Zentimetergenaue Ortung in der Logistik Ultra-wideband als Standard für die Indoor-Ortung

| Autor/ Redakteur: Ersan Günes / Jürgen Schreier

Zahlreiche Transportsysteme im Bereich der Intralogistik, z.B. Fahrzeuge oder andere „Assets in Motion“, müssen effektiv koordiniert werden. Real-Time Locating Systems (RTLS) spielen dabei eine entscheidende Rolle. Der Markt bietet auf verschiedenen Standards basierende Systeme. Derzeit steht dabei die UWB-Technologie (Ultra-wideband) im Fokus, weil sie präziser und kostengünstiger ist.

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Derzeit steht dabei die UWB-Technologie (Ultra-wideband) im Fokus. Sie ist präzise und kostengünstig.
Derzeit steht dabei die UWB-Technologie (Ultra-wideband) im Fokus. Sie ist präzise und kostengünstig.
(Bild: INTRANAV)

Logistische Prozesse sind dann besonders effizient, wenn sie nahtlos aufeinander abgestimmt sind und bestenfalls reibungslos ineinandergreifen. Traditionell ist die Branche deshalb schon lange gegenüber digitalen Automatisierungslösungen aufgeschlossen, wenn es darum geht, Regallager in Industriehallen zu bestücken, das Track und Trace in Produktionsanlagen zu verbessern oder Werkzeugmaschinen automatisiert arbeiten zu lassen.

Vor allem Real-Time Locating Systems (RTLS) haben sich in der Praxis etabliert. Denn durch diese Echtzeit-Ortung von Personen und eben auch Maschinen, Fahrzeugen etc. kann deren Bewegungsablauf besser geplant und gesteuert werden. Ineffizienzen, die beispielsweise durch übliche Wartezeiten beim Transport von Gütern entstehen, können so deutlich verringert werden.

RTLS in der Praxis

Ein wichtiger Punkt ist die Erfassung der Position eines physikalischen Objektes. Dies kann ein Gabelstapler, ein anderes autonomes Transportmittel oder ein zuliefernder Roboterarm und ähnliches sein. Durch die Analyse der Echtzeit-Positionsdaten lassen sich Routen planen, optimieren und automatisieren.

Diese Standortbestimmungen sind zudem die Basis für eine Vielzahl von Services, die RTLS heute bieten: Materialflussanalysen decken Optimierungspotenziale auf, Safety Assistenzsysteme warnen vor Kollisionen oder der Gefährdung von Personen, Werkzeugsteuerungen können vorab festgelegte Bedingungen beachten und durch vordefinierte Zonen lassen sich Automatisierungsschritte und Events auslösen– um nur einige Beispiele zu nennen. Diese und weitere Funktionen haben direkten Einfluss auf die angrenzenden Prozesse und damit auf die gesamte Produktion.

Die am Markt etablierten Lösungen beruhen auf unterschiedlichen Funktechnologien. Während GPS sich im Outdoor-Bereich zum marktführenden Standard entwickelt hat, erweist es sich für den Indoor-Bereich als zu ungenau und anfällig hinsichtlich der Verfügbarkeit. RTLS-Lösungen für den Innenbereich beruhen deshalb zumeist auf WiFi, Bluetooth oder UWB, nicht ganz so verbreitet sind Technologien wie Zigbee, Infrarot und RFID. Dabei machte vor allem UWB in letzter Zeit auf sich aufmerksam, denn die Technologie erlaubt Echtzeit-Ortung mit hoher Präzision.

Diese Genauigkeit veranlasste sogar Apple, einen Chip in sein iPhone 11 einzubauen, der UWB unterstützt. Aktuell wird die Funktechnologie dabei für die AirDrop-Funktion genutzt, mit der sich Dokumente zwischen mehreren iPhones austauschen lassen. Der Eintritt von UWB im Consumer-Markt sorgt für zusätzlichen Schwung hinsichtlich der Verbreitung im industriellen Sektor, was zugleich zu sinkenden Kosten führt.

UWB im Vergleich mit WiFi, Bluetooth und RFID

Ultra-wideband ist eine Funktechnologie für die Kurzstrecken-Kommunikation. Impulsförmige Signale werden drahtlos über Funkkanäle mit hoher Bandbreite und geringer Sendeleistung übertragen. Es liegt der Standard IEEE 802.15.4.z zugrunde, der sich mit der Kommunikation von Sensoren und Akutatoren in kabellosen Netzwerken beschäftigt.

Die Bandbreite kann dabei bis zu 500 MHz bei Frequenzen zwischen 3 GHz und 10,6 GHz betragen, bei einer Sendeleistung von 0,5 mW. Das führt zu sehr hohen Datenraten von bis zu 1320 Mbit/s bei einer maximalen Reichweite von etwa 80 m, ohne (oder zumindest kaum) Interferenzen mit anderen Funktechnologien zu verursachen. Eine wichtige Voraussetzung, wenn man mehrere Techniken kombinieren will – ein häufiger Fall in der Praxis.

Dank dieser hohen Übertragungskapazitäten und extrem geringen Latenzzeiten ist es möglich, Positionsabfragen zum Beispiel einhundertmal oder sogar öfter pro Sekunde auszuführen, um dem Echtzeit-Anspruch gerecht zu werden. Das genutzte Laufzeitverfahren erlaubt es, präzise Ortungen im dreidimensionalen Raum ausführen zu können. „Präzise“ bedeutet dabei auf etwa zehn Zentimeter genau.

Ultra-wideband ist eine Funktechnologie für die Kurzstrecken-Kommunikation. Impulsförmige Signale werden drahtlos über Funkkanäle mit hoher Bandbreite und geringer Sendeleistung übertragen. Es liegt der Standard IEEE 802.15.4.z zugrunde.
Ultra-wideband ist eine Funktechnologie für die Kurzstrecken-Kommunikation. Impulsförmige Signale werden drahtlos über Funkkanäle mit hoher Bandbreite und geringer Sendeleistung übertragen. Es liegt der Standard IEEE 802.15.4.z zugrunde.
(Bild: INTRANAV)

Der Echtzeit-Ortungssystem-Spezialist INTRANAV arbeitet aktuell an der Weiterentwicklung UWB-INS, die in Zukunft sogar Werte darunter erreichen soll. Darüber hinaus wird die reine UWB-Ortungsinformation mit Bewegungsdaten aus Beschleunigungs- und Drehraten kombiniert. Machine-Learning-Algorithmen errechnen daraus die aktuelle Position und schätzen den nächsten Standort und zwar auch dann, die empfangenen Signale auf Störungen, etwa verursacht durch reflektierende Metalle oder Flüssigkeiten, hindeuten.

Diese Präzision erreichen WiFi und Bluetooth nicht, können aber zum Teil auf größere Reichweiten verweisen. So schafft WiFi eine Genauigkeit von etwa 15 m bei einer Reichweite von 150 m, Bluetooth misst auf 8 m genau über eine Entfernung von maximal 50 m. Trotzdem sind beide Standards weiter verbreitet, weil sie sich vor allem für die Kommunikation im öffentlichen Raum und im Smart Home sowie für den Umgang von Smartphones untereinander gut eignen.

Für die präzise Steuerung autonomer Fahrzeuge zum Beispiel scheiden diese beiden Technologien deshalb aus. RFID bietet zwar genau wie UWB eine Ortungs-Genauigkeit von unter 10 cm, kann aber größere Distanzen nicht überwindenRFID bietet zwar genau wie UWB eine Ortungs-Genauigkeit von unter 10 cm, kann aber größere Distanzen nicht überwinden und eignet sich deshalb nur für die punktuelle Ortung.

Mitentscheidend sind die Kosten

Lange Zeit waren es die finanziellen Aspekte, die die weitere Verbreitung der UWB erschwerten. Vor allem Bluetooth zeichnet sich durch vergleichsweise geringe Einsatzkosten aus, auch WiFi-Komponenten sind dank hoher Marktnachfrage relativ erschwinglich am Markt. Für die Umsetzung einer UWB-basierten Lösung sind zunächst UWB-Antennen notwendig, die die Signale der zu ortenden Assets erfassen. Um Positionen im Raum zu erfassen, muss jeder Bereich mit mindestens drei solcher Antennen abgedeckt sein.

So richtet sich die Gesamtzahl entsprechend nach den räumlichen Gegebenheiten. Hinzu kommen UWB-Tags, mit den die zu ortenden Geräte, Maschinen und Fahrzeuge markiert werden. Je mehr Assets integriert werden, umso höher die Kosten. Mit der wachsenden Verbreitung der UWB-Technologie und der zusätzlichen Entwicklung für den Stückzahl-intensiven Consumer-Bereich entwickeln sich die Kosten für die UWB-Hardware positiv: Je mehr Nachfrage, desto geringer der Stückpreis insbesondere für UWB-Tags.

So werden vor allem drei Entwicklungen die Verbreitung von UWB fördern: Mit der hohen Ortungs-Präzision eignet sich die Technologie auch für anspruchsvolle sowie komplexe intralogistische Anforderungen. Sinkende Kosten sorgen für einen praxistauglichen Return-on-Invest. Und schließlich sind es die leistungsfähigen RTLS, die mit zahlreichen Funktionen schon heute in der Lage sind, Services über die Ortung und Routenplanung hinaus zur Verfügung zu stellen.

Ersan Günes ist Gründer und CEO von INTRANAV.

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