利用數位RF和ML提高測距精度的新一代UWB方案

作者 : Nitin Dahad,EE Times歐洲特派記者

imec不久前宣佈開發出新一代超寬頻技術,利用了數位RF和機器學習,號稱能在複雜的環境中實現小於10公分測距精度,而且功耗則比現有解決方案低十倍。

比利時研究機構imec不久前宣佈開發出新一代超寬頻(UWB)技術,利用了數位射頻(RF)和機器學習(ML),號稱能在複雜的環境中實現小於10公分(cm)的測距精度,而且功耗則比現有解決方案低十倍。

該研究機構新開發的安全、超高精度測距解決方案有兩項創新:其一在於以硬體為基礎的數位式RF電路設計,包括全數位鎖相迴路(PLL),以實現低於4mW/20mW (Tx/Rx)的低功耗,號稱在性能上比目前的其他解決方案高十倍;另一項創新是以軟體為基礎的強化功能,利用機器學習糾錯演算法,可以實現在複雜環境中小於10公分的測距精度。

imec表示,超寬頻技術目前非常適合支援各種高精度和安全的無線測距使用案例,例如汽車領域常見的「智慧鎖」解決方案,也就是當車主接近汽車,車門就會自動解鎖,反之當車主離開車門就會鎖上。

 

超寬頻技術優勢與挑戰。

 (圖片來源: imec)

 

儘管UWB具備有某些替代方案無法比擬的固有安全優點,由於其功耗和佔用面積都比較大,UWB還有很大的潛力空間有待發掘。imec表示,此硬體和軟體創新標誌著他們在充分發揮UWB技術的潛力方面邁出了重要一步,並為微定位服務開啟了在目前已被廣泛應用的無鑰匙安全接取之外的商機,如AR/VR遊戲、資產追蹤和機器人等。

imec專案經理Christian Bachmann表示:「UWB的功耗、晶片尺寸和相關成本一直是阻礙該技術發展的因素,尤其是在佈署無線測距應用方面。Imec以數位式RF概念為基礎開發的UWB晶片顯著降低了元件面積,我們能做到在小於1mm2的空間內納入一整個收發器,包括三顆用於到達角(angle-of-arrival)量測的接收器。」

他補充指出,該款新晶片以適用於物聯網感測器節點裝置的先進半導體製程實現,符合由具備高度影響力產業組織──如車聯網聯盟(Car Connectivity Consortium,CCC)與FiRa (Fine Ranging)──支持的IEEE 802.15.4z標準。

作為硬體創新的補充,IDLab──imec駐比利時根特大學(Ghent University)的一個研究小組──研究人員開發出以軟體為基礎的強化功能,可以顯著提高UWB在複雜環境中的無線測距性能,特別是在工廠或倉庫中,當人和機器不斷移動,金屬障礙物導致大量反射,這些都會影響UWB定位和測距品質。

透過機器學習創建智慧錨點(smart anchor)選擇演算法,可以檢測UWB錨點與被追蹤之行動裝置間的(非)視距;基於這個概念,可以估算測距品質並校正測距誤差。該方法還具備機器學習能力,可以實現網路的實體層參數的自適應調整,從而允許採取適當的步驟來降低這些測距誤差,例如透過調整錨點的無線電。

 

障礙物和非視距環境會影響UWB的定位和測距品質;如圖中的兩個範例,晶片上機器學習可以實現糾錯。

(圖片來源:imec)

 

IDLab的Eli De Poorter教授指出:「我們已經證明,在如此複雜的工業環境中,UWB的測距精度可以達到小於10cm;這比現有方案改進了兩倍之多。此外,一般UWB定位使用案例都是客製化構建,並且通常仰賴人工配置;我們的智慧錨點選擇軟體可以在任何場景下工作,因為它是在應用層上執行的。」

透過這些自適應配置,新一代低功耗、高精度UWB晶片還適合其他廣泛的應用,例如在疫情流行期間使用小型、具隱私意識的裝置來改善接觸者追蹤。

實際上,imec已將此技術授權給從該機構獨立出去的一家公司Lopos,後者並發表了一款可穿戴裝置,用於在新冠病毒(Covid-19)流行期間強化實施維持社交距離的規定;當員工違反安全距離規定彼此靠近時,該裝置會發出聲音或觸覺警告。

Lopos的SafeDistance可穿戴裝置選擇UWB而非藍牙,可單機運作,重量僅75公克,電池續航為2至5天。採用UWB技術的裝置可實現安全、高精度(誤差範圍小於15cm)的距離測量,當兩個可穿戴裝置相互靠近,它們之間的精確距離可以被即時測量出來,當超過最小安全距離限制時即啟動警報。

由於該裝置是單機運作,不需要登錄任何個資,也不需要閘道器、伺服器或其他網路基礎設施。Lopos已經開始量產以滿足市場需求──在過去幾個星期的時間,該公司已經獲得活躍於不同市場領域企業的多張大規模訂單。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年7月號,責編:Judith Cheng

(參考原文:Next Gen UWB uses Digital RF and ML to Improve Accuracy and Power,By Nitin Dahad )

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