Čas preletu (ToF)

Čas preletu (ToF) je doba, za ktorú rádiový impulz prejde medzi tagom a kotvou (beacon). Rádiové vlny sú elektromagnetické vlny, teda ten istý druh žiarenia ako viditeľné svetlo, len na oveľa nižšej frekvencii. Vo vzduchu sa šíria prakticky rýchlosťou svetla (asi 300 000 km/s / 186 000 mi/s), takže z času cesty sa dá vypočítať vzdialenosť. V stenách, vo vode alebo v hustých materiáloch je vlna pomalšia a slabšia, no meranie vzdialenosti v RTLS počíta s cestou vzduchom medzi tagom a kotvou. Bežná metóda v závode je obojsmerné meranie vzdialenosti (TWR) pomocou ultraširokopásmovej technológie (UWB): tag a kotva si vymenia impulzy, odpočítajú spracovacie oneskorenie a zostane čas cesty tam a späť. Súvisiaca metóda je rozdiel časov príchodu (TDoA): viacero synchronizovaných kotiev porovná, kedy ten istý impulz dorazil.

Práve ToF vysvetľuje, prečo môže UWB v prázdnom laboratóriu hlásiť 10 až 30 cm (4 až 12 in). Prvá prichádzajúca cesta je priama, takže čas zodpovedá skutočnej vzdialenosti. A rovnako vysvetľuje, prečo ten istý systém v oceľovej uličke klame. Ak lokalizačný server odmeria čas odrazenej kópie, ToF ostáva aj tak presný, len meria nesprávnu dĺžku. Aktuálna poloha sa potom na mape ocitne mimo uličky. Túto chybu rozoberá článok Žiadajte mapu pokrytia, nie 30 cm (12 in) na slajde.

ToF nie je RSSI. RSSI odhaduje vzdialenosť zo sily signálu, ktorú kov znehodnotí. ToF určuje vzdialenosť podľa okamihu, kedy impulz dorazil. V priemysle je to výhoda, nie imunita. Stav bez priamej viditeľnosti (NLOS) a viaccestné šírenie aj tak natiahnu cestu, ktorú hodiny merajú.

Hlavné súčasti

Impulz a časová značka: Krátky impulz UWB a hodiny, ktoré rozlíšia nanosekundy. Chyba o pár nanosekúnd už znamená asi meter (~3 ft) vzdialenosti.

Obojsmerné meranie vzdialenosti (TWR): Vysielajú tag aj kotva. Z času cesty tam a späť po odpočítaní známych oneskorení vyplynie vzdialenosť bez prísnej synchronizácie hodín v celej sieti. Bežné na tagoch vysokozdvižných vozíkov a ľudí.

TDoA: Kotvy musia byť synchronizované. Tag môže blikať len raz. Efektívne pri veľkom počte tagov, no na streche treba viac infraštruktúry.

Výber prvej cesty: Číslo ToF je spoľahlivé len natoľko, nakoľko lokalizačný server označil správny vrchol za „prvý“. Pri priamej viditeľnosti (LOS) ide o priamu cestu. Pri NLOS to tak byť nemusí.

Využitie vo výrobe a logistike

Meranie vzdialenosti podľa ToF je vo vnútorných priestoroch náhradou za satelitné časovanie. Globálny polohový systém (GPS) pod oceľovou strechou zlyhá. UWB ToF udržiava súradnicu na modeli haly pre vozíky, mrežové palety aj ľudí. Vychystávanie na úrovni stanovišťa a tesné bunky zakázanej zóny potrebujú čistý ToF prvej cesty. Na hrubú prítomnosť v zóne pri otázkach typu „ktorá hala“ stačia aj hrubšie rádiové technológie.

Dokovanie automaticky riadených vozidiel (AGV) často potrebuje na posledné centimetre samostatný lokálny senzor. ToF v hale rieši obsadenosť a trasu, nie dokovanie k čelu stanice, ak mapa pokrytia nepovie inak.

Prínosy a úskalia

Vzdialenosť z času, nie zo sily signálu, znamená, že kovové haly sa dajú použiť, ak prvá cesta existuje. Hodiny však nevedia, či zameriavali uličku, alebo odraz od regála. O tom rozhodujú infraštruktúra, uchytenie tagu a mapa pokrytia, nie vzorec ToF.

Súvisiace pojmy

ToF je základný princíp merania vzdialenosti v mnohých inštaláciách UWB RTLS. Kvalita cesty je LOS verzus NLOS a viaccestné šírenie. Širšia kategória pre interiér: lokalizácia vo vnútorných priestoroch (IPS).

Časté otázky

Je ToF to isté ako UWB? Nie. ToF je meranie. UWB je rádiová technológia, ktorá umožňuje ToF s vysokým rozlíšením. Iné rádiové technológie tiež vedia merať podľa času, zvyčajne však s horším rozlíšením.

Prečo obojsmerné meranie namiesto jednosmerného? Jednosmerný ToF vyžaduje, aby sa hodiny tagu a kotvy zhodovali. TWR to vyrieši meraním cesty tam a späť. TDoA presunie problém synchronizácie na sieť kotiev.

Opravia lepšie hodiny NLOS? Nie, neopravia. Dokonalé hodiny na odrazenej ceste aj tak nahlásia odrazenú dĺžku.

Akú frekvenciu aktualizácie potrebujú vysokozdvižné vozíky? Dosť vysokú na to, aby poloha počas jazdy nezaostávala o celú uličku. To je požiadavka úlohy (trasa, zakázaná zóna, hľadanie), nie špecifikácia ToF. Vyššia frekvencia stojí batériu tagu.

Šíria sa rádiové vlny naozaj rýchlosťou svetla? Vo vzduchu áno. Rádiové vlny sú elektromagnetické žiarenie ako viditeľné svetlo, len na nižšej frekvencii. Viditeľné svetlo nie je iný, rýchlejší druh žiarenia. To, čo na hale spomaľuje ToF, takmer nikdy nie je pomalšia rýchlosť rádiových vĺn vo vzduchu. Je to dlhšia cesta (odraz) alebo neskorý výber prvej cesty pri NLOS.