산업용 로봇을 위한 UAV 고전력 무선 데이터 링크

UAV 고전력 무선 데이터 링크 모듈은 범위 확장 이상의 기능을 수행해야 합니다. 산업 작업에서는 간섭을 방지하고, 사용 가능한 전력 예산을 맞추고, 호스트 플랫폼과 깔끔하게 통합하면서 적시에 올바른 데이터를 전송해야 합니다. 검사용 UAV, 실외 자율 차량 또는 금속 구조물과 이동 장비 주변에서 작업하는 로봇에도 동일한 원칙이 중요합니다. 따라서 고전력 무선 모듈을 선택하는 것은 단순히 광고된 거리를 비교하는 것이 아니라 RF 설계, 대역폭, 대기 시간, 안테나 배치 및 현장 검증을 포함하는 엔지니어링 결정입니다.

주요 시사점

• 안테나, 장애물, 대역폭, 로컬 RF 조건을 포함한 전체 링크 예산에 맞춰 고전력 무선 모듈을 선택해야 합니다.

• UAV와 로봇 링크는 일반적으로 서로 다른 트래픽 클래스를 전달합니다. 즉, 명령, 원격 측정, 비디오, 센서 데이터 및 유지 관리 트래픽의 우선 순위가 적절하게 지정되어야 합니다.

• 전송 전력이 높을수록 링크 마진이 향상될 수 있지만 규정 준수 RF 계획, 잘 일치하는 안테나 또는 명확한 배포 테스트 계획을 대체할 수는 없습니다.

• 산업용 로봇 무선 통신의 경우 예측 가능한 대기 시간과 간섭으로부터의 빠른 복구는 최대 PHY 속도보다 더 중요할 수 있습니다.

• 호스트 인터페이스, 기계적 엔벨로프, 전원 입력, 작동 온도, 드라이버 지원 및 안테나 커넥터는 모두 모듈 배포가 실용적인지 여부에 영향을 미칩니다.

고전력 무선 데이터 링크가 해결해야 할 문제

'장거리'라는 문구는 여러 가지 다른 의미를 가질 수 있습니다. 개방된 지형에서 먼 지상국에 도달하는 링크는 공장, 항구, 광산, 창고 또는 건설 현장 내부에 적합하지 않을 수 있습니다. 이러한 설정으로 인해 금속 반사, 움직이는 장애물, 동일 채널 Wi-Fi, 전기 소음 및 빈번한 시선 변화가 발생합니다.

실용적인 UAV 고전력 무선 데이터 링크 모듈은 다음 네 가지 연결 요구 사항을 지원해야 합니다.

신뢰할 수 있는 명령 및 원격 측정. 비행 제어, 로봇 동작 명령, 상태 데이터 및 안전 관련 상태 메시지는 일반적으로 대역폭을 거의 사용하지 않지만 예측할 수 없는 지연이나 장기간의 정전은 허용되지 않습니다. 무선 링크가 약해지면 보호된 트래픽 경로와 정의된 동작이 필요합니다.

사용 가능한 비디오 및 페이로드 데이터. 검사 비디오, 매핑 이미지, LiDAR 출력 및 카메라 피드는 훨씬 더 많은 용량을 소비할 수 있습니다. 품질은 모듈의 헤드라인 데이터 속도뿐만 아니라 인코딩, 프레임 속도, 해상도, 패킷 손실 및 사용 가능한 채널 폭에 따라 달라집니다.

변화하는 RF 조건에서도 안정적인 작동. UAV는 몇 초 안에 시야가 확보되는 곳에서 나뭇잎, 구조물 또는 전자기 혼잡으로 이동할 수 있습니다. 이동식 산업용 로봇은 랙, 기계 또는 기타 차량에 의해 생성된 RF 그림자를 반복적으로 통과할 수 있습니다. 설계에서는 일정한 채널을 가정하기보다는 페이딩과 간섭을 고려해야 합니다.

실제 배포 후에도 유지되는 통합입니다. 라디오는 호스트 프로세서, 운영 체제, 안테나, 배터리 또는 전원 레일, 인클로저 및 열 설계와 함께 작동해야 합니다. 과열되거나 적절한 드라이버가 없거나 잘못 배치된 안테나를 사용하는 강력한 라디오는 예상한 결과를 제공하지 않습니다.

이것이 바로 '고전력'이 시스템 수준 RF 전략의 한 요소로 취급되어야 하는 이유입니다. 추가 링크 마진이 생성되지만 해당 마진은 무선 설계의 나머지 부분이 이를 유지할 때만 유용합니다.

UAV와 산업용 로봇 링크에 서로 다른 우선순위가 필요한 이유

UAV와 산업용 로봇은 강력한 이동성에 대한 요구를 공유하지만 실패 모드는 다릅니다. 공중 플랫폼에는 항공기와 지상국 사이의 좁은 방향 경로가 필요할 수 있습니다. 로봇 함대는 여러 장치가 스펙트럼을 공유하면서 변화하는 실내 또는 실외 작동 영역 전반에 걸쳐 지속적인 적용 범위를 필요로 하는 경우가 많습니다.

UAV의 경우 가장 중요한 설계 질문은 다음과 같습니다.

• 항공기가 주로 비디오, 원격 측정, 제어 또는 이 세 가지를 모두 전송합니까?

• 임무의 대부분 기간 동안 명확한 가시선 경로가 있습니까?

• 차량이 방향을 바꾸거나, 기울거나, 장애물 뒤로 내려가거나, 반사 표면 가까이로 날아가면 어떻게 됩니까?

• 지상국 안테나, 급전선, 장착 위치 및 조준 프로세스가 임무에 적합합니까?

산업용 로봇 무선 통신의 경우 공존 및 로밍 동작에 초점이 맞춰지는 경우가 많습니다. 창고 로봇은 액세스 포인트 적용 범위 경계를 넘을 수 있습니다. 로봇 팔은 모터, 캐비닛 및 움직이는 금속 부품 근처에서 작동할 수 있습니다. 원격 검사 플랫폼에는 지연 시간이 짧은 명령 경로를 유지하면서 비디오가 필요할 수 있습니다.

적절한 아키텍처는 작업에 따라 다릅니다. 지점 간 UAV 링크는 지향성 안테나와 고정 지상 장비의 우선 순위를 지정할 수 있습니다. 시설 전체에 로봇을 배포하려면 사이트 범위 계획, 트래픽 분할 및 반복 가능한 핸드오프 동작이 필요할 수 있습니다. 두 가지 사용 사례 모두 전송 전력을 추가하는 것만으로는 해결되지 않습니다.

모듈을 비교하기 전에 무선 링크를 평가하십시오.

모듈을 선택하기 전에 링크를 구성 요소 구매가 아닌 운영 체제로 정의하십시오. 다음 비교 프레임워크는 엔지니어링 팀이 지정하고 테스트해야 하는 요소를 식별하는 데 도움이 됩니다.

모듈 데이터 시트는 최종 답변이 아닌 첫 번째 필터입니다. 최대 PHY 속도는 특정 조건에서의 물리 계층 기능을 나타냅니다. 프로토콜 오버헤드, 암호화, 간섭, 재전송 또는 신호 손실을 고려한 후 애플리케이션이 해당 속도를 볼 것이라고 보장하지 않습니다.

마찬가지로, 인용된 전송 거리는 결코 보편적인 결과로 취급되어서는 안 됩니다. 안테나 이득, 송신 전력, 수신기 감도, 허용된 EIRP, 채널 폭, 지형, 인클로저 및 날씨는 모두 실제 링크에 영향을 미칩니다. 팀은 요구 사항을 측정 가능한 수용 기준으로 변환해야 합니다. 즉, 적용 범위 가장자리에서의 최소 유용한 처리량, 허용 가능한 최대 명령 대기 시간, 페이딩 중 비디오 동작 및 일시적인 방해 후 복구 시간입니다.

실제 RF 설계에 고전력을 적용하는 방법

고전력 무선 모듈은 링크 예산의 전송 측면을 늘려 경로 손실을 보상하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 이점은 유능한 수신기, 적절한 안테나 이득 및 간섭을 최소화하는 채널 계획과 결합될 때 가장 가치가 있습니다.

그러나 전력이 증가하면 엔지니어링 상충관계도 발생합니다.

전력 소비 및 발열. 출력이 높은 RF 스테이지는 전류 수요와 열 부하를 증가시킬 수 있습니다. 공중 플랫폼의 경우 이는 비행 시간과 열 경로에 영향을 미칩니다. 밀폐된 구획에 설치된 로봇의 경우 구성 요소 신뢰성과 열 확산 또는 환기의 필요성에 영향을 미칩니다.

규정 준수. 허용되는 출력 및 EIRP는 국가, 대역, 채널, 안테나 이득 및 사용 사례에 따라 다릅니다. 규정을 준수하는 설계는 의도한 배포 위치에 적용되는 규칙을 기반으로 해야 합니다. 송신 전력은 완성된 시스템의 일부로 구성 가능하고 검증되어야 합니다.

간섭 관리. 더 강한 송신기는 혼잡한 채널을 조용하게 만들 수 없습니다. 또한 장치의 간섭 공간이 증가할 수도 있습니다. 주파수 계획, 채널 폭 선택, 다른 무선 장치와의 분리 및 적절한 안테나 편파가 여전히 필수적입니다.

수신기 측 성능. 장거리 링크는 양방향입니다. 공중 또는 모바일 엔드포인트가 안정적으로 수신할 수 없는 경우 강력한 지상 송신기는 도움이 되지 않습니다. 시스템 설계자는 제어 및 승인 트래픽을 포함하여 링크의 양방향을 평가해야 합니다.

안테나 및 케이블 품질. 외부 안테나는 종종 안정적인 링크와 실망스러운 현장 시험 사이의 차이입니다. 케이블 손실, 커넥터 품질, 안테나 방사 패턴, 장착 높이, 극성 및 전도성 물질에 대한 근접성은 최고의 설계 결정으로 간주되어야 합니다.

장거리 임무의 경우 애플리케이션에 넓은 비디오 또는 데이터 스트림이 필요하지 않으면 더 좁은 채널이 유용할 수 있습니다. 대역폭이 더 좁으면 수신기에서 수집되는 잡음을 줄일 수 있지만 사용 가능한 처리량도 제한됩니다. 따라서 최상의 설정은 애플리케이션별로 다릅니다. 즉, 필요한 데이터 흐름에 필요한 만큼의 채널 폭만 사용하고 RF 조건 변경에 대해 충분한 여유를 유지하는 것입니다.

UAV 고전력 무선 데이터 링크 모듈 아키텍처 구축

강력한 UAV 또는 로봇 링크에는 일반적으로 무선 모듈 이상의 것이 포함됩니다. 다음 디자인 순서는 아키텍처를 애플리케이션에 맞게 유지합니다.

트래픽을 분리하는 것부터 시작하세요. 명령 및 원격 측정은 높은 비트 전송률의 비디오 또는 대량 업로드와 맹목적으로 경쟁해서는 안 됩니다. 비디오에 대한 현실적인 비트 전송률 목표를 설정하고, 장면 변경 중 변화를 고려하고, 비디오 품질이 저하될 때 필요한 최소 명령 성능을 정의합니다. 시스템은 점진적으로 저하되어야 합니다. 제어 트래픽을 잃는 것보다 일시적인 비디오 해상도 감소가 더 나은 경우가 많습니다.

다음으로 처리가 발생하는 위치를 결정합니다. 일부 시스템은 항공기나 로봇의 비디오를 인코딩하고 IP 스트림을 보냅니다. 다른 사람들은 카메라, 원격 측정, 페이로드 및 네트워크 서비스를 결합한 보조 컴퓨터를 사용합니다. 선택한 모듈 인터페이스는 호스트 아키텍처에 적합해야 합니다. USB는 소형 임베디드 시스템의 통합을 단순화할 수 있지만 드라이버 지원, 전원 공급 및 물리적 라우팅에 대해 전체 시스템을 평가해야 합니다.

그런 다음 RF 경로를 계획하십시오. UAV에서 안테나는 잡음이 많은 전자 장치와 분리되어야 하며 기체, 배터리, 페이로드 또는 랜딩 기어가 원하는 방사 경로를 반복적으로 차단하지 않도록 배치해야 합니다. 모바일 로봇의 경우 마운트 위치는 다양한 방향과 로봇이 회전하거나, 도킹하거나, 들어올리거나, 랙 옆으로 이동하는 영역에서 평가되어야 합니다.

마지막으로 현장 테스트 전에 결함 동작을 정의합니다. 신호 품질이 임계값 아래로 떨어지면 통신 시스템에 명확한 동작이 필요합니다. 여기에는 비디오 비트 전송률 감소, 지원되는 채널 전환, 운영자에게 경고, 안전한 웨이포인트로 돌아가기, 로봇 동작 속도 저하 또는 중요하지 않은 작업 일시 중지 등이 포함될 수 있습니다. 올바른 응답은 무선 장치에만 의한 것이 아니라 더 큰 안전 설계에 의해 이루어집니다.

5GHz 장거리 설계를 위한 모듈 예

소형 5GHz Wi-Fi 옵션이 필요한 OEM 설계의 경우 LB-LINK BL-M8812EU2 모듈은 기술 평가를 위한 구체적인 시작점을 제공합니다. USB 2.0 호스트 인터페이스를 사용하고, IEEE 802.11a/n/ac를 지원하고, 2T2R 작동을 제공하고, IPEX 커넥터를 통해 외부 안테나를 지원하고, 최대 867Mbps의 PHY 속도를 나열합니다.

또한 제품 페이지에는 모듈이 고전력 FEM을 통합하고 10MHz 협대역폭 채널을 지원한다고 명시되어 있습니다. 이러한 특성은 장거리 무선 비디오 전송을 모색하는 설계자와 관련이 있을 수 있지만 최종 기체 또는 로봇 인클로저에서는 여전히 검증되어야 합니다. 모듈에 명시된 32.0 × 32.0 × 3.4mm 크기, 5V 공급 요구 사항 및 작동 온도 범위는 기계 및 전기 통합 중에 똑같이 중요합니다.

LB-LINK는 또한 BL-M8812EU2에 대해 설명합니다. 드론 전송 솔루션입니다 . 고출력 운용, 2T2R 설계, 협대역 지원, Linux 및 Android 환경과의 호환성에 중점을 둔 5GHz가 아닌 주로 2.4GHz를 사용하는 애플리케이션의 경우 BL-M8192EU9 모듈은 프로젝트의 주파수, 처리량, 폼 팩터 및 드라이버 요구 사항을 평가하는 또 다른 예입니다.

적용 가능한 데이터 시트, 드라이버 패키지, 안테나 권장 사항, 국가별 규정 준수 요구 사항 및 현장 테스트 결과를 검토한 후에만 생산 결정을 내려야 합니다. 적절한 모듈이 반드시 명시된 속도가 가장 높은 모듈일 필요는 없습니다. 충분한 여유를 두고 필요한 애플리케이션 동작을 제공하는 것입니다.

산업용 로봇 무선 통신을 위한 현장 테스트

벤치 테스트를 통해 모듈의 전원이 켜지고 트래픽이 교환된다는 사실이 입증되었습니다. 완성된 시스템이 신뢰할 수 있다는 것을 증명하는 것은 아닙니다. 산업용 로봇의 무선 통신은 로봇이 실제로 작동하는 환경에서 테스트되어야 합니다.

액세스 포인트 또는 지상국에서 가장 먼 지점, 금속 구조물 옆 회전, 활성 기계 근처 영역, 차량이 경로를 건너는 위치, Wi-Fi 활동이 알려진 구역 등 최악의 예상 조건을 포함하는 테스트 경로를 만듭니다. 플랫폼이 회전하면 안테나 패턴이 크게 바뀔 수 있으므로 로봇이나 UAV가 일반 방향으로 작동하면서 경로를 반복합니다.

평균 이상의 처리량을 기록합니다. 수신된 신호 수준, 패킷 손실, 대기 시간, 지터, 비디오 품질, 재연결 시간 및 짧은 중단 동안의 애플리케이션 동작을 측정합니다. 실제 교통 부하에서 테스트하는 것도 유용합니다. 낮은 비트 전송률의 정적 테스트 스트림을 전달하면서 잘 작동하는 링크는 카메라 콘텐츠가 복잡해지거나 여러 페이로드 메시지가 동시에 도착할 때 다르게 동작할 수 있습니다.

UAV 애플리케이션의 경우 고정식 지상 시험에 의존하기보다는 동적 테스트를 포함합니다. 고도, 비행 방향, 뱅크 각도 및 범위의 변화로 인해 안테나 그림자 문제가 드러날 수 있습니다. 로봇 애플리케이션의 경우 반복적인 중지-시작 동작, 도킹, 주변 장비의 트래픽 및 시설의 가장 바쁜 운영 기간을 테스트합니다.

LB-LINK의 기존 지침 장거리 UAV 이미지 전송은 팀이 이 평가의 비디오 측면을 구성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 유용한 질문은 링크가 이상적인 조건에서 작동하는지 여부가 아니라 조건이 더 이상 이상적이지 않을 때 임무를 관리할 수 있는지 여부입니다.

애플리케이션에 적합한 모듈 선택

애플리케이션의 장애 허용 범위부터 시작하여 고전력 무선 모듈을 선택하십시오. 기본 요구 사항이 지연 시간이 짧은 명령 경로인 경우 일관성, 복구 동작 및 트래픽 제어에 우선 순위를 두십시오. 주요 요구 사항이 HD 비디오인 경우 RF 조건이 악화될 때 필요한 인코딩된 비트 전송률과 허용 가능한 품질 감소를 정의합니다. 시스템이 두 가지를 모두 수행해야 하는 경우 비디오가 제어 및 원격 측정에 필요한 마진을 소비할 수 없도록 트래픽 모델을 설계하십시오.

다음으로 모듈을 호스트 시스템과 비교합니다. 작동 대역, 채널 폭 옵션, 안테나 커넥터, 호스트 인터페이스, 전원 공급 장치, 피크 전류, 드라이버, 작동 조건 및 물리적 크기를 확인합니다. 이렇게 하면 라디오를 먼저 선택하고 나중에 호스트 보드, 배터리, 인클로저 또는 운영 체제가 라디오를 제대로 지원할 수 없다는 것을 발견하는 일반적인 통합 문제를 피할 수 있습니다.

그런 다음 최종 안테나와 인클로저로 시스템을 검증합니다. 모듈 평가 보드는 유용하지만 완성된 UAV 또는 로봇의 RF 동작을 재현하는 경우는 거의 없습니다. 완성된 기계적 스택업을 테스트하는 것은 그림자, 결합, 열 및 간섭 문제를 식별하는 실용적인 방법입니다.

OEM 솔루션을 개발하는 팀의 경우 필요한 인터페이스와 작동 프로필이 해당 제품 범위와 일치할 때 LB-LINK를 모듈 선택 프로세스의 일부로 고려할 수 있습니다. 기술적인 논의에는 의도된 배포 지역, 대상 범위, 비디오 사양, 호스트 플랫폼, 안테나 계획 및 환경 조건이 포함되어야 합니다. 프로젝트별 요구사항은 다음을 통해 논의할 수 있습니다. LB-LINK 연락처 페이지.

결론

신뢰할 수 있는 UAV 고전력 무선 데이터 링크는 완전한 시스템으로 설계되었습니다. 높은 출력 전력, MIMO 기능, 협대역 옵션 및 외부 안테나는 모두 더 나은 링크 마진에 기여할 수 있지만 각각은 실제 임무에 일치해야 합니다. 엔지니어링 팀은 트래픽 우선 순위를 정의하고, 두 링크 방향을 모두 평가하고, 안테나를 신중하게 계획하고, 실제 운영 환경에서 성능을 검증함으로써 훨씬 더 자신 있게 산업용 로봇 및 UAV 운영을 지원하는 무선 시스템을 구축할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

고전력 무선 모듈이란?

고전력 무선 모듈은 일반적인 저전력 내장형 무선 장치보다 더 높은 출력 RF 경로로 설계된 무선 모듈입니다. 송신측 링크 마진을 향상시킬 수 있지만 실제 범위와 신뢰성은 여전히 ​​수신기 성능, 안테나, 채널 조건, 규제 제한 및 주변 환경에 따라 달라집니다.

UAV 고전력 무선 데이터 링크 모듈이 비디오 및 제어 데이터를 모두 전달할 수 있습니까?

예, 시스템이 두 가지 트래픽 유형을 관리하도록 설계되었다면 가능합니다. 제어 및 원격 측정은 적절한 우선순위 지정, 비트 전송률 제한 및 링크 손실 동작을 통해 높은 비트 전송률의 비디오 트래픽으로부터 보호되어야 합니다. 비디오 품질을 저하시켜야 하는 경우에도 애플리케이션은 안전하고 제어 가능한 상태로 유지되어야 합니다.

PHY 속도가 높을수록 장거리 성능이 향상됩니까?

아니요. PHY 속도는 이론적인 물리 계층 기능입니다. 장거리 성능은 사용 가능한 링크 마진, 채널 폭, 간섭, 재전송, 안테나 시스템 및 애플리케이션에 필요한 실제 비트 전송률에 따라 달라집니다. 변동하는 높은 금리보다 낮고 안정적인 금리가 더 유용할 수 있습니다.

산업용 로봇 무선 통신에는 5GHz 또는 2.4GHz가 더 좋습니까?

두 밴드 모두 보편적으로 더 나은 밴드는 아닙니다. 올바른 선택은 RF 환경, 필요한 처리량, 허용된 채널, 간섭 프로필, 안테나 설계 및 현지 규정에 따라 달라집니다. 의도한 장비를 사용한 현장 조사와 현장 시험은 결정을 내리는 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다.

UAV 및 로봇 링크에 외부 안테나가 중요한 이유는 무엇입니까?

외부 안테나를 사용하면 설계자는 안테나 이득, 배치, 편파 및 잡음이 있는 전자 장치와의 분리를 보다 효과적으로 제어할 수 있습니다. 그 이점은 적합한 안테나를 선택하고 올바르게 설치하는 데 달려 있습니다. 케이블 라우팅이 불량하거나 커넥터가 약하거나 전도성 구조 뒤에 안테나를 장착하면 이점이 줄어들 수 있습니다.

팀은 배포 전에 무선 링크를 어떻게 테스트해야 합니까?

생산용 안테나, 인클로저, 호스트 프로세서 및 애플리케이션 트래픽을 사용하여 최종 장치를 테스트합니다. 예상 경로 또는 운영 영역의 가장 어려운 부분에서 처리량, 패킷 손실, 대기 시간, 지터, 비디오 동작 및 복구 시간을 측정합니다. 실제적인 움직임과 RF 혼잡 상황에서 테스트를 반복합니다.