Slik kan radar brukes til å oppdage kjøretøy og unngå kollisjoner i utfordrende miljøer

Bevegelsesovervåking og posisjonssensorer kan gjøre det mulig å unngå kollisjoner, gi trygghet og øke produktiviteten innen logistikk, produksjon, gruvedrift, transport, landbruk og andre bransjer. Sensorene kan monteres på kjøretøy eller plasseres på strategiske faste steder.

De må være konfigurerbare for å passe til spesifikke utrustningsbehov og ha flerfunksjonelle sensorfunksjoner, som omfatter objektdeteksjon basert på avstand, vinkelposisjon og hastighet. Evnen til å oppdage flere mål samtidig er nødvendig i travle eller komplekse miljøer.

Brukstilfeller som lasteramper og hastighetsstyring for gaffeltrucker drar nytte av å bruke teknologi som ikke påvirkes av smuss, støv, vind, nedbør og andre miljøforhold. Tilpasning av parametere som deteksjonsvinduets form og målinnstillingspunkter kan forbedre ytelsen ytterligere.

Denne artikkelen starter med å gjennomgå viktigheten av driftsfrekvensen på flere viktige radarspesifikasjoner, og går deretter videre til å sammenligne tilgjengelige radarteknologier som frekvensmodulert kontinuerlig bølge (FMCW – frequency modulated continuous wave) og pulserende koherent radar (PCR – pulsed coherent radar), deteksjonsmetoder, strålemønstre og deteksjonssoner. Deretter presenteres en programvarepakke som kan fremskynde utviklingen av avanserte systemer ved å bruke radarsensorer.

Til slutt vises eksempler på hvordan alle disse faktorene brukes for radarsensorer i Banner EngineeringsQ90R-serie til å gi flerfunksjonelle sensorfunksjoner for pålitelig deteksjon i krevende mijøer, som omfatter å registrere tilstedeværelsen av lastebiler ved en lasterampe og styring av gaffeltruckhastigheten for økt sikkerhet.

Radiodeteksjon og -avstandsmåling (radar) er en aktiv sensorteknologi som stråler ut høyfrekvent RF-energi. Energien reflekteres fra objekter i dens bane, og egenskapene til den reflekterte energien kan brukes til å detektere objekter, bestemme avstanden til dem og, i noen tilfeller, måle hastigheten de beveger seg mot eller bort fra sensoren.

Driftsfrekvensen er en grunnleggende egenskap som fastsetter ytelsen til en radarsensor. Det finnes industrielle radarsensorer som opererer på 24 GHz, 60 GHz og 122 GHz, som er en del av ISM-frekvensbåndene (Industrial, Scientific and Medical), som kan brukes uten spesiell lisens.

En radarsensors driftsfrekvens til har stor innvirkning på flere spesifikasjoner, deriblant:

• Rekkevidde – Lavfrekvente radarsensorer som 24 GHz har den lengste rekkevidden.
• Nøyaktighet – Høyfrekvente radarsensorer som 122 GHz har høyere nøyaktighet og kan oppdage mindre objekter.
• Dødsone – En radarsensors dødsone, eller blokkeringsavstand, skyldes at målet er for nærme. Høyfrekvente sensorer har vanligvis mindre dødsoner.
• Værbestandighet – Sensorfunksjoner er immune mot vind, tåke, damp og temperaturendringer. Radar er generelt mer motstandsdyktig mot forstyrrelser fra regn eller snø. 24 GHz-radaren har den beste evnen til å ignorere forstyrrelser fra regn og snø.
• Målmaterialer – Selv om denne er mest motstandsdyktig mot interferens fra vær, er 24 GHz-radar den mest begrensede i sin evne til å detektere et bredt spekter av materialer. 60 GHz- eller 122 GHz-radarsensorer kan detektere høy- og lavdielektriske materialer (figur 1).

Figur 1: Radarsensorers driftsfrekvens har sterk innflytelse på evnen til å identifisere en rekke målmaterialer basert på de dielektriske egenskapene deres. (Bildekilde: Banner Engineering)

Faktorer utover frekvens

Frekvens er en definerende egenskap ved radarsensorer. Andre viktige spesifikasjoner omfatter radarteknologi som FMCW versus PCR, deteksjonssystemer, inkludert justerbart felt versus retroreflekterende sensorer, samt synsfelt, vindusform og målsettpunkter.

FMCW stråler ut et kontinuerlig signal som er modulert og øker eller reduseres i frekvens over en fast båndbredde. Ved å måle frekvensen til et reflektert signal vet radaren hvor lang tid det har tatt for signalet å reflekteres fra målet og komme tilbake. Denne ToF-informasjonen (Time of flight) bestemmer målrekkevidden.

Noen av fordelene med FMCW er samtidig måling av rekkevidde og hastighet uten behov for separate antenner eller pulser, overlegen rekkeviddeoppløsning, muligheten til å skille mellom mål som ligger tett, og høyere nøyaktighet i utfordrende miljøer.

PCR-radar sender en puls, slår senderen av, venter på å motta et ekko fra målet, slår deretter senderen på igjen for å sende en ny puls og fortsette syklusen. I likhet med FMCW brukes en form for ToF-analyse til å bestemme målets rekkevidde og hastighet. Bruken av pulser gjør at PCR-radar bruker mindre strøm enn FMCW. PCR er ofte foretrukket i batteridrevne systemer og egner seg godt til utrustninger for kortdistans med lavt strømforbruk.

Sensorer med justerbart felt kontra retroreflekterende

Justerbar feltradar oppdager objekter ved å registrere reflekterte RF-bølger. De er godt egnet til å detektere objekter med et stort radartverrsnitt som reflekterer mye RF-energi. Objekter med store metalloverflater, spesielt overflater som står vinkelrett på radarstrålen, har vanligvis store radartverrsnitt.

Justerbare feltradarsensorer kan ha konfigurerbare avstander for innstillingspunkt. Sensoren bruker ToF-beregninger til å bestemme målavstanden og signaliserer bare tilstedeværelsen av mål innenfor den innstilte avstanden.

En retroreflekterende radarsensor er avhengig av at det finnes et reflekterende referansemål, for eksempel en vegg. Den oppdager objekter ved å identifisere forstyrrelser i retursignalet fra referansemålet. Disse radarsensorene kan optimaliseres til å registrere objekter selv om de ikke har store radartverrsnitt.

60 GHz, FMCW-radarsensorer

Q90R-serien med FMCW-radarsensorer med justerbart felt opererer ved 60 GHz og gir balansert ytelse når det gjelder nøyaktighet, rekkevidde og materialdeteksjon. I tillegg er de IP69K-klassifisert og egner seg for bruk i krevende miljøer (figur 2). De er tilgjengelige med 120° x 40°-eller 40° x 40°-synsfelt. Parametere som rekkevidde og deteksjon av det nærmeste eller sterkeste objektet kan endres for spesifikke bruksområder.

Figur 2: Q90R-serie FMCW-radarsensorer med justerbart felt opererer ved 60 GHz og er i en robust IP69K-kapsling. (Bildekilde: DigiKey)

Q90R2-12040-6KDQ har et svært konfigurerbart synsfelt på 120° x 40° som kan deles inn i uavhengige deteksjonssoner og muliggjør presis posisjonsavlesning (figur 3). Den flerdimensjonale sensorikken kan støtte mer intelligent gjenkjenning av objekter basert på terskelverdier for avstand, radial posisjon og hastighet. I likhet med andre modeller i Q90R-familien av radarsensorer har den en rekkevidde på 0,15 til 20 m. Den tilbyr også fleksible tilkoblingsmuligheter, inkludert IO-Link og Banners Pulse Pro-teknologi for pulsfrekvensmodulasjon (PFM).

Figur 3: Q90R2-radarsensorene har et konfigurerbart og bredt synsfelt på 120° x 40° (bildekilde: Banner Engineering)

Programvare øker ytelsen

De kraftige funksjonene til radarsensorene Q90R og Q90R2 kan låses opp ved hjelp av Banners Measurement Sensor Software, et grafisk brukergrensesnitt (GUI) som gjør det mulig for designere å konfigurere og visualisere data fra sensorene

Programvaren gir en grafikk som viser hva sensoren ser, noe som er nyttig for sensorer uten synlige stråler, for eksempel radarsensorer. Brukerne kan endre sensorparametere, for eksempel responshastighet, utgangskonfigurasjoner og filtreringsalternativer.

Q90R2 har et synsfelt på 120° x 40° som er svært konfigurerbart og muliggjør presis posisjonering og styring. Konstruktører kan bruke Banners programvare til å tilpasse avanserte sensorparametere, som for eksempel hver applikasjons vindusform og målinnstillingspunkter. (Figur 4).

Figur 4: Med Banners programvare for målesensorer kan designere optimalisere synsfeltet (øverst) og vindusformene og målpunktene (nederst). (Bildekilde: Banner Engineering)

Deteksjon av kjøretøy ved lastekaier

Automatisk og nøyaktig detektering av lastebiler ved lastekaier er viktig for å øke produktiviteten og sikkerheten og for å oppfylle miljøstandarder. De tradisjonelle løsningene med dørklokker eller indikatorlamper er ofte ikke egnede. Lastekaier kan være støyende steder der dørklokker ikke alltid kan høres. I tillegg kan det være lett å overse en indikatorlampe, selv om den blinker, på grunn av tak- og maskinbelysning og blinkende lys på gaffeltruckene, selv om det blinker.

Det er ønskelig med en automatisert sensorløsning. Lastebiler kommer imidlertid i flere størrelser, er laget av forskjellige materialer og kan ha et bredt spekter av farger og overflatebehandlinger. Disse utfordringene, i tillegg til tvetydighetene i omgivelsene som støy, støv, regn eller snø, gjør det utfordrende å implementere en pålitelig løsning basert på fotoelektriske eller ultrasoniske sensorer.

Radarsensorer som Q90R2 er ofte det foretrukne valget. De tar ikke hensyn til omgivelsesforholdene. De har et IP67/IP69K-klassifisert hus, noe som gjør dem egnet for slagregn og andre utfordrende miljøforhold, og et bredt driftstemperaturområde på -40 °C til +65 °C. De kan på en pålitelig måte oppdage tilstedeværelsen av lastebiler uavhengig av materialet og dets farge, tekstur eller refleksjonsevne.

De uavhengige og konfigurerbare sensorsonene og Q90R2s 120° x 40°-strålemønster gjør det mulig for én sensor å gjøre jobben til to og registrere tilstedeværelsen av lastebiler ved to tilstøtende kaier (figur 5).

Figur 5: Q90R2-radarsensoren har et strålemønster på 120° x 40°, noe som betyr at én enkelt sensor kan overvåke to lasteramper. (Bildekilde: Banner Engineering)

Hastighetsstyring og sikkerhet for gaffeltrucker

I tillegg til å oppdage kjøretøy kan radarsensorer monteres på et kjøretøy, for eksempel en gaffeltruck, for å oppdage endringer i omgivelsene og dermed øke sikkerheten. En Q90R2-radarsensor kan for eksempel monteres på baksiden eller sidene av en gaffeltruck og konfigureres med flere soner på forskjellige avstander.

Det brede strålemønsteret på 120° x 40° på Q90R2 gjør den spesielt egnet for overvåking av objekter som kan være i bevegelse i omgivelsene. I tillegg gir Q90R2 tilbakemelding om radial avstand, vinkelposisjon og målhastighet. Når farer nærmer seg, kan gaffeltruckføreren varsles, gaffeltruckens hastighet kan automatisk begrenses, eller gaffeltrucken kan stanses.

I tilfeller der en gaffeltruck brukes både innendørs og utendørs, kan en Q90R-radarsensor med et strålemønster på 40° x 40° monteres på taket for å oppdage om det er tak eller ikke. Når gaffeltrucken befinner seg utendørs, og det ikke registreres noe tak, kan maskinen kjøre med maksimal tillatt hastighet. Når gaffeltrucken beveger seg innendørs og det er tak, kan maksimal hastighet reduseres automatisk for å øke sikkerheten og forhindre skader (figur 6).

Figur 6: Radarsensorer kan brukes til å overvåke om det befinner seg personer eller objekter rundt en gaffeltruck, og om det er tak eller ikke. (Bildekilde: Banner Engineering)

Avhengig av systembehovene finnes det flere Q90R-modeller å velge mellom med ulike utgangskonfigurasjoner, blant annet

• Q90R-4040-6KDQ med to frittstående (diskrete) NPN/PNP, PFM og en IO-Link-utgang
• Q90R-4040-6KIQ med en analog strøm (4 til 20 mA), 1 frittstående (diskret) NPN/PNP og en IO-Link-utgang
• Q90R-4040-6KUQ med en analog spenning (0 til 10 V eller 0,5 til 4,5 V), 1 frittstående (diskret) NPN/PNP og en IO-Link-utgang

Konklusjon

Radarsensorene i Q90R-serien er svært allsidige. Driftsfrekvensen på 60 GHz gjør dem i stand til å detektere ulike materialer. Med en rekkevidde på opptil 20 m og konfigurerbare strålemønstre kan disse FMCW-radarene brukes til en rekke ulike bruksområder. De er tilgjengelige med flere utgangsalternativer for å støtte ulike systembehov, og kan monteres på kjøretøy som gaffeltrucker eller plasseres på strategiske, faste steder, for eksempel i tilknytning til lasteramper. Til slutt kan designere bruke Banners programvare for målesensorer for å få fart på systemdesign og implementering.