Ultra-Wideband-Funk für genaue Indoor-Lokalisierung nutzen

| Autor / Redakteur: Ersan Günes * / Michael Eckstein

Die Ultra-Wideband-Technik eignet sich für den Aufbau sehr genauer Indoor-Lokalisierungslösungen unter anderem für Industrieanwendungen.
Die Ultra-Wideband-Technik eignet sich für den Aufbau sehr genauer Indoor-Lokalisierungslösungen unter anderem für Industrieanwendungen. (Bild: Intranav)

Die UWB-Funktechnologie nach IEEE 802.15.4z setzt Maßstäbe bei der Indoor-Lokalisierung. Darauf basierende Komponenten lassen sich zu umfassenden Industrielösungen kombinieren.

Standardtechnologien sind im Allgemeinen nicht so sehr die Sache von Apple. Wenn sich das Unternehmen für den Einsatz eines Protokolls entscheidet, dann meist aus triftigem Grunde. So ist es bei UWB: Die Ultra-Wideband-Funktechnologie ermöglicht eine viel genauere und skalierbare Ortung im Indoor-Bereich als andere Verfahren und ist deshalb prädestiniert für den Einsatz in der Logistik und Produktion.

iPhones der neuesten Generation haben einen U1 genannten Chip, der die Ultra-Wideband-Funktechnologie (UWB) nach IEEE 802.15.4z beherrscht. Mit dessen Hilfe sollen sich Smartphones generell einfacher koppeln lassen, um etwa Dokumente oder Fotos auszutauschen. Derartige Services waren bisher eher eine Domäne von Bluetooth oder WLAN. Mit UWB eröffnen sich jedoch ganz neue Möglichkeiten, insbesondere, weil die Technik im Vergleich zu Bluetooth zentimetergenau arbeitet. Diese Vorteile werden derzeit beispielsweise von der Automobil- und Medizinindustrie erkannt. Es entstehen viele neue Anwendungsmöglichkeiten rund um das Übertragungsverfahren, die eine präzise Ortung von mobilen Objekten zum Beispiel mit deren Bewegungsmuster verknüpfen.

„Real-Time-Location-Systems“ setzen auf UWB-Technik

Was sich im Consumer-Umfeld gern als Neuheit präsentiert, hatte sich im professionellen Einsatz bereits abgezeichnet. Vor allem im Zusammenhang mit sogenannten „Real-Time-Location-Systems“ (RTLS) setzen innovative Anbieter seit einiger Zeit auf die UWB-Technik. Mit ihren Lösungen ermöglichen sie ein genaueres Tracking von Produkten, Werkzeugen oder autonomen Fahrzeugen in den Produktions- und Lagerhallen, als dies mit konventionellen Verfahren möglich ist. Nicht nur, weil deren Präzision und Verfügbarkeit unzureichend für die Positionierung etwa von Gütern und für die Steuerung kritischer Prozesse ist, sondern auch, weil UWB-gestützte Lösungen bezüglich Flexibilität und Wirtschaftlichkeit anderen Angeboten überlegen sind.

Systeme für die Indoor-Ortung spielen eine zunehmend gewichtigere Rolle auf dem Weg zu Industrie 4.0 und der autonomen Fabrik. Hier kommt es nicht nur darauf an, die Position verschiedener physikalischer Objekte genau zu erfassen, sondern auch zusätzliche Informationen zu übertragen, die eine intelligente Analyse und Steuerung ermöglichen. Bislang wird die Analyse beweglicher Assets in bisherigen digitalen Infrastrukturen im industriellen Sektor kaum unterstützt. Systeme, die in der Lage sind, den Standort dieser Assets präzise und in Echtzeit zu überwachen, sind zwar verfügbar, leiden aber oftmals unter technischen wie auch wirtschaftlichen Restriktionen. Dabei sind die Einsatzbereiche überaus vielfältig.

Fahrzeuge wie Gabelstapler, Routenfahrzeuge etc. werden oftmals ineffizient eingesetzt, um Material zum Einsatzort zu bringen. Der manuell geführte Transport von Materialien, Gütern oder Ersatzteilen verursacht nicht selten lange Suchzeiten. Die Verwendung von Barcodes zur Kennzeichnung von Container, Behältern und Verpackungen erfordert manuelles Scannen und verschlingt Zeit, und die Planung der Montage ohne digitale Assistenz führt gelegentlich sogar zu Produktionsstopps. Darüber hinaus kommt der Sicherheit eine immer größere Rolle zu. Wenn nicht bekannt ist, ob ein Mitarbeiter sich in einer Gefahrenzone befindet, kann dies zu erheblichen körperlichen Schäden führen. Zudem verlangen Zertifizierungen oder Vorschriften eine genaue Lokalisierung von gefährlichen Stoffen.

Lokalisierungsdaten in Echtzeit generieren, verarbeiten und visualisieren

Die Ineffizienz im Bereich der Analyse und Steuerung von beweglichen Assets führt nicht nur zu durchaus quantifizierbaren Kosten, sondern bedeutet auch ein hohes Betriebsrisiko. Die Alternative dazu bilden RTLS, die Lokalisierungsdaten in Echtzeit generieren, verarbeiten und visualisieren. Tatsächlich bildet UWB hierfür eine optimale Grundlage. Für die drahtlose Kommunikation steht heute eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung – mit jeweils spezifischen Leistungsprofilen und Einsatzbereichen.

Im Outdoor-Bereich hat sich GPS seit vielen Jahren als marktführender Standard entwickelt, steht aber inzwischen nicht mehr allein auf weiter Flur. Die satellitengestützte Ortungstechnologie bietet eine gute Verfügbarkeit und praxisgerechte Genauigkeit etwa für die private Fahrzeugnavigation bei kalkulierbaren Preisen. Mit der Einführung des europäischen Galileo-Systems und gegebenenfalls alternativer Angebote wie Glonass oder Beidou wird sich der Markt auch hier noch einmal grundlegend verändern.

UWB-INS kombiniert reines UWB mit Bewegungsinformationen aus Beschleunigungs- und Drehraten. Dadurch ist die Technik wesentlich stabiler dort, wo die Funkortungssignale reflektiert werden. Ein „Springen“ des Positionssignals wird unterbunden.
UWB-INS kombiniert reines UWB mit Bewegungsinformationen aus Beschleunigungs- und Drehraten. Dadurch ist die Technik wesentlich stabiler dort, wo die Funkortungssignale reflektiert werden. Ein „Springen“ des Positionssignals wird unterbunden. (Bild: Intranav)

Innerhalb von Gebäuden, Produktionsanlagen oder auf Außenlagerstätten ist GPS allerdings ungeeignet. Hier stehen mehrere Konkurrenztechnologien zur Verfügung. Es gilt zunächst zu klären, was zu welchem Zwecke geortet, getrackt und gesteuert werden soll.

Bluetooth und WiFi verfügen in der Nahbereichskommunikation über erhebliche Marktanteile insbesondere bei Consumer-Produkten. Sie eignen sich vor allem für die Ortung von und die Kommunikation mit Smartphones und Smart-Devices in Haushalten und in öffentlichen Bereichen wie Flughäfen, Hotels etc. Ihre Genauigkeit liegt bei etwa 8 bzw. 15 Metern bei einer Reichweite von 50 bzw. 100 Metern. Die Kosten für den Einsatz von Bluetooth sind vergleichsweise niedrig, im WiFi-Bereich etwas höher. Dieses Verhältnis entspricht im Grunde auch der Sicherheit, Störanfälligkeit und Zuverlässigkeit der Datenkommunikation.

Zigbee ist ein Protokoll, das heute vor allem in der Gebäudeautomatisierung Anwendung findet und eine Bestimmungsgenauigkeit von weniger als 15 Metern bei einer Reichweite von rund 150 Metern ermöglicht. Bei niedrigen Kosten und einer hohen Batterielaufzeit ist das Protokoll eine kostengünstige Alternative im nicht-industriellen Umfeld und findet vor allem in Smart-Home-Konzepten Anwendung.

Objekte über große Distanzen genau lokalisieren

Technologien wie RFID und NFC können Objekte in geringer Nähe von 5 oder 10 Zentimetern identifizieren, sind aber nicht dafür entwickelt, größere Distanzen zu überbrücken. Sie arbeiten auf SKU-Ebene (Stock Keeping Unit) und sind kostengünstig, kommen aber für automatisierte Logistikprozesse nicht in Frage. Für die Steuerung fahrerloser Transportsysteme, (Automatic Guided Vehicles, AGV) bieten sich mit Infrarot-Kameras und Laser-gestützten Techniken weitere in der Praxis verwendete Alternativen. Die Kameralösung ermöglicht die genaue Positionierung bis auf 2 Zentimeter, hat allerdings nur eine Praxisreichweite von etwa 8 Metern. Zudem ist sie vergleichsweise kostenintensiv. Der Laser bietet dagegen eine höhere Reichweite bis zu 50 Metern, ist allerdings ebenfalls mit hohen Kosten verbunden.

Bei der Indoor-Lokalisierung punktet UWB mit hoher Reichweite, guter Genauigkeit und hoher Batterielebensdauer.
Bei der Indoor-Lokalisierung punktet UWB mit hoher Reichweite, guter Genauigkeit und hoher Batterielebensdauer. (Bild: Intranav)

Angesichts seiner Vorzüge hat sich UWB zum technischen Standard der Wahl bei Real-Time-Location-Systems entwickelt. Marktforscher gehen davon aus, dass UWB-basierten Lösungen bis zum Jahr 2023 das Volumen aller anderen Alternativen überschreiten werden. Der UWB-Technologie liegt der Standard IEEE 802.15.4z zur Kommunikation von Sensoren und Aktuatoren in einem kabellosen Netzwerk zugrunde. Das Verfahren basiert auf der Funkübertragung impulsförmiger Signale über breitbandige Kanäle von bis zu 500 MHz mit sehr hohen Frequenzen von 3 GHz bis zu 10,6 GHz und einer sehr geringen Sendeleistung von 0,5 mW. Die Datenrate erreicht Werte von bis zu 1.320 MBit/s. Der UWB-Standard garantiert wenig bis keine Interferenzen mit anderen Funkstandards und ist deshalb auch in der Kombination mit anderen Funktechniken wie NFC, Bluetooth oder Wi-Fi geeignet. Die Latenzzeiten sind mit bis zu wenigen Millisekunden äußerst gering.

UWB-Technik setzt sich immer mehr durch

UWB-INS kombiniert darüber hinaus die intelligente Sensorfusion und „veredelt“ die reine UWB-Ortung. Dabei wird reines UWB mit Bewegungsinformationen aus Beschleunigungs- und Drehraten kombiniert. Dadurch ist die Technik wesentlich stabiler dort, wo die Funkortungssignale reflektiert werden, und das typische „Springen“ des Positionssignals wird unterbunden. Spezielle Machine-Learning-Algorithmen errechnen kontinuierlich die aktuelle Position und schätzen den nächsten Standort, wenn die Signalqualität Hinweise darauf gibt, dass das Signal etwa durch Metall oder Flüssigkeiten reflektiert oder gestört wird. Aufgrund seiner physikalischen Vorzüge wird die UWB-Technologie derzeit – abhängig von den unterschiedlichen Einsatzbereichen – von führenden Unternehmen und im Rahmen technologischer Allianzen weiterentwickelt.

Das reicht von der Automobilindustrie über die Medizintechnik bis hin zur HD-Video-Übertragung. Insbesondere ist UWB innerhalb der Indoor-Logistic derzeit die State-of-the-Art-Lösung für innovative Systeme, die in der Lage sind, die Vorzüge der Technik bezüglich Ortungspräzision, Übertragungskapazität und Wirtschaftlichkeit im Rahmen einer Gesamtlösung bestehend aus physikalischer Infrastruktur und intelligenter Software für die Analyse und Steuerung der Logistikprozesse zu kombinieren. Dabei ermöglicht die störungsfreie Kooperation mit anderen eingesetzten Funktechnologien eine schrittweise Migration, die sowohl in technologischer als auch in ökonomische Hinsicht die Anforderungen erfüllen kann.

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* Ersan Günes ist Mitgründer und Chief Executive Officer von Intranav in Eschborn

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Der Wohnnachbar ist dann stets informiert.  lesen
posted am 03.03.2020 um 08:59 von Unregistriert

UWB muß unbdngt verpfloichtend werden für alle neuen Smartphones. Damit kann dann endlich nicht...  lesen
posted am 02.03.2020 um 15:15 von Unregistriert

Haben IntraNav im Einsatz und nutzen die UWB Technik zum lokalisieren von Ladungsträgern. Ich bin...  lesen
posted am 18.02.2020 um 14:43 von Unregistriert


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