超宽频(Ultra Wideband;UWB)是一种无载波通讯技术,特色是具有强大抗干扰性、高传输速度、高安全性、以及低耗电之优点。其传输速率可达到480Mbps,是蓝牙标准的159倍,是Wi-Fi标准的18.5倍,因此非常适合应用於大量传输。而因为UWB的频率比较高、波长也比较短,所以可以用来实现高精度的定位应用,特别是在室内定位的领域。
透过UWB来打造精准的室内定位系统,是为了能精准定位人员、物料、设备、车辆等装置的位置,以方便进行各种不同的更高精度应用,例如人员物体的追踪、智慧型机器人的运用等,UWB都可以扮演最隹的定位技术。有些解决方案透过UWB搭配其他无线技术例如UHF RFID等,能用於协助企业达到更完整的管理模式,有效地为各行各业达到更安全、更准确的定位管理,以创造更多利润、并降低营运成本。
UWB室内定位功能
![图一 : UWB定位的精度提供了明显优势,其应用案例之一就是仓库的自动化。员工能够在客户订购商品时,快速找到它们。](/art/2022/02/241804346640/p1S.JPG)
图一 : UWB定位的精度提供了明显优势,其应用案例之一就是仓库的自动化。员工能够在客户订购商品时,快速找到它们。 |
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UWB是一种可用於室内定位的短距离无线电技术。自从FCC於2005年首次开放UWB无线电频谱用於商业用途以来,UWB定位系统用於物联网技术已经引起了产业的广泛关注。这主要是由於UWB定位系统提供的定位精准度,一般来说,UWB室内地位系统能够实时精准定位到30公分或者更小的范围内。
与低功耗蓝牙和Wi-Fi相比,UWB定位是透过传输时间的方法来进行测距,也就是Time of Fly(ToF),而不是测量其信号强度(RSSI)的方式来完成的。这种方法主要是测量一个对象和几个接收器(通常是与锚点)之间的光飞行时间。对於精确定位来说,至少需要3个接收器来进行三边测量。
此外,接收器和发射器之间也必须要有直接的讯号接触。透过追踪物体上的UWB标签,将具备ID、ToF与时间标记的数据发送到定位器,再利用光飞行的时间来计算该物体的距离。透过3个到多个定位器节点的数据,就可以进行精确度达到10~30公分的精准定位。
UWB之所以可以实现这种精度,主要归功於它用於传输数据的超大频宽(约3~10GHz)。使用更大频宽意味着讯号的波长可以更短。因此UWB讯号可以用更低功率来传输,并降低对於其他无线电频谱系统的干扰,例如手机和无线电等。
UWB定位的应用
通常在工业环境中的室内定位技术需要非常精确的数据。使用UWB进行室内定位具有一些明显的优势,包括其精确度可以达到10~30公分,比使用Wi-Fi的5~15米要精准得多,而延迟时间也非常低。高度差也可以精确测量。然而,由於UWB技术是一种特殊的解决方案,需要适当的设备,因此主要多应用於特殊产业应用上。
虽然精准的室内定位对於某些应用来说可能非常重要,但这并不是即时定位系统(RTLS)唯一被重视的指标。包括成本和易用性,都是选择室内定位技术时,必须考虑的其他关键因素。
目前应用在工业4.0的UWB室内定位系统,是为了能精准定位人员、物料、设备、与车辆等的位置,以方便工厂进行各方面的应用,如人员物体的追踪、智慧型机器人的运用等。以下是几种工业中UWB定位技术的应用案例:
●公司或工厂人员的定位,可随时清楚显示位置供调度的使用。
●公司或工厂人员在工安上的应用,譬如危险区域的进入与监控。
●博物馆或是展馆物体位移应用,譬如对展示物品的移动及管理。
●工厂仓储管理物体定位的应用,如物料的标明及管理与领用。
●工厂仪器设备或移动负载车体的定位控制。
●各种需要精确度判别的应用,如无人飞机、机器人及自动仓储等。
UWB定位的优点
![图二 : 使用UWB定位,就可以轻松获取大型仓库中的所有物品位置资讯。](/art/2022/02/241804346640/p2S.JPG)
图二 : 使用UWB定位,就可以轻松获取大型仓库中的所有物品位置资讯。 |
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UWB定位技术的定位精度,提供了明显的优势,其应用案例之一就是仓库的自动化。像亚马逊这样的公司拥有巨大的仓库,里面装满了数十万甚至数百万种不同的物品;获利能力取决於管理劳动力成本,意思就是让员工能够在客户订购商品时,快速找到它们。
使用UWB即时定位技术,就可以轻松获取大型仓库中的所有物品位置资讯。配备位置标签的扫描器,会在工作人员将每件物品扫描入库时,传输有关其位置的资讯。记录有关位置的三维数据,以便可以轻松获取它们来完成客户订单。
安全是UWB定位除了准确性之外的另一个特色。例如,在工作人员需要与机器保持最小距离的工厂产线上,如果人员误入危险区域,UWB定位系统就可以向机器人发出关闭讯号。
UWB定位的缺点
虽然没有其他室内定位系统可以与UWB的精准度相抗衡,但要达到这种精准度却是有相当代价的。UWB定位系统的基础设施和位置标签价格昂贵,通常比起蓝牙或其他系统的标签和阅读器成本高出10倍,而蓝牙定位的精确度约在一到两米的范围内。由於许多企业发现并不需要达到如此精确的定位,因此会退而求其次,采用蓝牙定位来节省成本。
此外,UWB定位需要至少三个接收器来接收标签讯号,这些标签成本非常昂贵,它们必须同步精准到奈秒等级,系统才能准确计算位置。在许多设备中,标签透过缆线连接以保持同步,这增加了设置的成本和难度。
结语
对於需要精确定位以提高生产力或安全性的应用,UWB的确是最隹选择。但是由於设置的成本和复杂性,企业应该考虑是否真的需要能够精确定位资产、材料和人员的位置,或者他们是否可以透过一般的位置资讯就可以满足需求。因此除非需要精确定位,否则蓝牙或Wi-Fi定位其实就可以以更低的成本来实现室内定位工作。