高性能測(cè)距算法與超寬帶技術(shù)助力工業(yè)數(shù)字化

當(dāng)您將超寬帶 (UWB) 技術(shù)加入其中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)奇妙的變化。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng) Noccela 的高性能測(cè)距 (HPR) 算法與超寬帶技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，不僅能大幅改變工業(yè)運(yùn)營(yíng)，還能為田徑隊(duì)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，幫助他們贏得勝利。繼續(xù)閱讀，了解在使用 UWB 時(shí)，是以什么為支撐實(shí)現(xiàn)無(wú)限可能。

定位服務(wù)變得更加精準(zhǔn)

定位服務(wù)背后的技術(shù)持續(xù)改變著我們工作、娛樂(lè)和聯(lián)系方式。在 GPS 的推動(dòng)下，送貨到家的電子商務(wù)零售業(yè)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，讓我們無(wú)需再為購(gòu)物東奔西跑。Wi-Fi 幫助提高了定位的準(zhǔn)確性。藍(lán)牙 技術(shù)用在汽車(chē)中以后，在車(chē)主靠近汽車(chē)幾米的距離內(nèi)，車(chē)門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。而超寬帶 (UWB) 技術(shù)的厘米級(jí)精度使定位和通信精度都達(dá)到新的水平，令以前的這些技術(shù)都望塵莫及。UWB 是 Noccela 等公司提供的微定位服務(wù)背后的儀器技術(shù)，將以我們無(wú)法想象的方式持續(xù)影響我們的生活。

Noccela 是一家解決方案開(kāi)發(fā)公司和微定位服務(wù)提供商，總部位于芬蘭，是基于 UWB 構(gòu)建的實(shí)時(shí)定位服務(wù) (RTLS) 領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。自 2015 年以來(lái)，Noccela 一直致力于：

實(shí)現(xiàn)工業(yè)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)代化

進(jìn)一步提高體育運(yùn)動(dòng)分析水平

改變零售業(yè)的運(yùn)作方式

通過(guò)高度精準(zhǔn)的接觸者追蹤，讓人們?cè)诒３终Ｉ鐣?huì)生活的同時(shí)，注意避免接觸新冠病毒。

自 2014 年以來(lái)，Noccela 在為高要求的多層環(huán)境部署 UWB 方面始終走在前沿，以實(shí)現(xiàn) RTLS IoT。該公司的軟件和硬件都為自主設(shè)計(jì)。其定位服務(wù)集成了位置數(shù)據(jù) API 和工作流引擎，用于進(jìn)行流程管理。Noccela 還為零售環(huán)境和接觸者追蹤提供端到端解決方案。有關(guān)更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) Noccela.com。

Noccela 最新一代的 UWB 技術(shù)采用其高性能測(cè)距 (HPR) 算法，提供高精度，支持海量標(biāo)簽、大覆蓋范圍、更長(zhǎng)的電池續(xù)航和雙向通信。該公司基于 Qorvo DW1000 UWB 器件構(gòu)建其解決方案。

助力工業(yè)數(shù)字化

Noccela 從 2014 年開(kāi)始研究用于工業(yè)應(yīng)用的微定位技術(shù)。在通過(guò)工業(yè) 4.0、智能工廠和精益計(jì)劃實(shí)現(xiàn)工業(yè)運(yùn)營(yíng)數(shù)字化時(shí)，亞米到厘米級(jí)微定位非常關(guān)鍵。流程優(yōu)化和安全是大多數(shù)工廠首要考慮的兩大因素。通過(guò)將人、事件、時(shí)間和位置信息與人員、工具、物資、貨品和機(jī)器進(jìn)行實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，讓雙方都保持信息暢通?？偠灾岣咝实淖罴逊绞街痪褪?，先弄清楚瓶頸在哪里。想要找回?cái)[錯(cuò)位置的工具、棧板或車(chē)輛，最有效的方式是先確定它們目前的確切位置。而要讓工人和機(jī)器之間保持安全距離，最佳方式則是實(shí)時(shí)精準(zhǔn)掌握彼此的位置?；?UWB 的微定位服務(wù)可以實(shí)時(shí)提供這些信息，允許系統(tǒng)即時(shí)測(cè)量、分析和發(fā)出提醒。而 Noccela 在該領(lǐng)域具備深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

為了構(gòu)建工業(yè)級(jí)解決方案，Noccela 的工程師們研究了 Bluetooth low energy (LE) 和 UWB，發(fā)現(xiàn) Bluetooth LE 在高精度定位能力方面存在限制，主要是 Bluetooth LE 的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 (RSSI) 方法。它會(huì)受到多路徑，以及來(lái)自物體和金屬機(jī)器的干擾影響，無(wú)法在工業(yè)和其他環(huán)境中提供可靠、精準(zhǔn)的物體測(cè)距和定位。但 UWB 可以。

采用 UWB 的傳感器、標(biāo)簽和智能設(shè)備能夠識(shí)別并確認(rèn)人和物的位置，與其他硬件和軟件平臺(tái)結(jié)合使用，讓公司和組織能夠提供多重實(shí)時(shí)定位服務(wù)。具體應(yīng)用包括監(jiān)控員工安全、資產(chǎn)位置，以及流程/工作流優(yōu)化，幫助改善效率、合規(guī)性，并節(jié)省成本。

UWB 如何助力實(shí)現(xiàn)如此高的精度等級(jí)

在測(cè)距和定位方面，UWB 不像窄帶 Wi-Fi 和 Bluetooth LE 那樣易受影響。在錨點(diǎn)和標(biāo)簽之間通信時(shí)，UWB 通信組件使用極低的信號(hào)發(fā)送功率，輻射更大的范圍帶寬，提供比窄帶信號(hào)更快的脈沖上升和下降時(shí)間。

精心布置的錨點(diǎn)會(huì)提供被標(biāo)記物體的不同距離。在已知錨點(diǎn)的準(zhǔn)確位置的情況下，可以精準(zhǔn)確定該物體在二維和三維空間內(nèi)的位置。

雙向測(cè)距 (TWR) 和到達(dá)時(shí)間差 (TDoA) 測(cè)距方法可以消除墻面和機(jī)器反射對(duì)信號(hào)響度的影響。其他 UWB 測(cè)距方法包括到達(dá)相位差 (PDoA) 和反向 TDoA (RTDoA)，為不同類(lèi)型的部署提供優(yōu)勢(shì)。參見(jiàn)圖 1。

圖 1：超寬帶標(biāo)簽和錨點(diǎn)之間的安全雙向測(cè)距。

Noccela 的微定位

采用 Noccela 解決方案時(shí)，錨點(diǎn)就是在本地或云中運(yùn)行的定位引擎的網(wǎng)關(guān)，會(huì)實(shí)時(shí)保存定位數(shù)據(jù)。錨點(diǎn)通過(guò)以太網(wǎng)線纜或 Wi-Fi 連接至網(wǎng)絡(luò)。一旦錨點(diǎn)獲得網(wǎng)絡(luò)連接，它們會(huì)建立 VPN 通道，通向運(yùn)行指定定位引擎的主機(jī)。這些錨點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給定位引擎，后者控制自身分配到的錨點(diǎn)和標(biāo)簽。必要時(shí)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)固定連接或申請(qǐng)到的連接實(shí)施傳輸。

定位引擎也會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)錨點(diǎn)位置，簡(jiǎn)化和加快安裝過(guò)程。強(qiáng)大的接入點(diǎn)接口 (API) 能實(shí)現(xiàn)與門(mén)戶(hù)網(wǎng)站、服務(wù)和第三方解決方案的連接，例如 Kafka 等傳輸引擎、安全警示系統(tǒng)、流程優(yōu)化引擎，甚至完整的數(shù)字孿生技術(shù)。參見(jiàn)圖 2。

圖 2：Noccela 系統(tǒng)架構(gòu)

物體跟蹤助力奪冠

Noccela 的 HPR 屬于創(chuàng)新技術(shù)，使用 TWR 和 TDoA 方法來(lái)提升精度和覆蓋范圍。HPR 的每個(gè)錨點(diǎn)可以覆蓋 500 平方米范圍，與其他解決方案相比，需要的錨點(diǎn)數(shù)更少，但能對(duì)以高達(dá) 60 km/h 速度移動(dòng)的物體提供高達(dá)兩厘米級(jí)精度的定位。這種覆蓋范圍和高速下的精度在進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)分析時(shí)非常有利，Noccela 解決方案幫助體育運(yùn)動(dòng)團(tuán)隊(duì)將競(jìng)技水平提升到新的高度。

足球場(chǎng)一般為 105 米長(zhǎng)，68 米寬。體育館一般不設(shè)頂棚，再加上物體可能會(huì)與場(chǎng)館上空的錨點(diǎn)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致無(wú)法在場(chǎng)館周?chē)酝獾奈恢貌渴疱^點(diǎn)。Noccela 的 HPR 解決方案使用 16 個(gè)錨點(diǎn)覆蓋整個(gè)球場(chǎng)，這些錨點(diǎn)部署在球場(chǎng)周邊，仍然能夠提供高度精準(zhǔn)的 3D 定位。

相比更為復(fù)雜的 UWB 安裝，使用少量精度更高的錨點(diǎn)即可為 Noccela 的客戶(hù)提供所需的精度，且成本更低。如此還可以更快完成部署：許多安裝一般可以在一到兩天內(nèi)完成。

Noccela 的解決方案提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跟蹤解決方案，通過(guò)每隊(duì)一個(gè)錨點(diǎn)的分配方式，上傳近距離接觸數(shù)據(jù)。跟蹤軟件利用時(shí)間戳，記錄參與者(標(biāo)簽)每次彼此相距不到 2 米的情況。當(dāng)報(bào)告團(tuán)隊(duì)之中出現(xiàn)病毒感染時(shí)，經(jīng)理可以立刻確定所有潛在感染成員并將他們隔離，避免感染整個(gè)團(tuán)隊(duì)。

UWB 測(cè)距方法

超寬帶技術(shù) (UWB) 利用飛行時(shí)間 (ToF) 的概念，這是一種通過(guò)將信號(hào)的飛行時(shí)間乘以光速來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)無(wú)線電收發(fā)器之間距離的方法。基于這個(gè)基本原理，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求以不同的方式實(shí)現(xiàn) UWB 技術(shù)。點(diǎn)擊下方詞條了解更多信息。

高性能測(cè)距(HPR)

雙向測(cè)距(TWR)

到達(dá)時(shí)間差(TDoA) 和反向 TDoA

到達(dá)相位差(PDoA)

下一代 HPR 2.0 即將發(fā)布

Noccela 是 Qorvo 的解決方案合作伙伴。其初代解決方案是基于Qorvo 的 DW1000 器件開(kāi)發(fā)的，將要推出的 HPR 2.0 技術(shù)則采用 Qorvo DW3000 UWB IC。Noccela 的新一代解決方案將幫助公司保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在微定位服務(wù)領(lǐng)域保持行業(yè)領(lǐng)先。

審核編輯：湯梓紅