-Fi與藍(lán)牙模塊可供選擇，支持IEEE 802.11a、11b、11g、11n和11ac 2×2 MIMO標(biāo)準(zhǔn)、2.4GHz和5GHz頻段，適用于無(wú)線LAN和藍(lán)牙 4.1/4.2/5.0/5.1 BR/EDR /LE通信。

Murata的Type 2AE是一款基于Infineon CYW4373E組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac結(jié)合藍(lán)牙 5.2 BR/EDR/LE，Wi-Fi上的PHY數(shù)據(jù)速率達(dá)到433Mbps，藍(lán)牙則支持3Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口，藍(lán)牙部分支持高速4線UART接口和用于音頻數(shù)據(jù)的PCM，WLAN和藍(lán)牙部分也都支持USB 2.0接口。

在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)可在NXP i.MX（Linux/FreeRTOS）上開(kāi)發(fā)軟件，若要在RTOS上開(kāi)發(fā)軟件，可采用Infineon 的 WICED 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可大大減少為嵌入式設(shè)備添加無(wú)線連接所需的工作量。該SDK使開(kāi)發(fā)人員能夠迅速創(chuàng)建針對(duì)資源匱乏的微控制器的網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用。在評(píng)估工具方面，則可以在Linux系統(tǒng)上選擇Embedded Artists的2AE M.2模塊。

Murata的Type 2EA則是一款基于Infineon CYW55573組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO與藍(lán)牙5.3 BR/EDR/LE，Wi-Fi上支持達(dá)到1.2 Gbps PHY數(shù)據(jù)速率，以及傳統(tǒng)藍(lán)牙（EDR）上的3Mbps PHY數(shù)據(jù)速率與藍(lán)牙 LE上的2Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持PCIe v3.0 Gen 2和SDIO 3.0接口，藍(lán)牙部分支持高速4線UART接口和用于音頻數(shù)據(jù)的PCM。

Type 2EA同樣擁有NXP i.MX Linux上支持的軟件配置，以及適用于NXP i.MX平臺(tái)的Linux驅(qū)動(dòng)程序／固件，Murata建議的評(píng)估硬件則是Embedded Artists的2EA M.2模塊。

Type 1XL則是一款基于NXP 88W9098組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac/ax 2×2 MIMO與藍(lán)牙 5.3 BR/EDR/LE，支持Wi-Fi上的1200Mbps PHY數(shù)據(jù)速率，和藍(lán)牙上的3Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持PCIe 2.0接口，可選支持SDIO 3.0。藍(lán)牙部分支持高速4線UART接口（可選支持SDIO）和音頻數(shù)據(jù)的PCM。

在軟件開(kāi)發(fā)上同樣支持對(duì)于NXP i.MX Linux上的配置，Murata建議的評(píng)估硬件則是Embedded Artists的1XL M.2模塊。

Murata的Type 2DL則是一款基于NXP IW611組合芯片組的小型高性能模塊，支持Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac/ax與藍(lán)牙 5.3 BR/EDR/LE，Wi-Fi上達(dá)到601Mbps PHY數(shù)據(jù)速率，和藍(lán)牙上的2Mbps PHY數(shù)據(jù)速率。WLAN部分支持SDIO v3.0 DDR50接口，藍(lán)牙部分支持高速4線UART接口和用于音頻數(shù)據(jù)的PCM。

Type 2DL的開(kāi)發(fā)軟件對(duì)于NXP i.MX Linux上支持的配置目前仍待定，Murata建議的評(píng)估硬件則為Embedded Artists的2DL M.2模塊。

結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和自動(dòng)化需求的提升，準(zhǔn)確的測(cè)距與定位技術(shù)在保障安全、提升生產(chǎn)效率以及實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化管理方面的作用日益重要。通過(guò)實(shí)施杰出的測(cè)距與定位解決方案，如實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）、激光測(cè)距技術(shù)和超寬帶（UWB）技術(shù)，企業(yè)不僅能夠大幅度提高運(yùn)營(yíng)效率，還能夠在智能化管理方面獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。Murata生產(chǎn)多種UWB與WiFi/藍(lán)牙模塊，雖然測(cè)距與定位用例是“系統(tǒng)／解決方案”業(yè)務(wù)而不是模塊業(yè)務(wù)，但有鑒于工業(yè)RTLS應(yīng)用將是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)，且需要定制和進(jìn)行有限的擴(kuò)展，因此Murata將可與市場(chǎng)上的這些第三方軟件與廠商合作，積極切入這一領(lǐng)域。