Hoe radar kan worden gebruikt voor voertuigdetectie en het vermijden van botsingen in uitdagende omgevingen

Bewegingsmonitoring en positiesensors kunnen botsingen voorkomen, de veiligheid garanderen en de productiviteit verhogen in logistiek, productie, mijnbouw, transport, landbouw en andere industrieën. De sensors kunnen op voertuigen worden gemonteerd of op strategische vaste locaties worden geplaatst.

Ze moeten configureerbaar zijn voor specifieke toepassingsbehoeften en multifunctionele detectiemogelijkheden hebben, waaronder objectdetectie op basis van afstand, hoekpositie en snelheid. De mogelijkheid om meerdere doelen tegelijk te detecteren is nodig in drukke of complexe omgevingen.

Toepassingen zoals laadperrons en snelheidsregeling voor vorkheftrucks profiteren van het gebruik van een technologie die niet wordt beïnvloed door vuil, stof, wind, neerslag en andere omgevingsfactoren. Het aanpassen van parameters zoals de vorm van het detectievenster en de streefwaarden kan de prestaties nog verder verbeteren.

Dit artikel begint met een overzicht van het belang van de werkfrequentie op verschillende belangrijke radarspecificaties en gaat dan over naar een vergelijking van beschikbare radartechnologieën zoals frequentiegemoduleerde continue golf (FMCW) en gepulseerde coherente radar (PCR), detectieschema's, bundelpatronen en detectiezones. Vervolgens wordt een softwarepakket gepresenteerd dat de ontwikkeling van geavanceerde systemen met radarsensors kan versnellen.

Het verslag sluit af met toepassingsvoorbeelden van hoe al deze factoren worden gebruikt in de Q90R-serie radarsensors van Banner Engineering om multifunctionele detectiecapaciteiten te bieden voor betrouwbare detectie in veeleisende omgevingen, waaronder het detecteren van de aanwezigheid van vrachtwagens op een laadperron en het regelen van de snelheid van vorkheftrucks voor meer veiligheid.

Radardetectie en -radar (radar) is een actieve sensortechnologie die hoogfrequente RF-energie uitzendt. De energie wordt weerkaatst door objecten op zijn pad en de kenmerken van de weerkaatste energie kunnen worden gebruikt om objecten te detecteren, hun afstand te bepalen en, in sommige gevallen, de snelheid te meten waarmee ze naar de sensor toe of ervan weg bewegen.

De werkfrequentie is een fundamentele eigenschap die de prestaties van een radarsensor bepaalt. Er zijn industriële radarsensors beschikbaar die werken op 24 GHz, 60 GHz en 122 GHz, delen van de industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) frequentiebanden, en die gebruikt kunnen worden zonder speciale vergunning.

De werkfrequentie van een radarsensor heeft een grote invloed op verschillende specificaties, waaronder:

• Bereik- Laagfrequente radarsensors zoals 24 GHz hebben het grootste bereik.
• Nauwkeurigheid - Hoogfrequente radarsensoren zoals 122 GHz hebben een hogere nauwkeurigheid en kunnen kleinere objecten detecteren.
• Dode zone - De dode zone of blokkeerafstand van een radarsensor wordt veroorzaakt doordat het doel te dichtbij is. Over het algemeen hebben sensoren met een hogere frequentie kleinere dode zones.
• Weerbestendigheid - Sensorfuncties zijn ongevoelig voor wind, mist, stoom en temperatuurschommelingen. Radar is over het algemeen bestand tegen interferentie door regen of sneeuw. 24 GHz radar is het best in staat om interferentie van regen en sneeuw te negeren.
• Doelmaterialen - Hoewel de 24 GHz radar het best bestand is tegen interferentie door weersinvloeden, is hij het meest beperkt in zijn vermogen om een groot aantal materialen waar te nemen. 60 GHz of 122 GHz radarsensors kunnen hoog- en laagdiëlektrische materialen detecteren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De werkfrequentie van radarsensors heeft een sterke invloed op het vermogen om een reeks doelmaterialen te identificeren op basis van hun diëlektrische eigenschappen. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Verder dan frequentie

Frequentie is een bepalend kenmerk van radarsensors. Andere belangrijke specificaties zijn radartechnologie zoals FMCW versus PCR, detectieschema's zoals instelbaar veld versus retro-reflectieve sensoren, en het gezichtsveld, de vorm van het venster en de doelinstellingen.

FMCW zendt een continu signaal uit dat gemoduleerd is en in frequentie toeneemt of afneemt over een vaste bandbreedte. Door de frequentie van een gereflecteerd signaal te meten, weet de radar hoeveel tijd het signaal nodig heeft gehad om het doelwit te weerkaatsen en terug te keren. Die informatie over de time of flight (ToF) bepaalt het doelbereik.

Enkele voordelen van FMCW zijn het gelijktijdig meten van bereik en snelheid zonder aparte antennes of pulsen, een superieure afstandsresolutie, de mogelijkheid om onderscheid te maken tussen dicht bij elkaar gelegen doelen en een hogere nauwkeurigheid in moeilijke omgevingen.

De PCR-radar zendt een puls uit, schakelt de zender uit, wacht tot er een echo van het doel wordt ontvangen en schakelt dan de zender weer in om een nieuwe puls uit te zenden en de cyclus voort te zetten. Net als bij FMCW wordt een vorm van ToF-analyse gebruikt om het bereik en de snelheid van het doel te bepalen. Het gebruik van pulsen betekent dat PCR-radar minder stroom verbruikt dan FMCW. PCR geniet vaak de voorkeur in batterijgevoede systemen en is zeer geschikt voor korteafstandstoepassingen met laag vermogen.

Instelbaar veld vs. retro-reflectieve sensoren

Regelbare veldradar detecteert objecten door gereflecteerde RF-golven waar te nemen. Ze zijn zeer geschikt om objecten te detecteren met een grote radardoorsnede die veel RF-energie reflecteert. Objecten met grote metalen oppervlakken, vooral oppervlakken die loodrecht op de radarbundel staan, hebben meestal grote radardoorsneden.

Instelbare veldradarsensors kunnen instelbare instelafstanden hebben. De sensor gebruikt ToF-berekeningen om het doelbereik te bepalen en signaleert alleen de aanwezigheid van doelen binnen de ingestelde afstand.

Een retro-reflectieve radarsensor is afhankelijk van de aanwezigheid van een reflecterend referentiedoel zoals een muur. Het detecteert objecten door onderbrekingen in het retoursignaal van het referentiedoel te identificeren. Deze radarsensors kunnen worden geoptimaliseerd om objecten waar te nemen, zelfs als ze geen grote radardoorsnede hebben.

60 GHz, FMCW-radarsensors

De Q90R-serie FMCW-radarsensors met instelbaar veld werken op 60 GHz en bieden uitgebalanceerde prestaties op het gebied van nauwkeurigheid, bereik en materiaaldetectiemogelijkheden. Bovendien voldoen ze aan IP69K en zijn ze geschikt voor gebruik in veeleisende omgevingen (Afbeelding 2). Ze zijn verkrijgbaar met een gezichtsveld van 120° bij 40° of 40° bij 40°. Parameters zoals bereik en detectie van het dichtstbijzijnde of het sterkste object kunnen worden aangepast voor specifieke toepassingsvereisten.

Afbeelding 2: De Q90R-serie FMCW-radarsensors met instelbaar veld werken op 60 GHz en zitten in een robuuste IP69K-behuizing. (Bron afbeelding: DigiKey)

De Q90R2-12040-6KDQ heeft een zeer configureerbaar gezichtsveld van 120° bij 40° dat kan worden opgesplitst in onafhankelijke detectiezones en nauwkeurige positiebepaling mogelijk maakt (Afbeelding 3). Het multidimensionale detectievermogen kan intelligentere objectdetectie ondersteunen op basis van afstand, radiale positie en snelheidsdrempels. Net als andere modellen in de Q90R-familie van radarsensors heeft deze een bereik van 0,15 tot 20 m. Het systeem biedt ook flexibele aansluitmogelijkheden, waaronder IO-Link en de Pulse Frequency Modulation (PFM) technologie van Banner.

Afbeelding 3: Q90R2-radarsensors hebben een configureerbaar en breed gezichtsveld van 120° bij 40° (Afbeeldingsbron: Banner Engineering)

Software ontsluit de prestaties

De krachtige functies van de Q90R- en Q90R2-radarsensors kunnen worden ontsloten met de Measurement Sensor Software van Banner, een grafische gebruikersinterface (GUI) waarmee ontwerpers gegevens van de sensors kunnen configureren en visualiseren.

De software geeft een grafiek die laat zien wat de sensor ziet, wat handig is voor sensors zonder zichtbare bundels, zoals radarsensors. Gebruikers kunnen sensorparameters aanpassen, zoals reactiesnelheid, uitvoerconfiguraties en filteropties.

Het gezichtsveld van 120° bij 40° van de Q90R2 is in hoge mate configureerbaar en maakt precieze positionering en besturing mogelijk. Ontwerpers kunnen de software van Banner gebruiken om geavanceerde detectieparameters aan te passen, zoals de venstervorm en doelinstelpunten van elke toepassing. (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Met de Measurement Sensor Software van Banner kunnen ontwerpers het gezichtsveld (boven) en de venstervormen en richtpunten (onder) optimaliseren. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Voertuigdetectie bij laadperrons

Het automatisch en nauwkeurig detecteren van vrachtwagens bij laadperrons is belangrijk om de productiviteit en veiligheid te ondersteunen en te voldoen aan milieunormen. De traditionele oplossingen van deurbellen of indicatielampjes zijn vaak niet geschikt. Laadperrons kunnen lawaaierige plekken zijn waar deurbellen niet altijd te horen zijn. Bovendien kan de aanwezigheid van boven- en machineverlichting en knipperende lichten op vorkheftrucks het gemakkelijk maken om een controlelampje, zelfs een knipperend, over het hoofd te zien.

Een geautomatiseerde sensoroplossing is wenselijk. Trucks zijn er echter in verschillende maten, worden gemaakt van verschillende materialen en kunnen een breed scala aan kleuren en oppervlakteafwerkingen hebben. Deze uitdagingen, plus de dubbelzinnigheden van omgevingscondities zoals lawaai, stof, regen of sneeuw, maken het een uitdaging om een betrouwbare oplossing op basis van foto-elektrische of ultrasone sensoren te implementeren.

Radarsensors zoals de Q90R2 genieten vaak de voorkeur. Ze negeren omgevingsfactoren. Ze hebben een IP67/IP69K-behuizing, waardoor ze geschikt zijn voor slagregens en andere uitdagende omgevingsomstandigheden, en een breed bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot 65 °C. Ze kunnen op betrouwbare wijze de aanwezigheid van vrachtwagens detecteren, ongeacht het materiaal en de kleur, textuur of reflectiviteit ervan.

Dankzij de onafhankelijke en configureerbare detectiezones en het bundelpatroon van 120° bij 40° van de Q90R2 kan één sensor het werk van twee doen en de aanwezigheid van vrachtwagens bij twee aangrenzende dokken detecteren (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het bundelpatroon van 120° x 40° van de Q90R2-radarsensor betekent dat één enkele sensor twee vrachtwagendokken kan bewaken. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Snelheidsregeling en veiligheid van vorkheftrucks

Naast het detecteren van voertuigen kunnen radarsensors ook op een voertuig zoals een vorkheftruck worden gemonteerd om veranderingen in de omgeving te detecteren en zo de veiligheid te vergroten. Een Q90R2-radarsensor kan bijvoorbeeld aan de achterkant of zijkanten van een vorkheftruck worden gemonteerd en worden geconfigureerd met meerdere zones op verschillende afstanden.

Het brede bundelpatroon van 120° bij 40° van de Q90R2 maakt hem bijzonder geschikt voor het bewaken van omringende objecten die in beweging kunnen zijn. Daarnaast geeft de Q90R2 feedback over de radiale afstand, hoekpositie en doelsnelheid. Als de gevaren dichterbij komen, kan de vorkheftruckchauffeur worden gewaarschuwd, kan de snelheid van de vorkheftruck automatisch worden beperkt of kan de vorkheftruck worden gestopt.

Wanneer een vorkheftruck zowel binnen als buiten wordt gebruikt, kan een Q90R-radarsensor met een bundelpatroon van 40° bij 40° op het dak worden gemonteerd om de aanwezigheid of afwezigheid van een plafond te detecteren. Als de vorkheftruck buiten staat en er geen plafond wordt gedetecteerd, kan de machine met de maximaal toegestane snelheid rijden. Wanneer de vorkheftruck binnen rijdt en er een plafond aanwezig is, kan de maximumsnelheid automatisch worden verlaagd om de veiligheid te verbeteren en schade te voorkomen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Radarsensors kunnen worden gebruikt om mensen of voorwerpen rond een vorkheftruck en de aanwezigheid of afwezigheid van een plafond te controleren. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Afhankelijk van de systeemvereisten zijn er verschillende Q90R-modellen om uit te kiezen met verschillende uitgangsconfiguraties, waaronder:

• Q90R-4040-6KDQ met dubbele discrete NPN/PNP, PFM en een IO-Link-uitgang
• Q90R-4040-6KIQ met een analoge stroom (4 tot 20 mA), 1 NPN/PNP discrete en een IO-Link-uitgang
• Q90R-4040-6KUQ met een analoge spanning (0 tot 10 V of 0,5 tot 4,5 V), 1 NPN/PNP discrete en een IO-Link-uitgang

Conclusie

Radarsensoren uit de Q90R-serie zijn zeer veelzijdig. Dankzij hun werkfrequentie van 60 GHz kunnen ze verschillende materialen detecteren. Met een bereik tot 20 m en configureerbare bundelpatronen kunnen deze FMCW-radars verschillende toepassingen ondersteunen. Ze zijn verkrijgbaar met verschillende uitvoeropties om te voldoen aan verschillende systeembehoeften en kunnen worden gemonteerd op voertuigen zoals vorkheftrucks of worden geplaatst op strategische vaste locaties zoals naast laadkades. Tot slot kunnen ontwerpers de Measurement Sensor Software van Banner gebruiken om het systeemontwerp en de implementatie te versnellen.