Explorando as vantagens exclusivas da tecnologia UWB: alcançando um posicionamento de alta precisão

A tecnologia de posicionamento UWB é um método de rastreamento de localização preciso usando sinais sem fio. Ele determina a posição exata de um objeto medindo parâmetros como tempo de chegada, diferença de fase e energia do sinal de sinais de rádio de banda ultralarga.

A tecnologia de posicionamento UWB oferece diversas vantagens. Em primeiro lugar, proporciona alta precisão de posicionamento, permitindo uma localização precisa ao nível milimétrico. Em segundo lugar, o UWB possui fortes capacidades anti-interferência, permitindo manter um bom desempenho de posicionamento mesmo em ambientes com propagação e interferência de múltiplos caminhos. Além disso, a tecnologia UWB possui boa capacidade de penetração, permitindo localizar objetos através de determinados obstáculos.  

Um sistema de posicionamento UWB é composto por estações base UWB e tags UWB.

 Em um sistema de posicionamento UWB, uma única etiqueta interage com três estações base para realizar a triangulação. Até 30 tags podem se comunicar com essas três estações base simultaneamente, permitindo posicionamento e rastreamento de alta precisão de múltiplos alvos.

Usando o método de posicionamento planar de três pontos para cálculo de localização preciso : Em sistemas de posicionamento UWB e AoA, o método de posicionamento planar de três pontos é empregado. Ao ter três estações base conhecidas recebendo sinais de uma etiqueta desconhecida, o sistema pode medir com precisão a chegada do sinal de tempo, alcançando assim um posicionamento de alta precisão. 

Um sistema de posicionamento UWB pode, dentro da área de cobertura das estações base UWB, trabalhar em conjunto com tags UWB e utilizar o algoritmo TDOA junto com dispositivos de exibição de terminal para realizar tarefas complexas, como posicionamento, monitoramento e rastreamento de pessoal. Este sistema permite a localização e gestão de monitorização em tempo real de pessoas e objetos, atingindo uma precisão de posicionamento de 10 a 30 centímetros.

O posicionamento Bluetooth AoA (Ângulo de Chegada) e AoD (Ângulo de Partida) usa a mesma tecnologia subjacente. Ao usar o método de ângulo de partida (AoD), o dispositivo de transmissão contém um conjunto de múltiplas antenas que envia um sinal especial de localização de direção. Outro dispositivo então usa esse sinal para calcular a direção de onde o sinal é recebido.

O sistema de posicionamento UWB é geralmente dividido em três camadas: a camada de percepção de posicionamento, a camada de transmissão de rede e a camada de aplicação de posicionamento. Inclui principalmente os seguintes componentes: servidor de mecanismo de posicionamento, terminal inteligente, switch, estação base UWB, etiqueta UWB, módulo UWB e interfaces de software

Princípio de funcionamento do posicionamento UWB

Cada tag de posicionamento transmite continuamente quadros de dados usando pulsos UWB.

As rajadas de pulso UWB enviadas pela etiqueta de posicionamento são recebidas pelas estações base de posicionamento.

 Cada estação base de posicionamento utiliza um detector de pulso curto altamente sensível para medir o tempo em que cada quadro de dados da etiqueta de posicionamento chega à antena do receptor.

O mecanismo de posicionamento refere-se aos dados de calibração enviados pela etiqueta para determinar a diferença de tempo de chegada entre diferentes estações base de posicionamento. Em seguida, calcula a posição da tag usando algoritmos de trilateração e otimização.

O posicionamento de estações multi-base geralmente emprega algoritmos TDOA (Diferença de Tempo de Chegada) e TOA (Tempo de Chegada).

 A arquitetura do sistema de posicionamento AoA é dividida em quatro camadas: a camada de objeto, a camada de coleta, a camada de processamento e a camada de apresentação.

 Camada de Objeto:  Inclui os dispositivos ou objetos posicionados, que interagem com o sistema enviando sinais.

 Camada de Coleta:  Composta por dispositivos receptores (como estações base), é responsável por receber sinais da camada de objeto e medir o Ângulo de Chegada (AoA) dos sinais.

 Camada de Processamento:  Esta camada inclui o servidor do mecanismo de posicionamento, o servidor de dados e o servidor de negócios. Os servidores são responsáveis ​​pelo cálculo de localização, análise de dados, validação de dados e outras tarefas.

 Camada de apresentação:  esta camada lida com a inicialização de dados de posicionamento do sistema, gerenciamento de processos de negócios, gerenciamento de usuários, consultas de dados e muito mais, todos gerenciados por meio de um navegador da web.

 Quais são as diferenças entre a tecnologia de posicionamento UWB e Bluetooth AoA?

UWB e Bluetooth são tecnologias e padrões de comunicação, cada um com seu próprio protocolo padrão, e operam em diferentes bandas de frequência. O UWB segue o padrão IEEE 802.15.4-2020, enquanto o Bluetooth evoluiu para o padrão 5.2.

AoA, AoD, ToF e TDoA são todos métodos de posicionamento. AoA pode ser usado com Bluetooth e UWB, mas atualmente o Bluetooth não oferece suporte a aplicativos ToF ou TDoA. Isso é determinado pela tecnologia de hardware subjacente.

Método AoA:  Em termos simplificados, este método calcula a distância entre uma etiqueta e uma estação base medindo o ângulo entre elas. Portanto, o fator chave é a precisão da medição do ângulo.

Métodos ToF e TDoA:  Em termos simplificados, esses métodos medem o tempo, especificamente o tempo de voo do sinal entre a etiqueta e a estação base. Como a velocidade de voo dos sinais sem fio é aproximadamente a velocidade da luz , a precisão de medição necessária é muito alta.

Etapas de implementação da tecnologia de posicionamento UWB:

Obtenha a distância entre nós:  Meça as distâncias entre vários nós.

Calcular coordenadas iniciais:  Use um algoritmo de posicionamento para determinar as coordenadas iniciais.

Filtre as coordenadas iniciais:  aplique filtragem às coordenadas iniciais para obter um posicionamento preciso.

Características da tecnologia UWB em aplicações práticas:

Transmissão de dados em alta velocidade:  Os sinais UWB possuem uma largura de banda muito grande, o que resulta em uma alta capacidade de canal para transmissão de dados. Os sinais UWB podem transmitir dados a velocidades de cerca de 500 Mbps. Esta característica permite que o UWB desempenhe um papel crucial na modulação do sinal.

Baixo consumo de energia:  o UWB transmite dados usando pulsos intermitentes com durações extremamente curtas, o que significa que seu consumo de energia é muito baixo, normalmente atingindo apenas algumas dezenas de miliamperes no máximo.

Alta Segurança:  Devido à largura de banda de frequência extremamente ampla dos sinais UWB, sua energia é altamente dispersa em todo o espectro. Isto torna os sinais difíceis de detectar e interceptar, aumentando a segurança e o sigilo da comunicação.

Forte capacidade anti-multipercurso:  Ao contrário dos sinais de comunicação sem fio convencionais, que são contínuos no domínio do tempo e, portanto, suscetíveis a limitações de qualidade e taxa de dados devido aos efeitos de multipercurso, os sinais UWB consistem em pulsos estreitos de duração muito curta. Como resultado, em ambientes multipercursos, os pulsos não se sobrepõem, dando ao UWB uma forte resistência à interferência multipercurso.

Alta precisão de posicionamento :  o posicionamento UWB pode atingir precisão de tempo em nível de nanossegundos, que, quando combinado com vários algoritmos de medição de distância, permite a estimativa de posição com precisão em nível de centímetro. Além disso, o UWB tem interferência mínima com outros dispositivos.