Roboții mobili pentru transport, în special vehiculele cu ghidare automată (AGV) și roboții mobili autonomi (AMR), câștigă rapid teren în sectoarele de producție și logistică. Această evoluție este impulsionată de nevoia de a compensa deficitul de forță de muncă și de a crește productivitatea prin dezvoltarea fabricilor inteligente.
Roboți mobili pentru transport: de la trasee prestabilite la navigație autonomă
În sectorul producției, un exemplu relevant este utilizarea acestor roboți pentru deplasarea pieselor și a produselor finite între liniile de fabricație din uzinele auto.
În logistică, AMR-urile sunt utilizate pentru a prelua produsele specificate de pe rafturi în centrele de distribuție pentru comerț electronic și pentru a le transporta către zonele de ambalare. De asemenea, acestea sunt utilizate în sisteme de depozitare în care paleții și containerele sunt transportate automat.
AGV-urile urmează o rută prestabilită, folosind linii de ghidare, bandă magnetică, coduri bidimensionale sau lasere. Acestea se opresc atunci când detectează un obstacol, cu ajutorul unor senzori precum camerele video și LiDAR. Aplicațiile tipice includ transportul pieselor în interiorul unei fabrici, deplasarea materialelor între liniile de producție și transportul automatizat al paleților și containerelor în depozite.
AMR-urile nu necesită o cale de ghidare, deoarece își stabilesc autonom traseul prin estimarea propriei poziții și generarea de hărți, navigând pe baza datelor primite de la senzori. Acestea utilizează o tehnică numită localizare și cartografiere simultană (SLAM – Simultaneous Localization and Mapping), prin care colectează și interpretează date de la senzori precum LiDAR și camere video.
Inteligența artificială (AI) poate fi utilizată pentru optimizarea dinamică a rutelor, pentru evitarea obstacolelor și pentru gestionarea eficientă a operațiunilor logistice. Pe lângă transportul pieselor și al paleților, AMR-urile pot oferi și funcționalități suplimentare, precum selectarea și sortarea pieselor, reducând astfel nevoia de intervenție umană și riscul de erori ale operatorilor.
Comunicația wireless în roboții mobili pentru transport
AGV-urile și AMR-urile utilizează diverse tehnologii wireless, precum Bluetooth®, LAN wireless și rețele LPWA (Low Power Wide Area), pentru colectarea informațiilor de la senzori și transmiterea datelor de control. Prin utilizarea comunicațiilor wireless, se poate obține o poziționare foarte precisă și fiabilă, ceea ce contribuie la prevenirea întreruperilor de proces și a accidentelor în timpul transportului.
În plus, tehnologiile 5G și rețelele private 5G, caracterizate printr-un nivel ridicat de fiabilitate, sunt adoptate în prezent pentru utilizarea în AMR-uri. Secțiunile următoare prezintă caracteristicile fiecărei tehnologii de comunicații wireless.
Bluetooth pentru comunicații pe distanțe scurte
Tehnologia Bluetooth este utilizată pentru comunicații pe distanțe scurte cu senzori care generează doar cantități mici de date. Folosite, de obicei, pentru transmiterea datelor de control și a datelor de diagnosticare, modulele wireless Bluetooth se remarcă prin consum redus de energie și cost scăzut. Bluetooth v5.0 și versiunile ulterioare au introdus caracteristici precum comunicațiile pe distanțe mai lungi și poziționarea precisă în interior.
LAN wireless pentru transfer rapid de date în fabrici și depozite
Rețelele LAN wireless sunt utilizate pe scară largă în fabricile și depozitele inteligente. Suportul pentru viteze mari de transfer al datelor – de până la 30 Gbps în cazul Wi-Fi 7 – le face potrivite pentru transmiterea în timp real a datelor, cum ar fi imaginile și informațiile de poziționare, între roboții mobili pentru transport și sistemele lor de control. De asemenea, acestea pot fi utilizate pentru control de la distanță și actualizări software.
Cu toate acestea, deoarece banda de 2,4 GHz utilizată de rețelele LAN wireless este partajată cu alte dispozitive wireless, inclusiv cu cele care funcționează în banda ISM, există un risc semnificativ de interferențe radio între dispozitive. Pentru a reduce această problemă, producătorii se orientează tot mai mult către utilizarea benzilor de 5 GHz și 6 GHz.
5G și 5G privat pentru comunicații fiabile și mobilitate
Tehnologiile 5G și 5G privat oferă avantaje precum acoperirea unei zone extinse cu o densitate mare de dispozitive conectate și o rezistență foarte bună la interferențe. De asemenea, acestea permit transferul fără întreruperi al conexiunii și gestionarea mobilității între mai multe puncte de acces wireless, asigurând astfel comunicații continue.
În plus, comunicațiile ultra-fiabile cu latență redusă (URLLC – Ultra-Reliable Low-Latency Communications), disponibile în 5G și 5G privat, permit comunicații cu fiabilitate foarte ridicată, latență redusă și debit mare. Aceste caracteristici sunt importante în comunicarea cu sisteme precum controlerele logice programabile (PLC – Programmable Logic Controllers), care supraveghează echipamentele de pe liniile de producție, și sistemele de management al depozitelor (WMS – Warehouse Management Systems), care administrează intrarea și ieșirea mărfurilor, materialelor și produselor din depozit, precum și gestiunea stocurilor.
LPWA pentru senzori, contoare și comunicații pe distanțe lungi
Tehnologia LPWA este utilizată pentru colectarea unor cantități mici de date, de obicei de la senzori și contoare, pe distanțe lungi, de câțiva kilometri, cu un consum redus de energie și viteze de transfer al datelor de aproximativ 1 Mbps. Tehnologiile LPWA celulare, precum LTE Cat-M1 și NB-IoT, utilizează stații de bază ale rețelelor mobile, în timp ce tehnologiile LPWA non-celulare, inclusiv LoRaWAN și Sigfox, utilizează, în principal, puncte de acces dedicate.
Marca verbală și logo-urile Bluetooth® sunt mărci comerciale înregistrate deținute de Bluetooth SIG, Inc. Orice utilizare a acestor mărci de către Anritsu se face sub licență.
Provocări în integrarea dispozitivelor de comunicații wireless
Figura 1: Zgomot și interferențe generate în interiorul dispozitivului. (Sursă: Anritsu)
Deși modulele comerciale de comunicații wireless sunt, în general, conforme cu toate standardele și reglementările relevante, performanța lor în condiții reale de utilizare poate varia semnificativ atunci când sunt instalate într-un robot mobil pentru transport.
Factori precum mediul cu numeroase suprafețe metalice, schimbările dinamice ale mediului wireless și interferențele provenite de la componentele echipamentelor din apropiere pot afecta funcționarea acestor module. Astfel de provocări pot duce la instabilitatea comunicației wireless în timpul utilizării. Prin urmare, este esențial să se verifice dacă modulul wireless funcționează corespunzător atunci când este integrat într-un sistem robotic de transport.
Componentele electronice din interiorul robotului mobil pentru transport – precum circuitele de alimentare, invertoarele, procesoarele, afișajele și modulele wireless – pot fi, la rândul lor, surse de zgomot și pot genera interferențe radio în interiorul robotului. Acest fenomen, în care zgomotul generat în interiorul unui dispozitiv afectează negativ calitatea propriilor comunicații wireless, este numit “autointoxicație” sau “intra-EMC”.
Efectele pot include pierderi de date, întârzieri ale comunicațiilor și, în cel mai defavorabil caz, întreruperi ale comunicațiilor, ceea ce poate provoca disfuncționalități ale sistemului. Din acest motiv, este esențială verificarea performanței emițătorului și receptorului RF, precum și a calității generale a comunicației wireless, încă din etapa de prototip a roboților mobili pentru transport.
Cerințe locale și testare automată
Deoarece standardele de comunicații wireless variază în funcție de țară și regiune, roboții mobili pentru transport trebuie să respecte cerințele locale aplicabile. În plus, benzile de frecvență radio disponibile pentru 5G și rețele LAN wireless diferă de la o țară sau regiune la alta, ceea ce face necesară certificarea pentru demonstrarea conformității cu legislația și reglementările locale.
În consecință, testele trebuie efectuate pe baza parametrilor specifici fiecărui standard de comunicații și fiecărei benzi de frecvență, inclusiv performanța de transmisie și sensibilitatea de recepție. Având în vedere complexitatea acestui proces, este necesară o metodă prin care testarea să poată fi efectuată automat și, implicit, mai eficient.
EMC și interferențele în fabrici și depozite
Zgomotul electromagnetic generat de echipamentele din fabrici și depozite, precum și reflexia și ecranarea undelor radio de către obiecte metalice sau de altă natură, pot provoca interferențe multipath și atenuarea intensității undelor radio, degradând astfel calitatea comunicațiilor wireless. În plus, interferențele radio provenite din exteriorul unei fabrici sau al unui depozit pot afecta comunicațiile și pot provoca funcționarea defectuoasă a roboților.
Pentru a minimiza această degradare a calității comunicațiilor, este necesară o înțelegere completă a mediului radio, atât în interior, cât și în exterior. Aceasta presupune verificarea prezenței interferențelor. Dacă sunt detectate semnale radio nedorite, sursele acestora trebuie identificate și eliminate.
În plus, trebuie luate în considerare și întârzierile de comunicație cauzate de alți factori decât semnalele radio. Acestea pot include anomalii la routerele de comunicații, switch-uri și roboții mobili pentru transport instalați în fabrici și depozite.
Testarea în timpul dezvoltării și producției
Anritsu oferă echipamente de testare pentru evaluarea performanțelor RF ale tuturor tipurilor de comunicații wireless, inclusiv LAN wireless, Bluetooth, 4G/LTE și 5G. Analizoarele de spectru sunt ideale pentru investigarea zgomotului și a interferențelor radio din interiorul dispozitivelor, în timp ce analizoarele de rețea vectoriale sunt utilizate pentru evaluarea componentelor precum antenele și cablurile. Setul de testare Bluetooth MT8852B de la Anritsu este proiectat special pentru verificarea caracteristicilor RF TRx și a conectivității dispozitivelor Bluetooth.
În plus, pentru testarea dispozitivelor de comunicații wireless pe liniile de producție, setul universal de testare wireless MT8870A de la Anritsu suportă diverse standarde, inclusiv 5G NR sub-6 GHz, NB-IoT și Wi-Fi. Pentru 5G, stația de testare a comunicațiilor radio MT8000A dispune de o funcție de emulare a stației de bază pentru măsurători RF, teste de protocol și teste de aplicații. Aceasta suportă benzile FR1, sub-6 GHz, și FR2, în domeniul undelor milimetrice. Analizorul de comunicații radio MT8821C facilitează, la rândul său, testarea RF TRx pentru dezvoltarea modulelor LTE, Cat-M1 și NB-IoT.
Monitorizarea și detectarea semnalelor de interferență
Semnalele radio de bruiaj și interferență nu sunt întotdeauna prezente. Prin urmare, este necesară captarea variațiilor tranzitorii și instantanee ale undelor radio. Anritsu oferă analizorul de spectru în timp real Field Master Pro MS2090A pentru detectarea prezenței interferențelor. Acesta acoperă continuu banda de frecvență de la 9 kHz la 54 GHz și poate capta atât variațiile tranzitorii, cât și pe cele instantanee din mediul RF, pentru a identifica anomaliile.
Detectarea semnalelor de bruiaj și interferență presupune trei pași.
Figura 2: Interferențe radio și zgomot într-o fabrică. (Sursă: Anritsu)
Primul este identificarea prezenței bruiajului sau a interferenței. În această etapă, măsurarea în timp real permite captarea frecvenței, puterii și frecvenței de apariție a acestor semnale nedorite, inclusiv a semnalelor instantanee și în rafale.
Al doilea pas implică estimarea zonei afectate de semnalele radio nedorite, prin efectuarea de măsurători ale mediului și cartografierea intensității acestora.
Pasul final constă în identificarea sursei și a locației acestor semnale radio nedorite, folosind un analizor de spectru, un instrument pentru verificarea polarizării și o antenă direcțională portabilă.
Un alt test esențial implică verificarea latenței comunicației și a debitului de date. Network Master Pro MT1000A este un tester Ethernet care suportă Ethernet de la 10/100/1000M până la 100G. Prin utilizarea procesării hardware, fără a se baza pe puterea procesorului, este posibilă evaluarea precisă a indicatorilor de performanță ai comunicației, inclusiv debitul, pierderea de pachete, latența și jitterul de pachete, pentru dispozitivele LAN wireless.
Tendințe viitoare
Roboții mobili pentru transport se dezvoltă rapid datorită progreselor în tehnologia 5G, în AI și integrării tot mai strânse cu dispozitive IoT, precum senzorii utilizați în fabrici și depozite. Prin latența redusă și comunicațiile stabile pe care le oferă, 5G va susține coordonarea între mai mulți roboți și va îmbunătăți precizia operațiunilor robotizate controlate de la distanță.
Progresele în domeniul AI, IoT, tehnologiei senzorilor și evitării obstacolelor vor contribui, de asemenea, la creșterea siguranței în spațiile în care oamenii și roboții lucrează împreună. În viitor, se preconizează că roboții vor fi utilizați pentru transport rutier și chiar aerian. În prezent, dezvoltatorii din întreaga lume realizează teste demonstrative pentru a evalua eficiența acestor soluții și pentru a aborda provocările practice legate de implementarea lor.
Aria de aplicare industrială se extinde și include nu doar logistica și producția, ci și agricultura și medicina. În agricultură, de exemplu, roboții de transport sunt utilizați pentru monitorizarea culturilor, recoltare și însămânțare. În viitor, acești roboți vor fi conectați la dispozitive IoT, precum senzori de temperatură, umiditate și nivel al apei, și vor funcționa autonom pentru a reduce necesarul de forță de muncă și pentru a îmbunătăți eficiența.
Concluzie
Pe măsură ce automatizarea este adoptată tot mai mult în fabrici și lanțuri de aprovizionare, pentru reducerea costurilor cu forța de muncă și îmbunătățirea eficienței, crește și nevoia de tehnologii de comunicații extrem de fiabile și cu latență redusă.
Anritsu răspunde acestor cerințe prin soluții de testare de ultimă generație, contribuind la dezvoltarea pieței și la susținerea inovării tehnologice. În viitor, Anritsu va continua să sprijine rezolvarea provocărilor întâlnite în aplicațiile reale, ca partener al companiilor care urmăresc automatizarea industrială și creșterea eficienței operaționale.
Autor:
Yamazaki, Assistant Manager
Anritsu Corporation
Glosar de termeni
Roboți mobili și sisteme autonome
AGV (Automated Guided Vehicle) – Vehicul cu ghidare automată, utilizat pentru transportul materialelor, pieselor sau produselor în fabrici și depozite. AGV-urile urmează trasee prestabilite, folosind linii de ghidare, bandă magnetică, coduri bidimensionale, lasere sau alte repere.
AMR (Autonomous Mobile Robot) – Robot mobil autonom capabil să își stabilească traseul pe baza datelor primite de la senzori. Spre deosebire de AGV-uri, AMR-urile nu au nevoie de o cale fixă de ghidare și pot evita obstacolele în mod dinamic.
SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) – Tehnică utilizată de roboții mobili pentru a-și estima poziția și pentru a genera simultan o hartă a mediului înconjurător. SLAM se bazează pe date provenite de la senzori precum LiDAR, camere video sau alte sisteme de detecție.
LiDAR (Light Detection and Ranging) – Tehnologie de detecție care utilizează impulsuri laser pentru măsurarea distanțelor și generarea unei reprezentări precise a mediului. În roboții mobili, LiDAR este folosit pentru navigație, cartografiere și evitarea obstacolelor.
Comunicații wireless și rețele
LAN wireless / Wi-Fi – Rețea locală fără fir utilizată pentru transferul rapid al datelor între dispozitive. În fabrici și depozite inteligente, LAN wireless poate transmite imagini, date de poziționare, informații de control și actualizări software.
Wi-Fi 7 – Generație avansată de tehnologie Wi-Fi, proiectată pentru viteze mari de transfer al datelor, latență redusă și performanță îmbunătățită în medii cu multe dispozitive conectate.
LPWA (Low Power Wide Area) – Categorie de tehnologii wireless proiectate pentru comunicații pe distanțe lungi, cu consum redus de energie și rate moderate de transfer al datelor. LPWA este utilizată frecvent pentru senzori, contoare și aplicații IoT.
NB-IoT (Narrowband IoT) – Tehnologie LPWA celulară, destinată aplicațiilor IoT care transmit cantități mici de date, cu consum redus de energie și acoperire extinsă.
LTE Cat-M1 – Tehnologie celulară LPWA bazată pe LTE, utilizată pentru dispozitive IoT care au nevoie de comunicații cu consum redus de energie, acoperire bună și mobilitate.
LoRaWAN – Tehnologie LPWA non-celulară utilizată pentru comunicații pe distanțe lungi între senzori, dispozitive IoT și puncte de acces dedicate.
Sigfox – Tehnologie LPWA non-celulară destinată transmiterii unor cantități mici de date pe distanțe lungi, cu consum redus de energie.
Rețea privată 5G – Rețea 5G dedicată unei organizații, fabrici sau locații industriale. Aceasta oferă control mai mare asupra performanței, securității și acoperirii decât o rețea publică mobilă.
URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) – Funcționalitate 5G pentru comunicații ultra-fiabile și cu latență redusă. URLLC este importantă în aplicații industriale unde întârzierile sau pierderile de date pot afecta siguranța și continuitatea proceselor.
Interferențe, EMC și performanță RF
RF (Radio Frequency) –Frecvență radio. Termenul se referă la domeniul frecvențelor utilizate pentru comunicații wireless, testare radio, antene și transmisii electromagnetice.
Intra-EMC – Fenomen în care zgomotul electromagnetic generat în interiorul unui dispozitiv afectează propriile comunicații wireless. În articol, acest fenomen este asociat cu termenul “autointoxicație”.
Autointoxicație – Termen utilizat pentru a descrie situația în care un dispozitiv își afectează propriile comunicații wireless prin zgomot electromagnetic generat intern de componente precum surse de alimentare, procesoare, invertoare, afișaje sau module radio.
Interferențe multipath – Interferențe produse atunci când undele radio ajung la receptor pe mai multe trasee, ca urmare a reflexiilor pe suprafețe metalice, pereți, echipamente sau alte obiecte. Acest fenomen poate degrada calitatea comunicației wireless.
Atenuare – Reducere a intensității unui semnal pe măsură ce acesta se propagă prin mediu sau întâlnește obstacole. În comunicațiile wireless, atenuarea poate reduce acoperirea și stabilitatea conexiunii.
Bruiaj – Perturbare intenționată sau accidentală a comunicațiilor radio, prin semnale care afectează recepția sau transmisia normală a datelor.
Latență – Întârzierea dintre transmiterea și recepția unui semnal sau pachet de date. În aplicațiile robotice, latența redusă este importantă pentru control în timp real și funcționare sigură.
Jitter – Variație a întârzierii de transmisie a pachetelor de date. Un jitter ridicat poate afecta stabilitatea comunicațiilor, mai ales în aplicații care necesită sincronizare sau control în timp real.
Pierdere de pachete – Situație în care unele pachete de date transmise prin rețea nu ajung la destinație. Pierderea de pachete poate afecta calitatea comunicațiilor și funcționarea sistemelor conectate.
Sisteme industriale și echipamente de testare
WMS (Warehouse Management System) – Sistem de management al depozitelor, utilizat pentru administrarea mărfurilor, materialelor, produselor și stocurilor într-un depozit.
Analizor de spectru – Instrument de testare utilizat pentru vizualizarea și analizarea semnalelor în domeniul frecvenței. Este folosit pentru identificarea zgomotului, interferențelor și semnalelor radio nedorite.
Analizor de rețea vectorial – Instrument de măsurare utilizat pentru evaluarea componentelor RF, precum antene, cabluri, filtre sau conectori. Acesta măsoară comportamentul semnalelor la trecerea printr-un dispozitiv sau sistem.
Instrument pentru verificarea polarizării – Instrument utilizat pentru analizarea polarizării semnalelor radio sau a antenelor. În combinație cu un analizor de spectru și o antenă direcțională, poate ajuta la identificarea sursei semnalelor radio nedorite.
MT8852B – Set de testare Bluetooth de la Anritsu, utilizat pentru verificarea caracteristicilor RF TRx și a conectivității dispozitivelor Bluetooth.
MT8870A – Set universal de testare wireless de la Anritsu, utilizat pe liniile de producție pentru testarea dispozitivelor de comunicații wireless compatibile cu standarde precum 5G NR sub-6 GHz, NB-IoT și Wi-Fi.
MT8000A – Stație de testare a comunicațiilor radio de la Anritsu, utilizată pentru testarea 5G, inclusiv măsurători RF, teste de protocol și teste de aplicații. Suportă benzile FR1, sub-6 GHz, și FR2, în domeniul undelor milimetrice.
MT8821C – Analizor de comunicații radio de la Anritsu, utilizat pentru testarea RF TRx în dezvoltarea modulelor LTE, Cat-M1 și NB-IoT.
Field Master Pro MS2090A – Analizor de spectru în timp real de la Anritsu, utilizat pentru detectarea interferențelor și captarea variațiilor tranzitorii sau instantanee din mediul RF.
Network Master Pro MT1000A – Tester Ethernet de la Anritsu, utilizat pentru evaluarea performanței comunicațiilor, inclusiv debitul, pierderea de pachete, latența și jitterul.