Ultra wideband (UWB) als communicatieprotocol is terug van weggeweest. De Eindhovense startup Vention heeft samen met partner Sentech een UWB-plaatsbepalingssysteem ontwikkeld. Het extreem nauwkeurige Focus-systeem combineert de draadloze technologie met een sensor die de relatieve plaatsbepaling meet. De technologie belooft veel voor allerlei toepassingen, bijvoorbeeld in de retail en veeteelt, en op luchthavens.
Lees hieronder hoe Vention samen met Sentech ultra wideband nieuw leven inblaast. Ontdek daarbij nieuwe toepassingsmogelijkheden met de zeer nauwkeurige trackingoplossing.
Ambitieuze jonge honden doen wat ze leuk vinden
Vention draait om productinnovatie. De Eindhovense start-up is drie jaar geleden door TU-studenten Frank Poort en Hans de Penning opgericht. De ontwikkeling van een extreem zuinige auto voor de Shell Eco-marathon smaakte tijdens hun studie naar meer.
Nu is Vention, met achttien ambitieuze jonge mensen die vrijwel allemaal net van de universiteit komen, een broeinest van innovatie en prototyping. Het jonge bedrijf legt de nadruk op elektronica en embedded software in IoT-toepassingen, sensoren en kleine draadloze oplossingen.
Uit de koker van Vention komt bijvoorbeeld een wearable, die de spierkracht meet bij patiënten die net een beroerte hebben gehad.
Vention is volgens directeur Job Nijenhuis ontstaan vanwege de lol die de studenten hebben bij het maken van innovatieve producten. “We doen nog steeds alleen maar dingen die we leuk vinden”, zegt hij.
“Wij bouwen een product liever samen met een klant dan het aftikken van een lijst met vereisten. We bieden onze klanten een one-stop-shop. Zo kunnen we dus ook een behuizing of een app leveren, als het maar in dienst van de elektronica is die we ontwikkelen.”
Ultra wideband noodzakelijk voor nieuwe toepassing
Buiten de productinnovaties voor klanten werkt Vention samen met Sentech aan een eigen productontwikkeling: Focus. Na twee jaar ontwikkelen en testen is de geavanceerde plaatsbepalingstechnologie bijna klaar voor de markt.
De technologie is ontstaan vanuit het idee om ledlampjes in festivaltags van de bezoekers centraal aan te sturen, zodat ze als pixels een enorm display op een festivalterrein kunnen vormen.
Daarvoor moet je de positie van elk bandje extreem nauwkeurig kunnen bepalen. GPS, met een maximale nauwkeurigheid van tien meter, voldoet niet. Bovendien wilde Vention de positie van elke individuele tag op elk moment weten. Daardoor moest het bandje meerdere keren per seconde zijn positie kunnen doorgeven.
Innovatiepartners vullen elkaar aan
Een marktverkenning leverde volgens Nijenhuis op dat ultra wideband de enige realistische draadloze verbindingsoptie was. Voordat Sentech betrokken raakte bij het innovatieproject, werkte Vention met een UWB-chip van Decawave aan de ontwikkeling van Focus.
Beide technologiebedrijven kenden elkaar al. Voor de bouw van sensorelektronica en het schrijven van embedded software schakelt Sentech op projectbasis Vention in.
Bij de doorontwikkeling van Focus bracht de Franse UWB-chipleverancier Blinksight de Eindhovenaren opnieuw op het pad van Sentech. De innovatiepartners werken nu samen aan de optimalisatie van Focus.
Wat is ultra wideband?
Ultra wideband is een bestaande draadloze verbindingstechniek, ook wel bekend als UWB of ultraband. De radiotechnologie gebruikt heel weinig energie voor snelle communicatie over korte afstanden over een groot deel van het radiospectrum. Door de grote frequentiebandbreedte kunnen gegevenspakketjes parallel verstuurd worden.
De zogenaamde spread-scrumtechnologie werkt met hele korte parallelle datapulsjes (van slechts een nanoseconde) in plaats van een continue datastroom.
De radiotechniek die oorspronkelijke ‘pulse radio’ heette, bestaat al 15 jaar. De belangstelling voor UWB begon 10 jaar geleden echter af te nemen door een traag standaardisatieproces en hoge implementatiekosten.
Marco Leeggangers, business development manager bij Sentech, beaamt dat het een tijd stil is geweest rond ultra wideband. “De UWB-chips worden nog steeds ontwikkeld en verbeterd”, zegt hij. “Je ziet UWB nu op steeds meer plekken weer de kop op steken.”
Doordat de markt nog klein is, zijn UWB-chips nog relatief duur: tussen de 20 en 25 euro. Als de vraag toeneemt, zal de prijs ook drastisch dalen, voorspelt Leeggangers.
“Ik verwacht dat de populariteit snel gaat toenemen. De techniek is namelijk veelbelovend voor verbindingsmogelijkheden binnenshuis, en voor sensoren die afstanden en posities meten. Dan kom je al gauw bij oplossingen voor autonoom rijden, en bij toepassingen in de landbouw en veeteelt.”
Gecombineerde chiptechnologie garandeert extreme nauwkeurigheid
Ultra wideband alleen levert niet de door Vention gewenste nauwkeurigheid voor het volgen van tags of andere bewegende objecten. “Daarom heeft Vention de UWB-chip gecombineerd met een inertial measurement unit, een IMU”, legt Nijenhuis uit.
“Daarmee volgen we de relatieve plaatsbepaling. Samen met de absolute plaatsbepaling via UWB halen we nu een nauwkeurigheid van 5 tot 10 centimeter.”
Gebruik time-of-flight-principe
Het Focus-systeem van Vention bestaat uit een serie vaste ijkpunten (anchors). Daarmee kan de positie van alle bewegende tags worden vastgesteld. ‘Er zit complexe wiskunde achter om de relatieve en absolute positie te bepalen en te combineren’, legt Nijenhuis uit.
Timing en synchronisatie van dataverkeer zijn essentieel in de toepassing. Plaatsbepaling van de tags gebeurt op basis van de time of flight, de tijd die het radiosignaal nodig heeft tussen het uitzenden vanuit de chip en ontvangen in alle anchors. “Time je een nanoseconde verkeerd, dan zit je er dertig centimeter naast”, zegt Nijenhuis.
“We hebben een nauwkeurigheid van ongeveer een achtste nanoseconde nodig. De synchronisatie lukt door voor elke meting drie berichtjes te sturen, twee vanuit de tag en een vanuit de anchors. De gaten vullen we op met informatie uit de IMU.”
Filtering stoorsignalen met slimme software
Voor de betrouwbare locatiebepaling moeten ongewenste stoorsignalen en reflecties weggefilterd worden. Daarom is de IMU voorzien van slimme software. Die bevat informatie over welke bewegingen fysiek mogelijk zijn. Een mens heeft immers snelheids- en bewegingslimieten.
“Gegevens die impliceren dat de persoon te hard beweegt, kun je er makkelijk uit filteren’, verklaart Nijenhuis. ‘Omdat de tag honderd keer per seconde zijn positie doorgeeft, kun je op basis van de eerdere metingen inschatten waar het volgende signaal vandaan zal komen.”
Uniek plaatsbepalingssyteem door kennis bij elkaar te brengen
Nijenhuis vindt het Focus-plaatsbepalingssysteem uniek. “k heb nog nergens een vergelijkbare oplossing gezien die met ons kan concurreren op nauwkeurigheid, snelheid en installatiegemak.” Sentech en Vention hebben het systeem door middel van pilotprojecten geoptimaliseerd.
Een van die projecten is de Blue Jay-drone van het gelijknamige Eindhovense studententeam. Het onderzoeksteam werkt aan een slimme indoor drone die medische professionals assisteren bij hun werk, maar ook patiënten en hulpbehoevende kan voorzien in allerlei behoeften. Het Focus-systeem ondersteunt de autonome bewegingsfuncties van de drone.
Het geavanceerde positioneringssysteem is nu bijna klaar voor de markt. De pilotprojecten laten zien dat Focus een breder toepassingsgebied heeft dan het oorspronkelijke idee voor de festivalbandjes.
Ongekende toepassingsmogelijkheden voor positiebepaling met UWB
“We hebben een product waarmee je nauwkeurig en snel posities kunt bepalen, assets kunt tracken of AGV’s kunt aansturen”, somt Leeggangers op. “Dat is interessant voor legio toepassingen. Denk aan de agrarische wereld. Met de technologie kun je AGV’s aansturen in een stal of een kas door een paar anchors op te hangen. In die situatie komt de snelheid van het systeem echt tot haar recht.”
“Het systeem kan bovendien omgaan met veranderende omstandigheden en is eenvoudig uit te breiden op plug-and-play-basis”, vervolgt Leeggangers. “Als er bijvoorbeeld een melkrobot wordt geïnstalleerd en een van de anchors is niet meer in beeld, kun je hem gewoon verhangen. Druk op ‘set-up’ en het is geregeld. Ook kun je eenvoudig het bereik vergroten door een paar extra anchors te installeren. Zolang ze maar in het zicht van de andere ijkpunten hangen.”
Ultra wideband-technologie zorgt voor afstandsmeting in de Social Distancing Sensor (SDS). Dit is een tool die mensen helpt met afstand houden van elkaar.
Verder is hij in gesprek met bedrijven die dierengedrag analyseren en met partijen die hun productieproces willen bewaken. “Dan begeef je je op het vlak van Industrial Internet of Thing (IIoT), waar we momenteel ook grote stappen in maken”.
Ook in de retail ziet Leeggangers mogelijkheden, bijvoorbeeld om klanten gerichter te bedienen en te volgen. Op grote vliegvelden zou de technologie kunnen worden gebruikt om reizigers de weg te wijzen.
Hoe UWB helpt bij social distancing
Met zoveel mogelijkheden in toepassingen, is dit een sprekend voorbeeld. Wist jij dat ultra wideband helpt in de anderhalve meter-samenleving? Deze technologie is de basis van de Social Distancing Sensor.
Zo’n tool meet afstanden ten opzichte van andere SDS-tags. Zodra jij binnen anderhalve meter van een persoon komt, geeft de SDS een waarschuwingssignaal af.
Zo maakt ultra wideband afstand houden tussen mensen makkelijker.
